新人教版高中物理必修第二冊學(xué)案：7.4　宇宙航行

新人教版高中物理必修第二冊PAGEPAGE1宇宙航行核心素養(yǎng)目標(biāo)物理觀念知道三個宇宙速度及含義，了解衛(wèi)星的分類?？茖W(xué)思維會推導(dǎo)第一宇宙速度，掌握人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任了解人類在宇宙探索方面的重要成就，培養(yǎng)應(yīng)用物理規(guī)律造福人類的意識。知識點(diǎn)一宇宙速度[觀圖助學(xué)]水平速率v1不夠大，因此炮彈將落到地上。當(dāng)炮彈具有更大的初速度v2時，將飛得更遠(yuǎn)。當(dāng)炮彈的水平速率v3足夠大時，炮彈將環(huán)繞地球運(yùn)動。1.環(huán)繞速度一般情況下可認(rèn)為人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動，設(shè)地球的質(zhì)量為m地，衛(wèi)星的質(zhì)量為m，向心力由地球?qū)λ娜f有引力提供，即Geq\f(mm地,r2)＝meq\f(v2,r)，則衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行的線速度v＝eq\r(\f(Gm地,r))。2.第一宇宙速度(1)定義：物體在地球附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動的速度叫作第一宇宙速度。(2)大?。簐＝7.9km/s。3.第二宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，如果速度大于7.9_km/s，又小于11.2km/s，它繞地球運(yùn)行的軌跡就不是圓，而是橢圓。當(dāng)飛行器的速度等于或大于11.2km/s時，它就會克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球。我們把11.2_km/s叫作第二宇宙速度。4.第三宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，如果要使其掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外，必須使它的速度等于或大于16.7km/s，這個速度叫作第三宇宙速度。[思考判斷](1)第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度。(√)(2)當(dāng)發(fā)射速度v＞7.9km/s時，衛(wèi)星將脫離地球的吸引，不再繞地球運(yùn)動。(×)(3)地球所有的衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)行速度都為7.9km/s。(×)三個宇宙速度發(fā)射速度與環(huán)繞速度不同。發(fā)射速度是將衛(wèi)星送入軌道，在地面上所必須獲得的速度。環(huán)繞速度是衛(wèi)星發(fā)射成功后，環(huán)繞地球運(yùn)行時的速度。知識點(diǎn)二人造地球衛(wèi)星、載人航天與太空探索[觀圖助學(xué)]你知道哪些我國最近發(fā)射的人造衛(wèi)星？它們是地球同步衛(wèi)星嗎？1.人造地球衛(wèi)星(1)1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功。1970年4月24日，我國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”發(fā)射成功。(2)地球同步衛(wèi)星(ⅰ)概念：相對于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星，叫作地球同步衛(wèi)星。(ⅱ)特點(diǎn)：六個“一定”①轉(zhuǎn)動方向一定：和地球自轉(zhuǎn)方向一致；②周期一定：和地球自轉(zhuǎn)周期相同，即T＝24h；③角速度一定：等于地球自轉(zhuǎn)的角速度；④軌道平面一定：所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方，其軌道平面必須與赤道平面重合；⑤高度一定：離地面高度固定不變(約3.6×104km)；⑥速率一定：線速度大小一定(約3.1×103m/s)。2.載人航天與太空探索1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員加加林進(jìn)入了東方一號載人飛船。1969年7月16日9時32分，運(yùn)載阿波羅11號飛船的土星5號火箭在美國卡納維拉爾角點(diǎn)火升空，拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷幕。2003年10月15日9時，我國神舟五號宇宙飛船把中國第一位航天員楊利偉送入太空。2013年6月，神舟十號分別完成與天宮一號空間站的手動和自動交會對接。2016年10月19日，神舟十一號完成與天宮二號空間站的自動交會對接。