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第5节 宇宙航行课前感知11.牛顿在思考万有引力定律时就曾想过，从高山上水平抛出物体，速度一次比一次大，落地点 。如果速度足够大，物体就 ，它将绕地球运动，成为 。2.第一宇宙速度大小为 ，也叫 速度。第二宇宙速度大小为 ，也叫 速度。第三宇宙速度大小为 ，也叫 速度。3.世界上第一颗人造卫星是1957年10月4日在 发射成功的，卫星质量为 kg，绕地球飞行一圈需要的时间为 。世界上第一艘载人飞船是1961年4月12日 发送成功，飞船绕地球一圈历时 。世界上第一艘登月飞船是1969年7月16日9时32分在 发送成功， 进入月球轨道； 飞船在月球表面着陆； 宇航员登上月球。中国第一艘载人航天飞船在2003年10月15日9时在 发送成功的，飞船绕地球 圈后，于 安全降落在 主着陆场。3即讲即练【典题例释】【我行我秀】【例1】是否可以发射一颗这样的人造卫星，使其圆轨道 ( ) A.与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面的同心圆 B.与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面的同心圆 C与地球表面上赤道线是共面的同心圆，且卫星相对地球表面是静止的 D.与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，但卫星相对地球是运动的【思路分析】人造卫星飞行时，由于地球对卫星的引力作为它做圆周运动的向心力，而这个力的方向必定指向地心，故所有无动力的卫星其轨道圆的圆心一定要和地球的中心重合，故A是错的。由于地球同时绕着地轴在自转，所以卫星的轨道平面也不可能和经度线所决定的平面共面，所以B也是不对的。同步卫星必须在赤道线平面内，距地面有确定的高度，低于或高于该高度的人造卫星也是可以在赤道平面内相对于地面运动。【答案】 CD【类题总结】(1)人造卫星的轨道一般有三种：赤道轨道，极地轨道，一般轨道。共同特点是轨道中心必须和地心重合。 (2)事实上大约三万六千公里高空的赤道轨道上只有和地球自转方向相同的卫星才能称之为同步卫星，如果转向正好与地球自转方向相反，就不能称其为地球同步卫星了。【例2】宇宙飞船和空间站在同一轨道上运动，若飞船想与前面的空间站对接，飞船为了追上轨道空间站，可采取的方法是( ) A.飞船加速直到追上空间站，完成对接 B.飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站完成对接 C.飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接D.无论飞船如何采取何种措施，均不能与空间站对接【思路分析】由于宇宙飞船做圆周运动的向心力是地球对其施加的万有引力，由牛顿第二定律有GMmR2=mv2R ，得v=GMR，图7-5-1想追上同轨道上的空间站，直接加速会导致飞船轨道半径增大，由上式知飞船在一个新轨道上运行的速度比空间站的速度小，无法对接，故A错；飞船若先减速，它的轨道半径减小，但速度增大了，故在低轨道上飞船可接近或超过空间站，如图所示，当飞船运动到合适的位置后再加速，则其轨道半径增大，同时速度减小，当刚好运动到空间站所在轨道时停止加速，则飞船的速度刚好等于空间站的速度，可完成对接；若飞船先加速到一个较高轨道，其速度小于空间站速度，此时空间站比飞船运动快，当二者相对运动一周后，使飞船减速，轨道半径减小又使飞船速度增大，仍可追上空间站，但这种方法易造成飞船与空间站碰撞，不是最好办法，且空间站追飞船不合题意，综上所述，方法应选B。【答案】B【类题总结】使飞船加速，飞船将远离地球，轨道半径增大，不仅发动机的功全部用于克服飞船远离地球时万有引力做功，而且飞船原来的动能一部分也要转化为克服万有引力做功，即转化为飞船的重力势能，故v减小；反之使飞船减速时，飞船轨道半径减小，其动能反而增大，先减速可使飞船比空间站运动快，故可在适当位置再加速，使速度在飞船轨道半径增大时减小，可追上空间站，先加速再减速时，空间站追飞船，虽也可对接，但不合题意。【例3】假设地球的质量不变，而地球的半径增大到原来的半径的2倍，那么从地球发射人造卫星的第一宇宙速度的大小应为原来的 倍。【思路分析】因第一宇宙速度即为地球的近地卫星的线速度，此时卫星的轨道半径近似地认为是地球的半径，且地球对卫星的万有引力充当向心力。