2022-2023学年新教材高中物理 第七章 万有引力与宇宙航行 4.docx

1、4.宇宙航行课标要求1.了解人造地球卫星的最初构想，知道三个宇宙速度，会推导第一宇宙速度；了解发射速度与环绕速度的区别与联系，知道同步卫星与其他卫星的区别(物理观念)2能根据万有引力定律和圆周运动的规律推导人造卫星的线速度、角速度、周期及向心加速度与轨道半径的关系(科学思维)3理解同步卫星的特点；能解决涉及人造卫星运动的较简单的问题；理解天体运动中的能量观(科学思维)4了解宇宙航行的历程和进展，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感(科学态度与责任)必备知识自主学习突出基础性素养夯基一、宇宙速度1第一宇宙速度【最大环绕速度】(1)推导：物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动，万有引力提供物体运动所

2、需的向心力，有Gmm地r2【r为物体到地心的距离】_，由此解出v_(2)数值：已知地球的质量，近似用地球半径R代替r，算出v_，这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度【地球卫星的最小发射速度】2第二宇宙速度【逃逸速度】当飞行器的速度等于或大于_时，它就会克服地球的引力，永远离开地球我们把_叫作第二宇宙速度【逃逸地球的最小发射速度】3第三宇宙速度在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱_引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于_，这个速度叫作第三宇宙速度【脱离太阳的最小发射速度】二、人造地球卫星1牛顿设想：如图甲所示，当物体被抛出的速度_时，它将围绕地球_而不再落

3、回地面，成为一颗人造地球卫星2发射过程简介：如图乙所示，发射人造地球卫星，一般使用三级火箭，最后一级火箭脱离时，卫星的速度称为_，使卫星进入地球轨道的过程也大致为垂直起飞、转弯飞行及进入轨道三个阶段3发展历程(1)1957年10月4日，世界上第一颗_发射成功(2)1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“_”发射成功，为中国航天事业作出特殊贡献的科学家_被誉为“中国航天之父”(3)迄今为止，人类已发射了数千颗人造地球卫星，其中的_、_、_等卫星极大地改变了人类的生活4地球同步卫星：位于赤道上方高度约_处，相对地面_，周期与地球自转周期_，也称静止卫星三、载人航天与太空探索11961年4月1

4、2日，苏联航天员_乘坐东方一号载人飞船绕地球飞行一圈，历时108 min，并安全返回地面，铸就了人类首次进入太空的丰碑21969年7月16日，美国阿波罗11号登上月球，美国航天员_走下飞船，踏上月面，在地外天体上留下了人类的第一个脚印32003年10月15日，我国神舟五号飞船把我国第一位航天员_送入太空，标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家42019年1月3日，_实现首次月球背面软着陆与巡视探测52020年12月2日，_月球取样成功62021年4月29日，_核心舱成功发射72021年5月15日，_探测器着陆火星82021年6月17日，_载人飞船成功发射92021年10月16日，_

5、载人飞船成功发射102022年6月5日，_载人飞船成功发射走 进 生 活据悉，北斗三号全球卫星导航系统星座包含3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、24颗中圆地球轨道(MEO)卫星和3颗地球同步轨道(GEO)卫星未来，北斗导航系统将广泛应用于重点运输、公路基础设施安全、港口高精度实时定位调度及渔业、公安、林业等领域请做出以下判断(1)发射同步卫星在太原卫星发射中心比在海南航天发射场发射要费燃料()(2)中圆地球轨道卫星比地球同步轨道卫星的线速度更大()(3)在北京的人们，夜晚可以通过天文望远镜看到头顶上方的同步卫星()关键能力合作探究突出综合性素养形成探究点一宇宙速度的理解与计算情境探究202

6、1年5月15日，我国“祝融号”火星车成功着陆火星，实现了我国首次地外行星着陆交流讨论(1)若火星的半径为R，火星的质量为M，引力常量为G，若将“祝融号”发射为火星的卫星，至少需要多大的发射速度？(2)人造地球卫星离地面越高，其线速度越小，那么发射起来是不是越容易？答：核心归纳1.第一宇宙速度的两种推导方法对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径R6 400 km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，g取9.8m/s2，则2三个宇宙速度的图示应用体验题型1宇宙速度的理解例1 如图所示，牛顿在思考万有引力定律时就曾设想，把物体从高山上以不同大小的速度v水平抛出，速度一次比