2017年4月20日，我國又發(fā)射了貨運(yùn)飛船天舟一號，入軌后與天宮二號空間站進(jìn)行自動交會對接、自主快速交會對接等3次交會對接及多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。,航天器種類繁多，分無人航天器(人造地球衛(wèi)星、空間探測器等)和載人航天器(載人飛船、空間站、航天飛機(jī)等)兩類。如下所示。中國第一位航天員楊利偉核心要點(diǎn)一宇宙速度[問題探究]發(fā)射衛(wèi)星，要有足夠大的速度才行。(1)怎樣求地球的第一宇宙速度？不同星球的第一宇宙速度是否相同？(2)把衛(wèi)星發(fā)射到更高的軌道上需要的發(fā)射速度越大還是越??？答案(1)根據(jù)Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(v2,R)，v＝eq\r(\f(GM,R))，可見第一宇宙速度由地球的質(zhì)量和半徑?jīng)Q定。不同。(2)軌道越高，需要的發(fā)射速度越大。[探究歸納]1.第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動的速度。2.第一宇宙速度的計算式(1)由Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(v2,R)推導(dǎo)可得v＝eq\r(\f(GM,R))。eq\a\vs4\al(也適用于其他星體的衛(wèi)星)(2)由mg＝meq\f(v2,R)推導(dǎo)可得v＝eq\r(gR)。3.第一宇宙速度的理解v＝7.9km/s是最小的發(fā)射速度(1)“最小發(fā)射速度”：向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，因?yàn)榘l(fā)射衛(wèi)星要克服地球?qū)λ囊Α＝剀壍朗侨嗽煨l(wèi)星的最低運(yùn)行軌道，而近地軌道的發(fā)射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度。v＝7.9km/s是最大環(huán)繞速度(2)“最大環(huán)繞速度”：在所有環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動的衛(wèi)星中，近地衛(wèi)星的軌道半徑最小，由Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)可得v＝eq\r(\f(GM,r))，軌道半徑越小，線速度越大，所以在這些衛(wèi)星中，第一宇宙速度是所有環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動的衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度。[試題案例][例1](多選)下列關(guān)于三種宇宙速度的說法中正確的是()A.第一宇宙速度v1＝7.9km/s，第二宇宙速度v2＝11.2km/s，則人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時的速度大于等于v1，小于v2B.美國發(fā)射的“鳳凰號”火星探測衛(wèi)星，其發(fā)射速度大于第三宇宙速度C.第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛，成為繞太陽運(yùn)行的人造小行星的最小發(fā)射速度D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動的最大運(yùn)行速度解析根據(jù)v＝eq\r(\f(GM,r))可知，衛(wèi)星的軌道半徑r越大，即距離地面越遠(yuǎn)，衛(wèi)星的環(huán)繞速度越小，v1＝7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動的最大運(yùn)行速度，選項(xiàng)D正確；實(shí)際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，故衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時的速度都小于第一宇宙速度，選項(xiàng)A錯誤；美國發(fā)射的“鳳凰號”火星探測衛(wèi)星，仍在太陽系內(nèi)，所以其發(fā)射速度小于第三宇宙速度，選項(xiàng)B錯誤；第二宇宙速度是使物體掙脫地球束縛而成為太陽的一顆人造小行星的最小發(fā)射速度，選項(xiàng)C正確。答案CD[例2]若取地球的第一宇宙速度為8km/s，某行星質(zhì)量是地球的6倍，半徑是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度約為()A.16km/s B.32km/sC.4km/s D.2km/s解析第一宇宙速度是近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度，對于近地衛(wèi)星，其軌道半徑近似等于星球半徑，所受萬有引力提供其做勻速圓周運(yùn)動的向心力，根據(jù)萬有引力定律和牛頓第二定律得Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)解得v＝eq\r(\f(GM,r))因?yàn)樾行堑馁|(zhì)量M′是地球質(zhì)量M的6倍，半徑R′是地球半徑R的1.5倍，故eq\f(v′,v)＝eq\f(\r(\f(GM′,R′)),\r(\f(GM,R)))＝eq\r(\f(M′R,MR′))＝2即v′＝2v＝2×8km/s＝16km/s，A正確。