高中物理 第六章《宇宙航行》学案 新人教版必修2.doc

6.5 宇宙航行学案【课标要求】1了解人造卫星的有关知识。2知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。3理解卫星的运行速度与轨道半径的关系。【重点难点】1 第一宇宙速度的推导。2运行速率与轨道半径之间的关系。【课前预习】1.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。第一宇宙速度，是发射卫星的_速度，同时也是卫星绕地球做匀速圆周运动时的_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日在 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。 成为中国登上太空的第一人。探究与生成问题1 人造卫星教师点拨 1.在地面上抛出的物体，由于受到地球引力的作用，所以最终都要落回到地面. 由平抛物体的运动规律知：x=v0t.，t=.。联立、可得：x=v0，即物体飞行的水平距离和初速度v0及竖直高度h有关，在竖直高度相同的情况下，水平距离的大小只与初速度v0有关，水平初速度越大，飞行的越远.2.如果在地面上抛出一个物体时的速度足够大，物体飞行的距离也很大，由于地球是一圆球体，故物体将不能再落回地面，而成为一颗绕地球运转的卫星.3. 月球也要受到地球引力的作用，由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转，此时月球受到的地球的引力(即重力)，用来充当绕地运转的向心力，故而月球并不会落到地面上来.牛顿曾依据平抛现象猜想了卫星的发射原理，但他没有看到他的猜想得以实现.今天，我们的科学家们把牛顿的猜想变成了现实.例1宇航员站在一星球表面上某高处，沿水平方向抛出一个小球，经过时间t小球落到星球表面，测得抛出点与落地点之间的距离为l，若抛出时的初速度增大到2倍，则抛出点与落地点之间的距离为3l已知两落地点在同一水平面上，该星球的半径为r，万有引力常量为g求该星球的质量m.【解析】要建立清晰的物理情景，理清解题思路，根据力学知识求出两者的联系量:重力加速度设抛出点的高度为h，第一次水平位移为x，则有x2+h2=l2， 第二次平抛过程有 (2x)2+h2=(3l)2 解得h=l/3 , 设该行星表面上重力加速度为g，由平抛运动规律得： h=12gt2 , 由万有引力定律与牛顿第二定律得： gmmr2=mg 联立以上各式可解得 m=23lr23gt2求解力学知识和万有引力定律综合问题的方法：由万有引力和重力的关系求其他的物理量【拓展与分享】.某星球的质量约为地球的9倍，半球约为地球的一半，若从地球表面上高h处平抛一物体，射程x为60 ，则在该星球表面上，从同样高度，以同样的初速度平抛同一物体，射程应为多少？【思路分析】已知抛出点的高度为h，设水平初速度为v0，在星球上的水平距离为，星球表面的重力加速度为g星，则有，又由得，,由已知条件可得在星球上的射程为10m。问题2 宇宙速度教师点拨 1.卫星稳定运行时，地球对它的万有引力提供它绕地球运行的向心力，把卫星轨道简化为圆轨道，则有： 由此解出，所以半径越大，v越小；，半径越大，越小，半径越大，t越大在理想情况下，运行的半径最小就是靠近地面的人造卫星，半径近似等于地球半径，也就是最大的线速度，可以近似认为r=r，将地球质量m=5.891024kg，半径为r=6.37106m，g=6.6710-11nm2/kg2值代入得：m/s=7.9km/s由于万有引力近似等于物体的重力，所以动力学方程也可为：mg=f向心得：mg=m 故v=v1=7.9km/s是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，叫第一宇宙速度。例2在圆轨道上运动的质量为的人造地球卫星,它到地面的距离等于地球半径,地面上的重力加速度为，则 ( )a.卫星运动的速度为 b.卫星运动的周期为c.卫星运动的加速度为 d.卫星的动能为【解析】:设地球质量为,则有而, 故 ，知a不对; 卫星运动的周期，b正确 卫星运动的加速度，c不对; 卫星的动能,d正确 所以b、d正确.拓展与分享：某人在某星球上以的初速度竖直上抛一物体,经时间落回原处,若星球半径为,则在该星球上发射卫星的“第一宇宙速度”是多少?【思路分析】由竖直上抛运动可求出该星球的表面处重力加速度和重力,重力作为最低卫星的向心力,可求最小的发射速度.设星球表面处的重力加速度为,则由竖直上抛运动 人造卫星的向心力由重力提供 最低卫星环绕速度发射卫星不能小于这个速度，即“第一宇宙速度”。