7、一次大，落地点也就一次比一次远如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球做圆周运动，成为人造地球卫星，下列说法正确的是()A落到A点的物体做的是平抛运动B以v7.9 km/s的速度抛出的物体可能沿B轨道运动C以7.9 km/sv11.2 km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动D以11.2 km/svvavbCa的向心加速度大于c的向心加速度Da的运行周期小于24 h试解题型2同步卫星例4 我国成功发射第45颗北斗导航卫星，该卫星属于地球静止轨道卫星(同步卫星)该卫星 ()A.入轨后可以位于北京正上方B入轨后的速度大于第一宇宙速度C发射速度大于第二宇宙速度D若发射到近地圆轨道所需能量较少试

8、解针对训练22022湖北卷2022年5月，我国成功完成了天舟四号货运飞船与空间站的对接，形成的组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，周期约90分钟下列说法正确的是()A.组合体中的货物处于超重状态B组合体的速度大小略大于第一宇宙速度C组合体的角速度大小比地球同步卫星的大D组合体的加速度大小比地球同步卫星的小针对训练3“祝融号”火星车登陆火星之前，“天问一号”探测器沿椭圆形的停泊轨道绕火星飞行，其周期为2个火星日假设某飞船沿圆轨道绕火星飞行，其周期也为2个火星日已知一个火星日的时长约为一个地球日，火星质量约为地球质量的0.1，则该飞船的轨道半径与地球同步卫星的轨道半径的比值约为()A.34B3

9、14C352D325评价检测素养达标突出创新性素养达标1(多选)关于第一宇宙速度，以下叙述正确的是()A它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B它是近地圆轨道上人造卫星运行的速度C它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度D它是人造卫星发射时的最大速度22022云南高一检测北斗导航系统是我国自主研制的全球卫星导航系统，如图所示是其中三颗卫星a、b、c的轨道示意图，a、b、c三颗卫星均绕地球做圆周运动，a是地球同步卫星则()A卫星a可以经过昆明正上空B卫星a运行的角速度比卫星c的大C卫星b的运行速率为7.9 km/sD卫星c的运行周期为24小时3北京时间2021年12月9日，“天宫课堂”开讲，中国航

10、天员再次进行太空授课空间站绕地心做近似圆周运动，轨道距离地面高度约为3.9102 km，地球半径约6.4103 km、质量约6.01024 kg，引力常量为6.671011 Nm2/kg2.则在“天宫课堂”授课的约60 min时间内，空间站在轨道上通过的弧长约为()A7.7103 km B7.7104 kmC2.8103 km D2.8104 km42022西安五校联考2021年6月11日，国家航天局在北京举行天问一号探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式，公布了由祝融号火星车拍摄的影像图，标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功已知火星直径约为地球直径的50%，火星质量约为地球质量的10%，探测

11、器在地球表面的环绕周期约为85 min，地球表面的重力加速度取9.8 m/s2.下列说法正确的是()A天问一号的最小发射速度为7.9 km/sB火星与地球的第一宇宙速度的比值为15C火星表面的重力加速度大小为3.92 m/s2D天问一号绕火星表面运行的周期为2 h4宇宙航行必备知识自主学习一、1(1) mv2RGm地r(2) Gm地R7.9 km/s211.2 km/s11.2 km/s3太阳16.7 km/s二、1足够大旋转2发射速度3(1)人造地球卫星(2)东方红1号钱学森(3)通信导航气象436 000 km静止相同三、1加加林2阿姆斯特朗3杨利伟4嫦娥四号5嫦娥五号6天和7天问一号8神