故有公式GMm/R2=mv2/R成立，所以解得：v1=GM/R,因此当M不变，R增加为2R时，v1减小为原来的12倍。【答案】12【类题总结】第一宇宙速度是卫星近地飞行的速度，其轨道半径与地球的半径相同。万有引力提供其做圆周运动的向心力。【例4】登月飞行器关闭发动机后在离月球表面112km的空中沿圆形轨道绕月球飞行，周期是120.5min。已知月球半径是1740km，根据这些数据计算朋球的平均密度。G=6.6710-11Nm2/kg2)【思路分析】万有引力提供向心力，根据牛顿第二定律有 GMm(R+h)2=m42T2(R+h) 从上式中消去飞行器质量m后可解得M=42(R+h)3GT2=43.142(1852103)36.6710-11(7.23103)2kg=7.21022kg根据密度公式有：=Mv=3m4R3=37.21022kg43.14(1.741063)m3=3.26103kg/m3【答案】3.26103kg/m3【类题总结】(1)要计算月球的平均密度，首先应求出质量M。飞行器绕月球做匀速圆周运动的向心力是由月球对它的万有引力提供的。1. 在轨道上运行的人造地球卫星，若卫星上的天线突然折断，则天线将（ ） A.做自由落体运动 B.做平抛运动 C.和卫星一起绕地球在同一轨道上运行 D.由于惯性沿轨道切线方向做直线运动2(1).发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送人同步椭圆轨道3。轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如图所示，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是 ( )图7-5-2A.卫星在轨道3上的速率大于在轨道l上的速率B.卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度C.卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度D.卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度2(2). 同步卫星在赤道上空同步轨道上定位以后，由于受到太阳、月球及其他天体的引力作用影响，会产生漂移运动而偏离原来的位置，若偏离达到一定程度，就要发动卫星上的小发动机进行修正。如图7一53所示中A为离地面36000km的同步轨道，B和C为两个已经偏离轨道但仍在赤道平面内运行的同步卫星，要使它们回到同步轨道上，应 ( )图7-5-3 A开动B的小发动机向前喷气，使B适当减速 B开动B的小发动机向后喷气，使B适当加速 C开动C的小发动机向前喷气，使C适当减速D开动C的小发动机向后喷气，使C适当加速3(1).金星的半径是地球的0.95倍，质量为地球的0.82倍。那么，（1）金星表面的自由落体加速度是多大？（2）金星的第一宇宙速度是多大？4已知万有引力常量是G，地球半径R，月球和地球之间的距离r，同步卫星距地面的高度h，月球绕地球的运转周期T1，地球的自转周期T2，地球表面的重力加速度g。某同学根据以上条件，提出一种估算地球质量M的方法： 同步卫星绕地心作圆周运动，由GMmh2=m(2T)2h得M=42h3CT2(1)请判断上面的结果是否正确，并说明理由，如不正确，请给出正确的解法和结果。(2)请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果。超越课堂高考资源网（） 您身边的高考专家基础巩固1.关于地球的第一宇宙速度，下面说法中正确的是 ( )A.它是人造地球卫星绕地球运行的最小速度B.它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度C.它是能使卫星进入近地轨道的最小速度D.它是能使卫星进入轨道的最大发射速度2.关于人造地球卫星及其中物体的超重、失重问题，下列说法中正确的是 ( )A.在发射过程中向上加速时产生超重现象B.在降落过程中向下减速时产生超重现象C.进入轨道时做匀速圆周运动，产生失重现象D.失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的3.同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星，则下面说法中正确的是 ( )A.