人教版高中物理必修第二冊第七章4宇宙航行課件

4．宇宙航行第七章

萬有引力與宇宙航行整體感知·自我新知初探[學(xué)習(xí)任務(wù)]

1．知道宇宙速度的概念，區(qū)分三種宇宙速度，初步具有宇宙航行的運動觀。2．通過第一宇宙速度的推導(dǎo)過程，體會數(shù)學(xué)方法對物理學(xué)科的推動作用。3．了解宇宙航行的歷程和進(jìn)展，感受人類對未知世界的探索精神。[問題初探]

問題1．第一宇宙速度繞哪個星體轉(zhuǎn)動？問題2．第二宇宙速度繞哪個星體轉(zhuǎn)動？問題3．第三宇宙速度離開了哪個星系？[自我感知]經(jīng)過你認(rèn)真的預(yù)習(xí)，結(jié)合你對本節(jié)課的理解和認(rèn)識，請畫出本節(jié)課的知識邏輯體系。探究重構(gòu)·關(guān)鍵能力達(dá)成

知識點一宇宙速度

7.9km/s11.2km/s11.2km/s3．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______________，這個速度叫作第三宇宙速度。16.7km/s如圖所示，當(dāng)物體被拋出的速度足夠大時，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)而不再落回地面，成為一顆人造地球衛(wèi)星。【問題】(1)使物體變?yōu)樾l(wèi)星的最小發(fā)射速度是多少？(2)不同星球的最小發(fā)射速度是否相同？(3)把衛(wèi)星發(fā)射到更高的軌道上需要的發(fā)射速度越大還是越小？

1．宇宙速度(1)三個宇宙速度v1、v2、v3(2)宇宙速度均指發(fā)射速度，衛(wèi)星的運行速度一定不大于其發(fā)射速度。(3)第一宇宙速度的其他三種叫法：最小發(fā)射速度、最大環(huán)繞速度、近地繞行速度。

【微提醒】

在地面附近發(fā)射速度7.9km/s<v<11.2km/s時，衛(wèi)星在橢圓軌道上繞地球運動；當(dāng)11.2km/s≤v<16.7km/s時，衛(wèi)星脫離地球引力的束縛，成為太陽系的一顆“小行星”或繞太陽系其他行星轉(zhuǎn)動；當(dāng)v≥16.7km/s時，衛(wèi)星脫離太陽引力的束縛，跑到太陽系以外的宇宙空間中去。【典例1】

(對宇宙速度的理解)關(guān)于地球的三個宇宙速度，下列說法正確的是(

)A．第一宇宙速度大小為7.9km/h，是發(fā)射衛(wèi)星所需的最小速度B．繞地球運行的同步衛(wèi)星的環(huán)繞速度必定大于第一宇宙速度C．第二宇宙速度為11.2km/s，是繞地飛行器最大的環(huán)繞速度D．在地面附近發(fā)射的飛行器速度等于或大于第三宇宙速度時，飛行器就能逃出太陽系了√D

[第一宇宙速度是飛行器繞地球做圓周運動的最大環(huán)繞速度，也是繞地球飛行的飛行器的最小地面發(fā)射速度，其值為7.9km/s，故A、B、C錯誤；當(dāng)飛行器的地面發(fā)射速度大于或等于第三宇宙速度16.7km/s時，飛行器將脫離太陽的束縛，故D正確。]【典例2】

(對發(fā)射速度的理解)(多選)如圖所示，牛頓在思考萬有引力定律時就曾設(shè)想，把物體從高山上O點以不同的速度v水平拋出，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次遠(yuǎn)。如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運動，成為人造地球衛(wèi)星，則下列說法正確的是(

)A．以v<7.9km/s的速度拋出的物體可能落在A點B．以v<7.9km/s的速度拋出的物體將沿B軌道運動C．以7.9km/s<v<11.2km/s的速度拋出的物體可能沿C軌道運動D．以11.2km/s<v<16.7km/s的速度拋出的物體可能沿C軌道運動√√AC

[物體拋出速度v<7.9km/s時必落回地面，物體拋出速度v＝7.9km/s時，物體剛好能不落回地面，繞地球做圓周運動，故A正確，B錯誤；當(dāng)物體拋出速度7.9km/s<v<11.2km/s時，物體在拋出點做離心運動，但物體不能脫離地球引力束縛，故物體做橢圓運動，可能沿C軌道運動，故C正確；當(dāng)物體拋出速度v>11.2km/s時，物體會脫離地球引力束縛，不可能沿C軌道運動，故D錯誤。]【典例3】