问题3 卫星的发射和运行教师点拨 abc当卫星的轨道半径越大时，卫星绕地球旋转时的速度越小，卫星发射时越难，送入轨道需要消耗的能量越多，发射的速度必须越大，由此我们可以得出要将人造卫星送入轨道的发射速度必须大于7.9km/s，发射速度越大，人造卫星就进入更高的轨道，当速度大到某一值时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运动我们把这个速度叫第二宇宙速度，它的大小为v2=11.2km/s。同时分析飞到太阳系以外的宇宙空间，速度必须等于或大于16.7km/s，这个速度叫第三宇宙速度。卫星绕地球沿圆轨道运动时，地球对卫星的万有引力提供了卫星运动的向心力，而万有引力指向地心，因此，地心必然是卫星圆轨道的圆心。卫星的轨道平面可以在赤道面内(如图中a)，也可以和赤道面垂直(如图中b)，还可以和赤道平面成任一角度(如图中c)。地球同步卫星就是相对地球静止的卫星，其特点明显。1、 同步卫星的周期等于地球的自转周期（24h），且自西向东运转；2、 由于同步，卫星轨道平面必定与赤道共面，即同步卫星必在赤道上空；3、 角速度一定的条件下，同步卫星的高度是唯一确定的，h=3.6104km；4、 轨道半径一定的条件下，同步卫星的环绕速度也一定，v=3.08km/s。例3.可以发射一颗这样的人造地球卫星,使其圆轨道( )a.与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面同心圆b.与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面同心圆c.与地球表面上的赤道线是共面同心圆,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同心圆,但卫星相对地球表面是运动的【解析】万有引力完全用于提供人造地球卫星绕地圆周运动的向心力.a选项的情景中,万有引力在某一纬度面内的一个分力提供向心力,万有引力的另一分力会使卫星轨道离开该纬度平面.b选项的情景,万有引力全部提供了卫星圆周运动的向心力,使其轨道平面相对地心、两极固定下来,但由于地球不停地自转,轨道平面不会固定于某一经线决定的平面,故选项a、b错.赤道轨道上卫星受的万有引力全部提供向心力,除通信卫星采用“地球静止轨道”外,赤道轨道上的其他卫星都相对地球表面是运动的,故选项c、d正确.【拓展与分享】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，将卫星送入同步椭圆轨道3.轨道1、2相切于q点，轨道2、3相切于p点如右图所示.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( )a.卫星在轨道3上的速率大于在轨道1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【思路分析】本题主要考查人造地球卫星的运动，尤其是考查了同步卫星的发射过程，对考生理解物理模型有很高的要求.由g 得v=因为r3r1 所以v3v1由g 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，也只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.答案：bd问题4梦想成真教师点拨 探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。真正这人类迈向太空提供科学思想的，是生于19世纪中叶的俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基。他指出，利用喷气推进的多级火箭是实现太空飞行最有效的工具。1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星质量83.6kg，每96min绕地球飞行一圈。几年之后，1961年4月12日，苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。1969年7月16日9时32分，阿波罗11号飞船在美国卡纳维拉尔点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月20日，指挥官阿姆斯特朗和驾驶员奥尔德林进入登月舱，与母舰分离后于下午4时17分在月面着陆。10时56分阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。”人们祝贺说：“由于你们的成功，天空已成为人类世界的一部分。”2003年10月15日，我国第一艘载人飞船神舟五号成功发射。中国首位航天员杨利伟成为浩瀚太空的第一位中国访客。 