它可以在地面上任一点的正上方，且离地心的距离可按需要选择不同的数值B.它可以在地面上任一点的正上方，但离地心的距离是一定的 C.它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要选择不同的数值D.它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的4.关于绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星，以下判断正确的是 ( )A.同一轨道上，质量大的卫星线速度大B.同一轨道上，质量大的卫星向心加速度大C.离地面越近的卫星线速度越大D.离地面越远的卫星线速度越大5.2003年8月29日，火星、地球和太阳处于三点一线，上演“火星冲日”的天象奇观。这是6万年来火星距地球最近的一次，与地球之间的距离只有5576万公里，为人类研究火星提供了最佳时机。如图所示为美国宇航局最新公布的“火星冲日”的虚拟图，则有 ( )图7-5-4A.2003年8月29日，火星的线速度大于地球的线速度B.2003年8月29日，火星的线速度小于地球的线速度C.2004年8月29日，火星又回到了该位置D.2004年8月29日，火星还没有回到该位置图7-5-56.如图7 55所示的圆a、b、c，其圆心均在地球的自转轴线上，b、c的圆心与地心重合，对卫星环绕地球做匀速圆周运动而言 ( )A.卫星的轨道可能为a B.卫星的轨道可能为bC.卫星的轨道可能为c D.同步卫星的轨道只可能为b7.我国自行研制发射的“风云一号”“风云二号”气象卫星的飞行轨道是不同的，“风云一号”是极地圆形轨道卫星，其轨道平面与赤道平面垂直，周期为了T1=12 h；“风云二号”是同步卫星，其轨道平面就是赤道平面，周期为丁T224 h；两颗卫星相比 ( )A.“风云一号”离地面较高B.“风云一号”每个时刻可观察到的地球表面范围较大C.“风云一号”线速度较大D.若某时刻“风云一号”和“风云二号”正好同时在赤道上某个小岛的上空，那么再过12小时，它们又将同时到达该 小岛的上空8.关于我国发射的“亚洲一号”地球同步通迅卫星的说法，正确的是 ( )A.若其质量加倍，则轨道半径也要加倍B.它在北京上空运行，故可用于我国的电视广播C.它以第一宇宙速度运行D.它运行的角速度与地球自转角速度相同9.2001年3月23日“和平”号空间站完成了它的历史使命，坠落在浩瀚的南太平洋。“和平”号空间站是 20世纪质量最大，寿命最长，载人最多，技术最先进的航天器，它在空间运行长达15年，下面有关“和平”号空间站坠落过程的说明正确的是 ( )A.“和平”号空间站进入较稠密大气层时，将与空气摩擦，空气阻力大大增加B.“和平”号空间站在整个坠落过程中的运动轨迹是直线C.“和平”号空间站在整个坠落过程中的运动轨迹是曲线D.“和平”号空间站在进入大气层前，高度降低，速度变大10.地球上两相距很远的观察者，都发现自己的正上方有一颗人造卫星，相对自己静止不动，则这两位观察者的位置以及两颗人造卫星到地球中心的距离可能是 ( )A.一人在南极，一人在北极，观察不到此现象B.一人在南极，一人在北极，两卫星到地球中心的距离可 以不等，但应成整数倍C.两人都在赤道上，两卫星到地球中心的距离一定相等D.两人都在赤道上，两卫星到地球中心的距离可以不等， 但应成整数倍11.某人造地球卫星因受高空稀薄空气的阻力作用，绕地球运转的轨迹会慢慢改变。每次测量中卫星的运动可近似看做圆周运动，某次测量卫星的轨道半径为r1，后来变为r2，r2G=FC.载人飞船绕地球做圆周运动时FGFND.载人飞船返回舱在返回地面过程中FNGF18.应用题星球上的物体脱离星球引力所需要的最小速度称为第二宇宙速度星球的第二宇宙速度v2与第一宇宙速度v1的关系是v22v1已知某星球的半径为r，它表面的重力加速度为地球表面重力加速度g的1/6，不计其他星球的影响.则该星球的第二宇宙速度为 ( )A.gr B.16grC.13gr C.13gr19.综合题生命是一种最为奇妙最富魅力的自然现象。关于生命的起源，历史上曾经有过种种假说，有一种“宇宙胚种说”认为，造成化学反应并导致生命产生的有机物，是与地球碰撞的彗星带来的。尽管诸如此类的观点仍是一些需要进一步证明的问题，但通过陨石、彗星、星际物质以及其他行星上的有机分子的探索与研究，了解这些有机分子形成与发展的规律，都将为地球上生命的起源的研究提供更多资料。(1)自然界中，生物与非生物存在诸多区别：作为生物，必须具备的最基本特征是 。