(宇宙速度的計算)中子星的半徑較小，一般在7～20km，但它的密度大得驚人。若某中子星的半徑為10km，密度為1.2×1017

kg/m3，引力常量G＝6.67×10-11N·m2/kg2，那么該中子星上的第一宇宙速度約為(

)A．7.9km/s

B．16.7km/sC．2.9×104km/s D．5.8×104km/s√

[思路點撥]星球的第一宇宙速度即為衛(wèi)星圍繞星球做圓周運動的、軌道半徑為該星球半徑時的環(huán)繞速度，由萬有引力提供向心力即可得出這一最大環(huán)繞速度。

[答案]

1.8km/s易錯警示

理解宇宙速度應(yīng)注意三點(1)發(fā)射速度是指被發(fā)射物體在地面附近離開發(fā)射裝置時的速度，要發(fā)射一顆人造衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。(2)衛(wèi)星離地面越高，衛(wèi)星的發(fā)射速度越大。貼近地球表面的衛(wèi)星(近地衛(wèi)星)的發(fā)射速度最小，其運行速度等于第一宇宙速度。(3)宇宙速度是指在地球上滿足不同要求的發(fā)射速度，不能理解成運行速度?！窘逃谩溥x例題】中國火星探測器“天問一號”成功發(fā)射后，沿地火轉(zhuǎn)移軌道飛行七個多月，于2021年2月到達(dá)火星附近，再通過制動減速被火星引力俘獲，進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道飛行；2021年5月15日，“天問一號”探測器穩(wěn)穩(wěn)降落在火星表面，標(biāo)志著我國航天技術(shù)有了重大進(jìn)步。探測器降落前靠近火星表面繞火星做勻速圓周運動，周期為T，引力常量為G，火星表面重力加速度為g，忽略火星自轉(zhuǎn)，則下列說法正確的是(

)

√

1．人造衛(wèi)星發(fā)射_______________，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功。1970年4月24日，我國第一顆人造地球衛(wèi)星________________發(fā)射成功。知識點二人造地球衛(wèi)星載人航天與太空探索1957年10月4日“東方紅一號”2．同步衛(wèi)星：地球同步衛(wèi)星位于地面上方高度約36000km處，周期與地球__________相同。其中一種的軌道平面與赤道平面成0度角，運動方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同。因其相對地面______，也稱靜止衛(wèi)星。3．載人航天與太空探索1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員________坐飛船繞地球飛行一圈。2003年10月15日，我國航天員________踏入太空。自2013年6月起，神舟飛船先后與____________________、____________________成功完成交會對接試驗。2021年4月29日，具備長期自主飛行能力的______核心艙成功發(fā)射。自轉(zhuǎn)周期靜止加加林楊利偉天宮一號目標(biāo)飛行器天宮二號空間實驗室天和如圖所示，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?！締栴}】(1)這些衛(wèi)星的軌道平面有什么特點？(2)人造衛(wèi)星能夠繞地球轉(zhuǎn)動而不落回地面，是否是由于衛(wèi)星不再受到地球引力的作用？(3)這些衛(wèi)星的線速度、角速度、周期跟什么因素有關(guān)呢？提示：(1)這些衛(wèi)星的軌道平面都通過地心。(2)不是，衛(wèi)星仍然受到地球引力的作用，但地球引力全部用來提供向心力。(3)衛(wèi)星的線速度、角速度、周期都跟衛(wèi)星的軌道半徑有關(guān)。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)星的運行規(guī)律(1)人造衛(wèi)星的運行規(guī)律類似行星運行規(guī)律。(2)萬有引力提供向心力：3．靜止衛(wèi)星的特點(1)確定的轉(zhuǎn)動方向：和地球自轉(zhuǎn)方向一致。(2)確定的周期：和地球自轉(zhuǎn)周期相同，即T＝24h。(3)確定的角速度：等于地球自轉(zhuǎn)的角速度。(4)確定的軌道平面：所有的靜止衛(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)確定的高度：離地面高度固定不變(3.6×104km)。【微提醒】

衛(wèi)星繞地球運動的軌道可以是橢圓，也可以是圓，但軌道平面一定過地心。其中一種同步衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，周期相同，相對地球靜止，所以也稱靜止衛(wèi)星。【典例5】

(人造衛(wèi)星的運動軌跡)(多選)如圖中的四種虛線軌跡，可能是人造地球衛(wèi)星軌道的是(

)A

B

C

DACD

[人造地球衛(wèi)星靠地球?qū)λ娜f有引力提供向心力而做勻速圓周運動，地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力指向地心，所以人造地球衛(wèi)星做圓周運動的圓心是地心，故A、C、D正確，B錯誤。]√√√【典例6】(2022·廣東卷·不同軌道上的衛(wèi)星各物理量的比較)“祝融號”火星車需要“休眠”以度過火星寒冷的冬季。假設(shè)火星和地球的冬季是各自公轉(zhuǎn)周期的四分之一，且火星的冬季時長約為地球的1.88倍。火星和地球繞太陽的公轉(zhuǎn)均可視為勻速圓周運動。下列關(guān)于火星、地球公轉(zhuǎn)的說法正確的是(