答案A方法總結(jié)第一宇宙速度的計算方法對于任何天體，計算第一宇宙速度時，都是根據(jù)萬有引力提供向心力的思路，衛(wèi)星的軌道半徑等于天體的半徑，由牛頓第二定律列式計算。(1)如果知道天體的質(zhì)量和半徑，可直接列式計算。(2)如果不知道天體的質(zhì)量和半徑的具體數(shù)值，但知道該天體與地球的質(zhì)量、半徑關(guān)系，可分別列出天體與地球環(huán)繞速度的表達(dá)式，用比例法進(jìn)行計算。[針對訓(xùn)練1](多選)國家航天局探月與航天工程中心表示，2020年我國首次實(shí)施火星探測任務(wù)，并計劃實(shí)現(xiàn)對火星的全球性、綜合性環(huán)繞探測。已知火星的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的eq\f(1,9)，火星的半徑約為地球半徑的eq\f(1,2)。下列關(guān)于火星探測器的說法中正確的是()A.發(fā)射速度只要大于第一宇宙速度即可B.發(fā)射速度只有達(dá)到第三宇宙速度才可以C.發(fā)射速度應(yīng)大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度D.火星探測器環(huán)繞火星運(yùn)行的最大速度為地球第一宇宙速度的eq\f(\r(2),3)解析根據(jù)三個宇宙速度的意義，可知選項(xiàng)A、B錯誤，C正確；已知M火＝eq\f(M地,9)，R火＝eq\f(R地,2)，則eq\f(vm,v1)＝eq\r(\f(GM火,R火))∶eq\r(\f(GM地,R地))＝eq\f(\r(2),3)，選項(xiàng)D正確。答案CD核心要點(diǎn)二人造地球衛(wèi)星運(yùn)行物理量分析[問題探究]如圖所示，在地球的周圍，有許多的衛(wèi)星在不同的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動。(1)這些衛(wèi)星的軌道平面有什么特點(diǎn)？(2)這些衛(wèi)星的線速度、角速度、周期、向心加速度等跟什么因素有關(guān)呢？答案(1)軌道平面過地心。(2)與軌道半徑有關(guān)。[探究歸納]1.人造衛(wèi)星的三種軌道(1)赤道軌道：衛(wèi)星軌道在赤道所在平面上，衛(wèi)星始終處于赤道上方。(2)極地軌道：衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直，衛(wèi)星經(jīng)過兩極上空。(3)一般軌道：衛(wèi)星軌道平面和赤道平面成一定角度(不等于0或90°)，如圖所示。2.人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律：人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律類似行星運(yùn)行規(guī)律。萬有引力提供向心力[試題案例][例3](多選)三顆人造地球衛(wèi)星A、B、C繞地球做勻速圓周運(yùn)動，如圖所示，已知mA＝mB＜mC，則對于三顆衛(wèi)星，正確的是()A.運(yùn)行線速度關(guān)系為vA＞vB＝vCB.運(yùn)行周期關(guān)系為TA＜TB＝TCC.向心力大小關(guān)系為FA＝FB＜FC利用牛頓第二定律D.半徑與周期關(guān)系為eq\f(Req\o\al(3,A),Teq\o\al(2,A))＝eq\f(Req\o\al(3,B),Teq\o\al(2,B))＝eq\f(Req\o\al(3,C),Teq\o\al(2,C))利用開普勒第三定律解析由Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)得v＝eq\r(\f(GM,r))，所以vA＞vB＝vC，選項(xiàng)A正確；由Geq\f(Mm,r2)＝mreq\f(4π2,T2)得T＝2πeq\r(\f(r3,GM))，所以TA＜TB＝TC，選項(xiàng)B正確；由Geq\f(Mm,r2)＝ma得a＝eq\f(GM,r2)，所以aA＞aB＝aC，又mA＝mB＜mC，所以FA＞FB，F(xiàn)B＜FC，選項(xiàng)C錯誤；三顆衛(wèi)星都繞地球運(yùn)行，故由開普勒第三定律得eq\f(Req\o\al(3,A),Teq\o\al(2,A))＝eq\f(Req\o\al(3,B),Teq\o\al(2,B))＝eq\f(Req\o\al(3,C),Teq\o\al(2,C))，選項(xiàng)D正確。答案ABD[針對訓(xùn)練2]2018年6月2日我國的“高分六號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，假設(shè)在軌運(yùn)行的“高分六號”衛(wèi)星、同步衛(wèi)星和月球都繞地球做勻速圓周運(yùn)動，它們在空間的位置示意圖如圖所示。