(2)蛋白质是生命的基础物质，下列关于蛋白质的说法正确的是 ( ) A.蛋白质的种类很多，它们都能溶于水 B.蛋白质水解的最终产物是氨基酸 C.蛋白质溶液中加入浓盐酸，颜色变黄 D.蛋白质溶液中加入饱和硫酸铵溶液，蛋白质将变性(3)为了探测某行星表面有无生命现象，向该行星发射一颗探测卫星，卫星绕行星做匀速圆周运动的半径为R，卫星质量为m，该行星质量为M，引力常量为G。则卫星所受向心力F向= ；卫星绕行星做圆周运动的线速度v= 。20.应用题晴天的晚上，人能看见卫星的条件是卫星被太阳照射且在人的视野之内一个可看成漫反射体的人造地球卫星的圆形轨道与赤道共面，卫星自西向东运动，春分期间太阳垂直射向赤道，赤道上某处的人在日落后8h在西边的地平线附近恰能看到它，之后极快地变暗而看不到了已知地球的半径R地=6.4X106m，地面上的重力加速度为10m/s2，试估算：(保留两个有效数字)(1)卫星轨道离地面的高度；(2)卫星的速度大小21.应用题人们认为某些白矮星（密度较大的恒量）每秒大约自转一周（万有引力恒量G=6.6710-11Nm2/kg2，地球半径R约为6.4103km).(1)为使其表面上的物体能够被吸引住而不致由于快速转动被“甩”掉，它的密度至少为多少?(2)假设某白矮星密度约为此值，且其半径等于地球半径，则它的第一宇宙速度约为多少?思维拓展22.应用题北京时间2905年10月12日9时整，搭乘两名航天员费俊龙和聂海胜的中国第二艘载人飞船“神舟六号”，在甘肃省酒泉卫星发射中心由长征二号F运载火箭发射升空航空航天是一个集物理、化学、生物、天文、地学、工程、气象等多学科的综合性工程请解答：(1)地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g9.8m/s2，若使航天飞船在无推动力作用的情况下在离地入h=140km的圆轨道上绕地球运行，则飞行速度应为 。(2)吊在降落伞下的载人航天飞船返回舱下落速度仍达14m/s。为了实现软着陆，在返回舱离地面约1.5m时启动5个反推力小火箭，若返回舱重8t，则每支火箭的平均推力约为多大 。23.信息题载人航天是人类驾驶和乘坐载人航天器，在太空中从事各种 的往返飞行活动，其目的在于突破地球大气的屏障和克服地球引力，把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空。根据飞行和工作方式的不同，载人航天器可分为载人飞船、载人空间站和航天飞机三类。航天飞机既可作为载人飞船和空间站进行载人航天活动，又是一种重复使用的运载器。(1)2003年10月15日，我国发射了“神州五号”载人航天飞船，次日载人舱着陆，取得圆满成功，载人舱在将要着陆之前，由于空气阻力作用有一段匀速下落过程。若空气阻力与速度的平方成正比，比例系数为k，载人舱的质量为m，则此过程中载人舱的速度为 。(2)在这次飞行中，返回舱里除了各种仪器、设备，还搭载了一些纪念器和一些农作物种子。据专家介绍， 已成为当今世界上创造生物新品种的一个极为活跃的领域。经过宇宙太空 的作用，生物种子在 方面均会受到不同程度的影响，往往形成一些令人惊喜的新品种。(3)航天飞船关闭发动机后正在太空飞行，如果科学家要在其中进行实验，下列哪些操作不能正常进行 ( )A.用温度计测温度B.用弹簧秤测力C.用天平测质量D.用电子表测时间24.信息题2003年10月15日，我国成功发射的航天飞船“神舟”五号，绕地球飞行14圈后安全返回地面，这一科技成就预示我国航天技术取得最新突破据报道飞船质量约为10t，绕地球一周的时间约为90min已知地球的质量M6X1024kg，万有引力常量G6.67X10-11Nm2kg-2，地球半径R=6400km，设飞船绕地球做匀速圆周运动，由以上提供的信息，解答下列问题：(1)“神舟”五号离地面的高度为多少km?(2)“神舟”五号绕地球飞行的速度是多少?(3)载人舱在将要着陆之前，由于空气阻力作用有一段匀速下落过程，若空气阻力与速度平方成正比，比例系数为k，载人舱的质量为m，则此匀速下落过程中载人舱的速度多大?25.