)A．火星公轉(zhuǎn)的線速度比地球的大B．火星公轉(zhuǎn)的角速度比地球的大C．火星公轉(zhuǎn)的半徑比地球的小D．火星公轉(zhuǎn)的加速度比地球的小√

【典例7】

(選自教科版教材·同步衛(wèi)星)我國衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)首發(fā)星，被譽為“中國版海事衛(wèi)星”的天通一號01星，于2016年8月6日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空并進(jìn)入距離地面約36000km的地球同步軌道。這標(biāo)志著我國邁入了衛(wèi)星移動通信的“手機時代”。根據(jù)這一信息以及必要的常識，尚不能確定該衛(wèi)星的(

)A．質(zhì)量 B．軌道半徑C．運行速率 D．運行周期√

【典例8】

(同步衛(wèi)星與其他衛(wèi)星的比較)地球同步衛(wèi)星距離地面高度約為36000km，下列說法正確的是(

)A．所有地球同步衛(wèi)星都處于平衡狀態(tài)B．所有地球同步衛(wèi)星的周期都是24h，它們的向心力都相同C．所有地球靜止衛(wèi)星的軌道半徑都相同，且一定在赤道的正上方，它們運行速率一定小于第一宇宙速度D．“天宮一號”距離地面高度約為343km，它運行的角速度比同步衛(wèi)星小√

規(guī)律方法

解決人造衛(wèi)星問題的三點技巧(1)因為地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球做圓周運動的向心力，所以所有衛(wèi)星的軌道圓心一定與地心重合。(2)靜止衛(wèi)星周期與星球自轉(zhuǎn)周期相同，軌道高度一定，軌道平面一定，加速度一定，線速度一定，角速度一定。(3)針對環(huán)繞同一中心天體的星球，星球的軌道半徑r確定后，其相對應(yīng)的線速度大小、角速度、周期和向心加速度大小是唯一的，與星球的質(zhì)量無關(guān)。應(yīng)用遷移·隨堂評估自測1．關(guān)于地球同步衛(wèi)星的說法正確的是(

)A．所有地球靜止衛(wèi)星一定在赤道上空B．不同的地球同步衛(wèi)星，離地面高度不同C．不同的地球同步衛(wèi)星的向心加速度大小不相等D．所有地球同步衛(wèi)星受到的向心力大小一定相等√243題號1

243題號12．伽利略用他自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了圍繞木星的四顆衛(wèi)星，假定四顆衛(wèi)星均繞木星做勻速圓周運動，它們的轉(zhuǎn)動周期如表所示，關(guān)于這四顆衛(wèi)星，下列說法正確的是(

)23題號14名稱周期/天木衛(wèi)一1.77木衛(wèi)二3.65木衛(wèi)三7.16木衛(wèi)四16.7A．木衛(wèi)一角速度最小B．木衛(wèi)四線速度最大C．木衛(wèi)四軌道半徑最大D．木衛(wèi)一受到的木星的萬有引力最大23題號14√C

[利用高軌低速長周期即可判斷，木衛(wèi)四半徑最大，線速度最小，C正確，B錯誤；木衛(wèi)一半徑最小，角速度最大，A錯誤；萬有引力的大小與衛(wèi)星質(zhì)量和軌道半徑都有關(guān)，根據(jù)題中信息無法判斷木衛(wèi)一受到的木星的萬有引力是否最大，D錯誤。]3．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/s23題號41√

23題號414．(2022·湖北卷)2022年5月，我國成功完成了天舟四號貨運飛船與空間站的對接，形成的組合體在地球引力作用下繞地球做圓周運動，周期約為90分鐘。下列說法正確的是(

)A．組合體中的貨物處于超重狀態(tài)B．組合體的速度大小略大于第一宇宙速度C．組合體的角速度大小比地球同步衛(wèi)星的大D．組合體的加速度大小比地球同步衛(wèi)星的小243題號1√

243題號1回歸本節(jié)知識，完成以下問題：1．三種宇宙速度分別是多大？提示：v1＝7.9km/s，v2＝11.2km/s，v3＝16.7km/s。2．靜止衛(wèi)星有什么特點？提示：軌道在赤道正上方，周期為24小時，高度、速度一定。3．推導(dǎo)第一宇宙速度的依據(jù)是什么？