神舟五号21小时23分钟的太空行程，标志着中国已成为世界上继俄罗斯和美国之后第三个能够独立开展载人航天活动的国家。 2005年10月12日，我国第二艘载人飞船神舟六号成功发射，航天员费俊龙、聂海胜被顺利送上太空。17日凌晨，在经过115小时32分钟的太空飞行后，飞船返回舱顺利着陆。 神舟六号进行了我国载人航天工程的首次多人多天飞行试验，完成了我国真正意义上有人参与的空间科学实验。 2008年9月25日，我国第三艘载人飞船神舟七号成功发射，三名航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏顺利升空。 27日，翟志刚身着我国研制的“飞天”舱外航天服，在身着俄罗斯“海鹰”舱外航天服的刘伯明的辅助下，进行了19分35秒的出舱活动。中国随之成为世界上第三个掌握空间出舱活动技术的国家。 2008年9月28日傍晚时分，神舟七号飞船在顺利完成空间出舱活动和一系列空间科学试验任务后，成功降落在内蒙古中部阿木古朗草原上。例3在某一轨道上运行的卫星a在进行过程中突然天线断了，那么卫星及其断了的天线将如何运动？【解析】仍按原轨道做匀速圆周运动。天线的速度及受力决定天线做匀速圆周运动。再者卫星上完全失重，物体间没有相互作用力，天线没断时做圆周运动的向心力是由自身重力提供的，不是飞船对它的作用力，飞船对它没有作用力。所以断了后，仍然做匀速圆周运动。环绕天体的运动与其自身质量无关，在研究物体运动时，它们地位是一样的：都是有质量的物体。【拓展与分享】 “嫦娥一号”是我国月球探测“绕、落、回”三期工程的第一个阶段，也就是“绕”。发射过程中为了防止偏离轨道，卫星先在近地轨道绕地球3周，再经长途跋涉进入月球的近月轨道绕月飞行，已知月球表面的重力加速度约为地球表面重力加速度的1/6，月球半径约为地球半径的1/3，则以下说法中正确的是（ ）a“嫦娥一号”绕月球做圆周运动的周期比绕地球做圆周运动的小b探测器在月球表面附近运行时的速度大于7.9 km/sc探测器在月球表面附近所受月球的万有引力小于在地球表面所受地球的万有引力d“嫦娥一号”绕月球做圆周运动的向心加速度比绕地球做圆周运动的大【思路分析】设探测器的质量为m，探测器在月球表面时，同理，也可写出围绕地球的表达式。由，可见选c。【课堂练习】1.我国已建成了酒泉、太原、西昌航天城，假如还要建立一个航天城，为了发射卫星时尽可能节约火箭中的燃料，下列自南向北的城市中，你认为最合适的是（ ）a.三亚 b.福州 c.杭州 d.大连2. 假设在质量与地球相同、半径为地球半径两倍的天体上进行运动比赛，那么与在地球上的比赛成绩相比，下列说法正确的是 （ ）a.同一跳高运动员的成绩会更好abcb.用弹簧秤称体重时，体重数值变得更小c.从静止状态降落的棒球经过相同时间运动的速度更小d.用手投出的篮球，水平方向的分速度更大3. 如图所示，、是在地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造卫星，下列说法正确的是 （ ）a.、的线速度相等且大于的线速度b.、的周期相等且大于的周期c.、的向心加速度相等且大于的向心加速度d.若的速率增大可追上同一轨道上的4.关于人造地球卫星与宇宙飞船的下列说法中，正确的是( )a.如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力恒量，就可算出地球质量b原来在某一轨道上绕行的人造卫星，若将它的速率增大，它的轨道半径一定减小c.两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形状差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期一定是相同的d.一艘绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内慢慢走出并离开飞船，飞船因质量减小，所受万有引力减小，故飞行速度减小5.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6.某小报登载：某年某月某日，某国发射了一颗质量为100kg，周期为1h的人造环月卫星，一位同学记不住引力常量的数值且手边没有可查找的资料，但他记得月球半径约为地球半径的，月球表面重力加速度约为地球表面重力加速度的，经过推理，他认定该报道是假新闻，试写出他的论证方案。7.在地球上发射一颗近地卫星需7.9 km/s的速度，在月球上发射的近月卫星需要多大速度?(已知地球和月球质量之比m地m月=811,半径之比r地r月=41)6.5 宇宙航行练案【a组】1.人造地球卫星以地心为圆心，做匀速圆周运动，下列说法正确的是（ ）.半径越大，速度越小，周期越小 .半径越大，速度越小，周期越大.所有卫星的速度均是相同的，与半径无关 .