专题 宇宙航行的几种典型问题 导学案 高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

学校课型新课课时1题目专题宇宙航行的几种典型问题年级高一学习目标变轨与对接问题。赤道上的物体、近地卫星和同步卫星做圆周运动的异同点。人造卫星的超重与失重。基础知识一、卫星、飞船变轨与对接1．卫星变轨问题的处理技巧(1)当卫星绕天体做匀速圆周运动时，万有引力提供向心力，即Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)，若速度v减小，则F引＞meq\f(v2,r)，卫星将做近心运动，轨迹为椭圆；若速度v增大，则F引＜meq\f(v2,r)，卫星将做离心运动，轨迹为椭圆，此时可用开普勒三定律分析其运动。(2)卫星到达椭圆轨道与圆轨道的切点时，在两轨道上，卫星受到的万有引力相同，所以加速度相同。2．飞船的对接问题两飞船实现对接前应处于高低不同的两轨道上，当目标船处于较高轨道时，在较低轨道上运动的对接船通过合理的加速，可以提升高度并追上目标船与其完成对接。二、赤道上的物体、近地卫星和同步卫星做圆周运动的异同点比较内容赤道上的物体近地卫星同步卫星向心力来源万有引力的分力万有引力向心力方向指向地心重力与万有引力的关系重力略小于万有引力重力等于万有引力轨道半径地球半径R地球半径R地球半径R与卫星离地面高度h之和周期T1＝24hT2＝85minT3＝24h角速度ω1＝ω自ω2＝eq\r(\f(GM,R3))ω3＝ω自＝eq\r(\f(GM,R＋h3))ω自＝ω1＝ω3<ω2(ω自为地球自转的角速度)线速度v1＝ω1Rv2＝eq\r(\f(GM,R))v3＝ω3(R＋h)＝eq\r(\f(GM,R＋h))v1<v3<v2(v2为第一宇宙速度)向心加速度a1＝ωeq\o\al(2,1)Ra2＝ωeq\o\al(2,2)R＝eq\f(GM,R2)a3＝ωeq\o\al(2,3)(R＋h)＝eq\f(GM,R＋h2)a1<a3<a2三、人造卫星的超重与失重卫星的运动分为三个阶段：利用火箭发射升空阶段、进入转移轨道阶段和在预定轨道上绕地球运行阶段。1．人造卫星发射升空后在加速升空过程中，以及卫星返回再进入大气层向下降落的减速过程中，都具有向上的加速度，因而都处于超重状态。2．人造卫星在沿圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力，所以卫星及卫星上的物体都处于完全失重状态，在卫星中的物体都处于“漂浮”状态。在这种情况下凡是与重力有关的力学现象都会停止发生，因此在卫星上，凡是制造原理与重力有关的仪器(如水银气压计、天平等)均不能使用；凡是与重力有关的实验课堂拓展考点一卫星、飞船的变轨与对接考向1变轨问题1.如图所示，将卫星发射至近地圆轨道1，然后再次点火，最终将卫星送入同步轨道3。轨道1、2相切于Q点，2、3相切于P点，M、N为椭圆轨道半短轴的端点。则当卫星分别在轨道1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是()A．在三条轨道中周期从大到小的顺序是轨道3、轨道1、轨道2B．在三条轨道中速率最大的时刻为经过轨道2上的Q点时，速率最小的时刻为经过轨道2上的P点时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M→P→N运动所需的时间等于经N→Q→M的时间2．(科技情境命题)发射地球同步卫星时，先将卫星发射到距地面高度为h1的近地圆形轨道上，在卫星经过A点时点火实施变轨进入椭圆轨道，最后在椭圆轨道的远地点B点再次点火将卫星送入同步轨道，如图所示。已知同步卫星的运动周期为T，地球的半径为R，地球表面重力加速度为g，忽略地球自转的影响，求：(1)卫星在椭圆轨道和同步轨道上运行时，哪种情况的周期大；(2)卫星在近地点A的加速度大小；(3)远地点B距地面的高度。考向2对接问题3.eq\a\vs4\al(社会情境命题)我国发射了“天宫二号”空间实验室，之后发射“神舟十一号”飞船与“天宫二号”对接，对接示意图如图所示。假设“天宫二号”与“神舟十一号”都围绕地球做匀速圆周运动，为了实现飞船与空间实验室的对接，下列措施可行的是()A．使飞船与空间实验室在同一轨道上运行，然后飞船加速追上空间实验室实现对接B．使飞船与空间实验室在同一轨道上运行，然后空间实验室减速等待飞船实现对接C．飞船先在比空间实验室半径小的轨道上加速，加速后飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接D．飞船先在比空间实验室半径小的轨道上减速，减速后飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接考点二同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较4．地球赤道上有一物体随地球的自转而做圆周运动，所受的向心力为F1，向心加速度为a1，线速度为v1，角速度为ω1；绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星(高度忽略)所受的向心力为F2，向心加速度为a2，线速度为v2，角速度为ω2；地球同步卫星所受的向心力为F3，向心加速度为a3，线速度为v3，角速度为ω3。地球表面重力加速度为g，第一宇宙速度为v，假设三者质量相等，则()A．F1＝F2＞F3 B．a1＝a2＝g＞a3C．v1＝v2＝v＞v3 D．ω1＝ω3＜ω25．(科技情境命题)我国首颗量子科学实验卫星于2016年8月16日1点40分成功发射，量子卫星成功运行后，我国将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。假设量子卫星轨道在赤道平面，如图所示。已知量子卫星的轨道半径是地球半径的m倍，同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍，图中P点是地球赤道上一点，由此可知()A．量子卫星的环绕速度大于7.9km/sB．同步卫星与量子卫星的运行周期之比为eq\f(n3,m3)C．量子卫星与同步卫星的速率之比为eq\f(n,m)D．量子卫星与P点的速率之比为eq\r(\f(n3,m))考点三人造卫星的超重与失重6.在圆轨道上运行的国际空间站里，一宇航员A静止(相对空间舱)“站”于舱内朝向地球一侧的“地面”B上，如图所示，下列说法中正确的是()A．宇航员A不受地球引力作用B．宇航员A所受地球引力与他在地面上所受重力相等C．宇航员A与“地面”B之间无弹力作用D．若宇航员A将手中一小球无初速度(相对于空间舱)释放，该小球将落到“地面”B上随堂检测1．同步卫星离地心距离为r，运行速率为v1，向心加速度为a1，轨道所在处的重力加速度为g1。地球的半径为R，第一宇宙速度为v2，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，地球两极的重力加速度为g。则下列关系式不正确的是()A．a1＝g1 B.eq\f(g1,g)＝eq\f(R2,r2)C.eq\f(v1,v2)＝eq\f(r,R) D.eq\f(a1,a2)＝eq\f(r,R)2．2017年4月20日，“天舟一号”飞船成功发射，与“天宫二号”空间实验室对接后在离地约393km的圆轨道上为“天宫二号