題組一宇宙速度的理解與計算1．(多選)下列關(guān)于三種宇宙速度的說法正確的是(

)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行時的速度大于等于v1，小于v2B．我國發(fā)射的天問一號火星探測衛(wèi)星，其發(fā)射速度大于第三宇宙速度1題號23456789101112課時分層作業(yè)（十一）C．第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力的束縛，成為繞太陽運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)星環(huán)繞地球做圓周運動的最大運行速度1題號23456789101112√√1題號23456789101112

2．一航天員在某星球上跳高的最好成績是地球上的4倍，該星球半徑為地球的一半。阻力不計，則該星球的第一宇宙速度約為(

)A．2.0km/s

B．2.8km/sC．4.0km/s D．5.9km/s1題號23456789101112

√

√1題號23456789101112

1題號23456789101112

√1題號23456789101112

1題號23456789101112

題組二人造地球衛(wèi)星5．(多選)如圖所示的圓a、b、c，其圓心均在地球自轉(zhuǎn)軸線上，b、c的圓心與地心重合，b所在平面與地球自轉(zhuǎn)軸線垂直，對環(huán)繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星而言，下列說法正確的是(

)A．衛(wèi)星的軌道可能為aB．衛(wèi)星的軌道可能為bC．衛(wèi)星的軌道可能為cD．靜止衛(wèi)星的軌道一定為與b共面的某一同心圓√1題號23456789101112√√BCD

[物體做勻速圓周運動時，物體所受的合力方向一定要指向圓心，對于環(huán)繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星而言，就要求所受的萬有引力指向地心，故A錯誤，B、C正確；對于靜止衛(wèi)星來說，由于相對地球表面靜止，所以靜止衛(wèi)星應(yīng)在赤道的正上方，故D正確。]1題號234567891011126．我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由靜止軌道衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星組成，衛(wèi)星軌道半徑大小不同，其運行速度、周期等參量也不相同，下列說法正確的是(

)A．衛(wèi)星軌道半徑越大，環(huán)繞速度越大B．衛(wèi)星的線速度小于7.9km/sC．衛(wèi)星軌道半徑越小，向心加速度越小D．衛(wèi)星軌道半徑越小，運動的角速度越小√1題號23456789101112

1題號234567891011127．土星是太陽系中第二大行星，也是一個氣態(tài)巨行星。假設(shè)飛行器繞土星做勻速圓周運動，距離土星表面高度為h。土星可視為均勻球體，已知土星質(zhì)量為M，半徑為R，引力常量為G。求：(1)土星表面的重力加速度g；(2)飛行器的運行速度v的大小；(3)若土星的自轉(zhuǎn)周期為T，土星同步衛(wèi)星距土星表面的高度H。1題號23456789101112

1題號23456789101112

1題號23456789101112

8．利用三顆位置適當(dāng)?shù)牡厍蛲叫l(wèi)星，可使地球赤道上任意兩點之間保持無線電通信。目前，地球同步衛(wèi)星的軌道半徑約為地球半徑的6.6倍。假設(shè)地球的自轉(zhuǎn)周期變小，若仍僅用三顆同步衛(wèi)星來實現(xiàn)上述目的，則地球自轉(zhuǎn)周期的最小值約為(

)A．1h

B．4h

C．8h

D．16h√1題號23456789101112

1題號23456789101112]9．北京時間2023年10月5日上午8時24分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丁運載火箭成功將遙感三十九號衛(wèi)星送入太空。其中遙感三十九號衛(wèi)星的工作軌道高度約為700km，遙感三十九號衛(wèi)星、地球的同步衛(wèi)星和月球繞地球飛行的軌道如圖所示，下列說法正確的是(

)1題號23456789101112A．遙感三十九號衛(wèi)星的發(fā)射速度一定小于7.9km/sB．同步衛(wèi)星繞地球運行的角速度比月球繞地球的角速度大C．遙感三十九號衛(wèi)星繞地球運行的周期大于24hD．所有衛(wèi)星在運行軌道上完全失重，重力加速度為零1題號23456789101112√

1題號2345678910111210．2023年5月30日9時31分，搭載神舟十六號載人飛船的長征二號F遙十六運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。從點火發(fā)射到進(jìn)入地球環(huán)繞軌道，神舟十六號需要大約10分鐘的時間。然后，它將在距地面高度約400千米的軌道上做勻速圓周運動。下列說法正確的是(

)A．神舟十六號在軌道上做勻速圓周運動時，艙內(nèi)航天員處于完全失重狀態(tài)B．神舟十六號的發(fā)射速度一定大于11.2km/sC．神舟十六號在軌道上做勻速圓周運動時的速度應(yīng)大于7.9km/s而小于11.2km/sD．發(fā)射過程中為了保證航天員的安全，航天員需要固定在艙壁上，保持頭部朝上來維持大腦供氧√1題號23456789101112A

[神舟十六號在軌道上做勻速圓周運動時，萬有引力