下列有關(guān)“高分六號”衛(wèi)星的說法正確的是()A.其發(fā)射速度可能小于7.9km/sB.繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球運(yùn)行的角速度小C.繞地球運(yùn)行的周期比同步衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的周期小D.在運(yùn)行軌道上完全失重，重力加速度為0解析衛(wèi)星發(fā)射的最小速度為7.9km/s，故“高分六號”的發(fā)射速度一定不小于7.9km/s，故A錯誤；根據(jù)萬有引力提供向心力有Geq\f(Mm,r2)＝mω2r，得ω＝eq\r(\f(GM,r3))，即軌道半徑越大，角速度越小，由于“高分六號”的軌道半徑小于月球的軌道半徑，故“高分六號”繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球運(yùn)行的角速度大，故B錯誤；根據(jù)萬有引力提供向心力得Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(4π2,T2)r，得T＝2πeq\r(\f(r3,GM))，可知衛(wèi)星的軌道半徑越小，周期越小，由于“高分六號”的軌道半徑小于同步衛(wèi)星的軌道半徑，故“高分六號”繞地球運(yùn)行的周期比同步衛(wèi)星的周期小，故C正確；衛(wèi)星在軌運(yùn)行時，萬有引力完全提供向心力，故在運(yùn)行軌道上完全失重，Geq\f(Mm,r2)＝mg′，故重力加速度g′＝eq\f(GM,r2)，不為0，故D錯誤。答案C核心要點(diǎn)三航天事業(yè)改變著人類的生活20世紀(jì)人類最偉大的創(chuàng)舉之一是開拓了太空這一全新活動領(lǐng)域。1.衛(wèi)星通信和衛(wèi)星廣播：通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)越洋通話、實(shí)時收看世界各地發(fā)來的電視新聞。2.“靜止”在赤道上空的同步氣象衛(wèi)星把廣闊視野內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)發(fā)回地面，3顆同步衛(wèi)星就可以形成一條南北緯50°之間的全球觀測帶。再配合幾顆縱穿地球兩極的極軌衛(wèi)星，就能形成全球氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)，為天氣預(yù)報提供全面、及時的氣象資料。用衛(wèi)星監(jiān)測厄爾尼諾現(xiàn)象。不同的顏色代表海平面高度與正常水平的差值3.衛(wèi)星引起了船舶、飛機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的重大變化。利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)導(dǎo)航的各種汽車已經(jīng)奔馳在城市的道路上。4.地球資源衛(wèi)星：應(yīng)用于勘測海洋和水利資源、調(diào)查地下礦藏、監(jiān)視自然災(zāi)害、觀測環(huán)境污染等方面。國產(chǎn)車載GPS根據(jù)衛(wèi)星信號確定汽車位置，利用電腦儲存的電子地圖，用語音向駕駛員提出建議5.軍用衛(wèi)星：已經(jīng)成為指揮系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的重要組成部分，偵察衛(wèi)星、軍用通信衛(wèi)星、軍用導(dǎo)航衛(wèi)星以及空中預(yù)警飛機(jī)構(gòu)成了現(xiàn)代防務(wù)的“神經(jīng)中樞”。6.由于失重現(xiàn)象，航天器是一個微重力實(shí)驗(yàn)室，在這樣的條件下，可以研制高純度大單晶、超高純度金屬，進(jìn)行各種物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的研究。太空環(huán)境的另一個特點(diǎn)是高強(qiáng)度的輻射。它一方面對宇航員造成威脅；另一方面，它可以誘導(dǎo)生物基因的變異，受輻射的植物種子就有可能變?yōu)榫哂袃?yōu)良性狀的新品種。[例4]中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2020年左右北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以形成全球覆蓋能力。如圖所示是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中部分衛(wèi)星的軌道示意圖，已知a、b、c三顆衛(wèi)星均做圓周運(yùn)動，a是地球同步衛(wèi)星，則()A.衛(wèi)星a的角速度小于c的角速度B.衛(wèi)星a的加速度大于b的加速度C.衛(wèi)星a的運(yùn)行速度大于第一宇宙速度D.