趣味题美国东部时间2001年9月11日上午8时50分和9时整，纽约世界贸易中心两座摩天大楼被恐怖分子劫持的两架大型民航客机先后撞击后起火，并相继坍塌，举世为之震惊“9.11恐怖事件发生后，美国为了找到本拉登的藏身地点，使用了先进的侦察卫星据报道：美国将多颗最先进的KH11、KH12“锁眼”系列照相侦察卫星调集到中亚地区上空，“锁眼”系列照相侦察卫星绕地球沿椭圆轨道运动，近地点265km(指卫星与地面的最近距离)，远地点650 km(指卫星距地面的最远距离)，重量13.618.2t，这些照相侦察卫星上装有先进的CCD数字照相机，能够分辨出地面接受站及指挥中心，由开普勒定律知：如果卫星绕地球做圆周运动的圆轨道半径跟椭圆轨道半长轴相等，那么卫星沿椭圆轨道运动周期相同请你由上述数据估算这些“锁眼”系列侦察卫星绕地球运动的周期，要求取一位有效数字，地球半径R6400km，取g10m/S2第五节宇宙航行【课前感知】：1.也就一次比一次远；不再落回地面；人造地球卫星2.7.9km/s；环绕；11.2km/s；脱离； 16.7km/s；逃逸3.苏联；83.6；96min；苏联；108min；美国；7月20日4时17分；阿姆斯特朗；中国；发行14；10月16日23分；内蒙古；中国；325万公里；10月17日4时33分；内蒙古；【我行我秀】：1.C. 【思路分析】：折断的天线由于惯性而具有卫星原来的速度，在地球引力作用下继续在原轨道上运行。2.（1）B、D 【思路分析】：由得因为r3r1， 所以由得因为r3r1，所以31卫星在轨道1上经Q点时的加速度为地球引力产生的加速度，而在轨道2上经过Q点时，也有地球引力产生加速度，故应相等，同理，卫星在轨道2上经P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度。2.（2）A、D 【思路分析】当卫星速度突然变大时，由于万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动而使运行半径变大，在离心运动过程中卫星克服引力做功，动能变小速度变小，当在半径较大的轨道上万有引力又恰好等于向心力时，由，可知，卫星就能在新的半径较大的轨道上以较小速度做匀速圆周运动.反之，当卫星速度突然变小时，将由于万有引力大于向心力使卫星做向心运动而半径变小，最后在半径较小轨道上以较大速度做匀速圆周运动而。因此题中两卫星轨道修正办法是使B减速，而使C加速。故A、D两项正确。3.【思路分析】：根据万有引力产生重力以及重力提供星体做圆周运动的向心力求解。【答案】：（1）由于万有引力产生重力，设金星和地球的半径、质量及星球表面的自由落体的落体的加速度分别为r1、m1、g1、r2、m2、g2。分别对金星和地球列两个方程：Gmm1/= mg1 Gmm2/= mg2 式得：=8.9m/s2。(2)重力提供星体做圆周运动的向心力。设星体的质量为m，分别对金星和地球列两个方程mg1=m/r1mg2=m/r2由上两式得：=7.3km/s 4.【思路分析】考查天体运动学知识以及运算能力。【答案】（1）上面结果是错误的，地球的半径R在计算过程中不能忽略。正确的解法和结果：=（R+h）得M=（2）方法一：对月球绕地球作圆周运动，由=r得方法二：在地面重力近似等于万有引力，由=mg得。【超越课堂】1.BC 【思路分析】：卫星绕地球做圆周运动的向心力是地球对卫星的引力，则 =m ,所以，随着卫星轨道半径的增大，其线速度减小，当其轨道半径最小为地球半径时，线速度最大，这一线速度正是第一宇宙速度。A选项错，B选项对。 如果不计空气阻力，在地面附近以第一宇宙速度平抛一物体，该物体恰能绕地球做匀速圆周运动，成为地球的卫星，而若以小于第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，选项C对，D错。2.ABC 【思路分析】：超、失重是一种表象，是从重力和弹力的大小关系而定义的。当向上加速时超重，向下减速（a方向向上）时也超重，故A、B正确。卫星做匀速圆周运动时，万有引力完全提供向心力，卫星及其内部的物体都处于完全失重状态，故C正确。失重的原因是重力（或万有引力）使物体产生了加速度，故D错。3.D 4.C 5.BD 【思路分析】：火星和地球绕太阳做匀速圆周运动=m ,所以轨道半径较大的火星线速度小，B正确；火星轨道半径大，线速度小，火星运动的周期较大，所以一年后地球回到该位置，而火星则还没有回到，D正确。6.BCD7.C8.D【思路分析】从 =m ,轨道半径与卫星质量无关。同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合，即在赤道上空运行，不能在北京上空运行，其运行速度小于第一宇宙速度。所谓“同步”就是卫星保持与地面赤道上某一点相对静止，所以同步卫星的角速度与地球自转角速度相同。9.ACD 【思路分析】由F引=F向得则高度降低，运动轨道半径减小，速度变大，进入大气层