12、舟十二号9神舟十三号10神舟十四号走进生活答案：(1)(2)(3)关键能力合作探究探究点一提示：(1)由GMmR2mv2R得最小发射速度v GMR.(2)不是近地卫星最“容易”发射，离地面越高的卫星，越难发射【例1】【解析】A、B错：抛出速度v7.9 km/s时，物体必落回地面，因万有引力时刻指向地心，则物体沿A轨道运动时受力方向发生变化，故物体做的运动不是平抛运动C对：物体抛出速度v7.9 km/s时，物体刚好不落回地面，绕地球做圆周运动，物体在B轨道上运行；当物体抛出速度满足7.9 km/svvb，根据式可知Taab，b和c的周期相同，所以角速度相同，根据vr及rbrc，可知vbvc，根据

13、a2r，可知abac，则a、b、c的线速度大小关系为vavbvc，向心加速度大小关系为aaabac，故B错误，C、D正确【答案】CD【例4】【解析】因地球静止轨道卫星(同步卫星)的运行轨道在地球赤道正上方，故该北斗导航卫星入轨后不能位于北京正上方，选项A错误；第一宇宙速度在数值上等于地球近地卫星的线速度，由万有引力提供向心力GMmr2mv2r，可得vGMR，同步卫星的轨道半径大于近地卫星的轨道半径，则同步卫星入轨后的速度小于第一宇宙速度，选项B错误；地球卫星的发射速度应大于等于第一宇宙速度，小于第二宇宙速度，选项C错误；近地卫星的高度小，发射时所需的能量较少，选项D正确【答案】D针对训练2解析

14、：组合体在天上只受万有引力的作用，则组合体中的货物处于失重状态，A错误；由题知组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，而第一宇宙速度为最大的环绕速度，则组合体的速度大小不可能大于第一宇宙速度，B错误；已知同步卫星的周期为24 h，则根据角速度和周期的关系有2T，由于T同T组合体，则组合体的角速度大小比地球同步卫星的大，C正确；由题知组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，有GMmr2m42T2r，整理有T2 r3GM，由于T同T组合体，则r同r组合体，且同步卫星和组合体在天上有maGMmr2，则有a同a组合体，D错误答案：C针对训练3解析：设一个地球日为T，则飞船绕火星的运动周期为2T，地球质

15、量为m地，火星质量为0.1 m地，对地球同步卫星有Gm地m同r同2m同r同(2T)2，对飞船有G0.1m地m飞r飞2m飞r飞(22T)2，联立两式可得r飞r同325.选项D正确答案：D评价检测素养达标1解析：第一宇宙速度是指卫星围绕天体表面做匀速圆周运动的线速度，满足关系GMmR2mv2R，即vGMR，且由该式知，它是最大的环绕速度；卫星发射得越高，需要的发射速度越大，故第一宇宙速度等于最小发射速度的数值，因此选项B、C正确答案：BC2解析：由图可知，三颗卫星轨道半径相等，由开普勒第三定律R3T2k可知，三颗卫星的运行周期(角速度)相等，B错误，D正确；地球同步卫星a只能在赤道上某处的正上方，

16、A错误；地球的第一宇宙速度为7.9 km/s，对应轨道半径为地球半径，由v GMr可知，卫星b的运行速率小于7.9 km/s，C错误答案：D3解析：空间站环绕地球做圆周运动，万有引力提供向心力，则有GMmR+h2m42T2(Rh)，整理得T2R+h3GM，代入数据解得T5.55103 s，空间站的线速度为v2T(Rh)，代入数据得v7.68103 m/s，所以60 min时间内空间站通过的弧长为svt，解得s2.8107 m2.8104 km，D正确，A、B、C错误答案：D4解析：天问一号探测器要离开地球，飞向火星，则其发射速度应大于第二宇宙速度11.2 km/s，A错误；由GMmR2mv2R得v GMR，则火星与地球的第一宇宙速度的比值v1v255，B错误；在星球表面有GMmR2mg，解得gGMR2，则g火g地25，故火星表面的重力加速度g火25g地3.92 m/s2，C正确；探测器绕星球表面做圆周运动，有GMmR2m42T2R，解得T 42R3GM，则T火T地52，故天问一号绕火星表面的运行周期T火52T地95 min，D错误答案：C