所有地球同步卫星的角速度均是相同的2.若已知某行星绕太阳公转的半径为，公转周期为，则由此可求出（ ）.此行星的质量 .太阳的质量 .此行星的密度 .太阳的密度3.两颗人造卫星a、b绕地球做圆周运动，周期之比为 =18，则轨道把轨道半径之比和运行速度之比分别为( ) a. = 41 = 12 b. = 41 = 21 c. = 14 = 12 d. = 14 = 21 4. 2009年2月11日,俄罗斯的“宇宙2251”卫星和美国的“铱33”卫星在西伯利亚上空约805 km处发生碰撞.这是历史上首次发生的完整在轨卫星碰撞事件.碰撞过程中产生的大量碎片可能会影响太空环境.假定有甲、乙两块碎片,绕地球运动的轨道都是圆,甲的运行速率比乙的大,则下列说法中正确的是（ ）a.甲的运行周期一定比乙的长 b.甲距地面的高度一定比乙的高c.甲的向心力一定比乙的小 d.甲的加速度一定比乙的大5.假设地球质量不变，而地球半径增大到原来的2倍，那么从地球发射人造卫星的第一宇宙速度为原来的（ ）倍a. b. c. d.2 6.同步卫星是指相对于地面不动的人造卫星（ ）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值b.它可以在地面上任一点的正下方，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值d.它只能在赤道的正上方，但离地心的距离是一定的7.假定宇宙空间站绕地球做匀速圆周运动，则在空间站上，下列实验不能做成的是：（ ）a.天平称物体的质量 b.用弹簧秤测物体的重量c.用测力计测力 d.用水银气压计测飞船上密闭仓内的气体压强8.一颗在赤道上空运行的人造卫星,其轨道半径为r=2r(r为地球半径),卫星的运动方向与地球自转方向相同.已知地球自转的角速度为,地球表面处的重力加速度为g.(1)求人造卫星绕地球转动的角速度;(2)若某时刻卫星通过赤道上某建筑物的正上方,求它下次通过该建筑物上方需要的时间.【b组】1.地球同步卫星到地心的距离r可由求出，已知式中a的单位是m，b的单位是s，c的单位是m/s2，则： （ ）aa是地球半径，b是地球自转的周期，c是地球表面处的重力加速度；ba是地球半径。b是同步卫星绕地心运动的周期，c是同步卫星的加速度；ca是赤道周长，b是地球自转周期，c是同步卫星的加速度da是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是地球表面处的重力加速度。2.下列关于地球同步卫星的说法中正确的是：（ ）a、为避免通讯卫星在轨道上相撞，应使它们运行在不同的轨道上b、通讯卫星定点在地球赤道上空某处，所有通讯卫星的周期都是24hc、不同国家发射通讯卫星的地点不同，这些卫星的轨道不一定在同一平面上d、不同通讯卫星运行的线速度大小是相同的，加速度的大小也是相同的。3.人造地球卫星与地面的距离为地球半径的1.5倍，卫星正以角速度做匀速圆周运动，地面的重力加速度为，、 、这三个物理量之间的关系是（ ）： ： ： ：4.土星的外层有一个环，为了判断它是土星的一部分，即土星的“连续群”，还是土星的“卫星群”，可以通过测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离r之间的关系来判断（ ）：a.若vr，则该层是土星的连续群 b. 若v2r，则该层是土星的卫星群c.若，则该层是土星的连续群 d.若，则该层是土星的卫星群5如图所示，卫星a、b、c在相隔不远的不同轨道上，以地球为中心做匀速圆周运动，且运动方向相同。若在某时刻恰好在同一直线上，则当卫星b经过一个周期时，下列关于三个卫星的位置说法中正确的是（ ）a三个卫星的位置仍在一条直线上b卫星a位置超前于b，卫星c位置滞后于bc卫星a位置滞后于b，卫星c位置超前于bd由于缺少条件，无法比较它们的位置6在地球大气层外有很多太空垃圾绕地球做匀速圆周运动，每到太阳活动期，由于受太阳的影响，地球大气层的厚度开始增加，而使得部分垃圾进入大气层，开始做靠近地球的向心运动，产生这一结果的原因是（ ）a由于太空垃圾受到地球引力减小而导致的向心运动b由于太空垃圾受到地球引力增大而导致的向心运动c由于太空垃圾受到空气阻力而导致的向心运动d地球的引力提供了太空垃圾做匀速圆周运动所需的向心力，故产生向心运动的结果，与空气阻力无关7.发射人造卫星是将卫星以一定的速度送入预定轨道.发射场一般选择在尽可能靠近赤道的地方,如图所示.这样选址的优点是,在赤道附近( ) a.地球的引力较大b.地球自转线速度较大c.重力加速度较大d.地球自转角速度较大8.航天飞机是往返于地球和太空且能重复使用的航天工具，它能完成多种复杂的太空运输、卫星发射、太空维修等任务.（1）航天飞机如果想给在同一圆轨道上同方向运行相距较远的太空站