衛(wèi)星b的周期大于24h解析由萬有引力提供向心力有Geq\f(Mm,r2)＝mω2r＝meq\f(4π2,T2)r＝meq\f(v2,r)＝ma，得ω＝eq\r(\f(GM,r3))，a＝eq\f(GM,r2)，v＝eq\r(\f(GM,r))，T＝2πeq\r(\f(r3,GM))，a的軌道半徑大于c的軌道半徑，因此衛(wèi)星a的角速度小于c的角速度，選項(xiàng)A正確；a的軌道半徑與b的軌道半徑相等，因此衛(wèi)星a的加速度等于b的加速度，選項(xiàng)B錯誤；a的軌道半徑大于地球半徑，因此衛(wèi)星a的運(yùn)行速度小于第一宇宙速度，選項(xiàng)C錯誤；a的軌道半徑與b的軌道半徑相等，衛(wèi)星b的周期等于a的周期，為24h，選項(xiàng)D錯誤。答案A[針對訓(xùn)練3]2018年11月1日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射第四十一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，是我國北斗三號系統(tǒng)第十七顆組網(wǎng)衛(wèi)星，它是地球同步衛(wèi)星，設(shè)地球自轉(zhuǎn)角速度一定，下面關(guān)于該衛(wèi)星的說法正確的是()A.它繞地球運(yùn)動的角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度B.它沿著與赤道成一定角度的軌道運(yùn)動C.運(yùn)行的軌道半徑可以有不同的取值D.如果需要可以發(fā)射到北京上空解析地球的同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)的周期相同，故它繞地球運(yùn)動的角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度，選項(xiàng)A正確；它的軌道平面與赤道平面重合，即只能定點(diǎn)在赤道的上空，選項(xiàng)B、D錯誤；根據(jù)Geq\f(Mm,r2)＝mω2r可知，運(yùn)行的軌道半徑是固定的值，選項(xiàng)C錯誤。答案A1.關(guān)于宇宙速度的說法正確的是()A.第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星運(yùn)行時的最大速度B.第一宇宙速度是地球同步衛(wèi)星的發(fā)射速度C.人造地球衛(wèi)星運(yùn)行時的速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之間D.第三宇宙速度是物體逃離地球的最小速度解析第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，同時也是人造地球衛(wèi)星的最大運(yùn)行速度，故A正確，B、C錯誤；第二宇宙速度是物體逃離地球的最小速度，D錯誤。答案A2.(多選)2018年6月5日“風(fēng)云二號H星”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，“風(fēng)云二號H星”是靜止軌道氣象衛(wèi)星，將與在軌的風(fēng)云二號E、F、G星開展組網(wǎng)觀測，對于保證我國兩代靜止軌道氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)持續(xù)有著重要意義，“天宮二號”的運(yùn)行軌道高度為350km，它們的運(yùn)行軌道均視為圓周，則()A.“天宮二號”比“風(fēng)云二號H星”速度大B.“天宮二號”比“風(fēng)云二號H星”周期長C.“天宮二號”比“風(fēng)云二號H星”角速度大D.“天宮二號”比“風(fēng)云二號H星”加速度大解析由于r天<r風(fēng)，由Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)＝mrω2＝mreq\f(4π2,T2)＝ma，得v＝eq\r(\f(GM,r))，故A正確；ω＝eq\r(\f(GM,r3))，T＝2πeq\r(\f(r3,GM))，故B錯誤，C正確；a＝eq\f(GM,r2)，故D正確。答案ACD3.(多選)下面關(guān)于同步衛(wèi)星的說法中正確的是()A.所有的地球同步衛(wèi)星都位于地球的赤道平面內(nèi)B.所有的地球同步衛(wèi)星的質(zhì)量都相等C.它運(yùn)行的線速度一定小于第一宇宙速度D.它可以定位在桂林的正上空解析同步衛(wèi)星運(yùn)行軌道只能位于地球赤道平面內(nèi)，故選項(xiàng)A正確，D錯誤；根據(jù)Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)可知，衛(wèi)星的質(zhì)量m在等式兩邊約去了，同步衛(wèi)星的質(zhì)量可以不等，故選項(xiàng)B錯誤；第一宇宙速度是近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度，也是最大的環(huán)繞速度，而同步衛(wèi)星的軌道半徑要大于近地衛(wèi)星的軌道半徑，則同步衛(wèi)星運(yùn)行的線速度一定小于第一宇宙速度，故選項(xiàng)C正確。答案AC