2024-2025学年新教材高中物理第七章万有引力与宇宙航行第4节宇宙航行学案新人教版必修2

PAGE1-第4节宇宙航行学习目标1.理解人造地球卫星的最初构想。2.知道三个宇宙速度的含义,会推导第一宇宙速度。3.了解人造卫星有关学问,正确理解人造卫星做匀速圆周运动时,各物理量之间的关系。自主预习一、宇宙速度[填空]1.第一宇宙速度(firstcosmicvelocity):是卫星在旁边(h≪R)绕地球做的速度。

2.其次宇宙速度(secondcosmicvelocity):使物体摆脱的束缚,成为绕太阳运行的人造行星的最放射速度。

3.第三宇宙速度(thirdcosmicvelocity):使物体摆脱束缚的最放射速度。

二、人造地球卫星[填空]1.通信卫星(地球同步卫星):相对于地面是的,跟地球自转的卫星,同步卫星也叫卫星。

2.特点:定;定;定;定。

课堂探究[情境设问1]通过阅读课本、查阅科普资料,你能说出人造卫星的轨道特点吗?能通过力学分析得出确定这一轨道特点的缘由吗?(一)人造卫星的三种轨道视察得出:卫星的轨道平面必需通过

分析缘由:

[情境设问2]如图所示,在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中,牛顿设想:把物体从高山上水平抛出,速度一次比一次大,落地点也就一次比一次远;抛出速度足够大时,物体就不会落回地面,成为人造地球卫星。你知道这个速度原委有多大吗?(二)宇宙速度定义大小/km·s-1第一宇宙速度(环绕速度)是卫星在旁边(h≪R)绕地球做的速度。

是在地球上胜利放射卫星的放射速度

其次宇宙速度(脱离速度)使物体摆脱的束缚,成为绕太阳运行的人造行星的最放射速度,

第三宇宙速度(逃逸速度)使物体摆脱束缚的最放射速度

[科学推理与论证]请同学们依据万有引力定律和牛顿其次定律,推导第一宇宙速度的大小。推导依据:①定义:轨道半径r

②地面处供应向心力

(设地球质量M,半径R。绕地球做匀速圆周运动飞行器质量m,轨道半径r。重力加速度g)(1)万有引力供应向心力(2)重力供应向心力结论:第一宇宙速度只由确定,与卫星。

[思索与探讨]从得式(1)可以看出:飞行器离地心越远,它运行的速度。

靠近地面时,r近似等于多少?将地球半径带入上式,此时飞行器运行速度是多少?[例题展示]【例题1】人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,其速率是下列的哪种状况:A.肯定等于7.9km/s B.等于或小于7.9km/sC.肯定大于7.9km/s D.介于7.9~11.2km/s留意:该速率是运行速度的大小,不是卫星的放射速度[学问窗](1)放射速度:放射速度是指卫星在地面旁边离开放射装置的初速度,一旦放射后再无能量补充,要放射一颗人造地球卫星,放射速度不能小于第一宇宙速度。(2)运行速度:运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。当卫星“贴着”地面飞行时,运行速度等于第一宇宙速度,当卫星的轨道半径大于地球半径时,运行速度小于第一宇宙速度。总结:第一宇宙速度的意义:A.是人造地球卫星在绕地球做匀速圆周运动的速度

B.是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的最运行速度

C.是在地面旁边放射人造地球卫星的最放射速度

【变式训练1】通过对以上三种宇宙速度的学习,如右图,请写出图中①②③④⑤五种状况下卫星的放射速度范围与轨道特点①v:(选填“能”或“不能”)胜利放射卫星→

②v:刚好能胜利放射近地圆轨道人造卫星

③v:绕地运行卫星,轨道

④v:卫星脱离地球引力束缚,成为其他行星的卫星,或……

⑤v:卫星脱离太阳引力束缚,成为其他星系的卫星,或……

光滑平面上俯视图[情境设问3]做圆周运动的物体一旦供应的向心力消逝或不足,物体将做远离圆心的运动,这种现象叫离心现象。若卫星运动过程中在某点受到的万有引力与卫星做圆周运动所需向心力不相等时,卫星如何运动?三、通信卫星(地球同步卫星)1.定义:相对于地面的,跟地球自转的卫星,同步卫星也叫卫星。

2.特点:①定周期,即运行周期等于;

②定轨道平面,即运行平面在;

③定高度,即离地面高度;

④定速度,即运行速度。

四、载人航天与太空探究从1961年4月12日,苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船,到1969年7月16日9时32分,运载阿波11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空,拉开人类登月这一宏大历史事务的帷幕。再到2003年10月15日9时,我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空,2013年6月,神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接;2024年10月19日,神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。2024年4月20日,我国又放射了货运飞船天舟一号,入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接及多项试验。人类探究太空的步伐从未停止过。人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕,将来的探究之路还很长。人类在月球上留下了自己的踪迹中国第一位航天员杨利伟[例题展示]【例题2】同步卫星是相对于地面静止的与地球具有相同周期的卫星,周期T=24h同步卫星必位于赤道上方h,且h肯定的,已知地球半径R=6400km,试计算同步卫星的高度和速率。【变式训练2】用m表示人造地球同步卫星的质量,h表示它离地面的高度,R表示地球的半径,g表示地球表面的重力加速度,ω表示地球自转的角速度,则同步卫星所受地球对它引力大小是()A.0 B. C. D.mg参考答案自主预习一、1.地面匀速圆周运动2.地球小3.太阳小二、1.静止同步通信2.周期轨道平面高度速度【例题1】答案:B例题分析:人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,该速率是运行速度的大小,不是卫星的放射速度,由天体运动受到万有引力供应向心力,G=m,可得v=,卫星的轨道半径r越大,做圆周运动的速度v就越小。因此选B。【变式训练1】①v<7.9km/s不能胜利放射卫星→卫星落地②v=7.9km/s刚好能胜利放射近地圆轨道人造卫星③7.9km/s<v<11.2km/s绕地运行卫星,轨道为椭圆④11.2km/s≤v<16.7km/s卫星脱离地球引力束缚,成为其他行星的卫星,或……⑤v≥16.7km/s卫星脱离太阳引力束缚,成为其他星系的卫星,或……【例题2】例题分析:依据同步卫星受力分析可知,万有引力供应卫星做匀速圆周运动的向心力,由向心力方程可知G=mr,可得r=则h=r-R=-R=36000km则v==3.08km/s【变式训练2】C学习目标1.理解人造地球卫星的最初构想。2.知道三个宇宙速度的含义,会推导第一宇宙速度。3.了解人造卫星有关学问,正确理解人造卫星做匀速圆周运动时,各物理量之间的关系。课堂探究[课前练习]复习天体运动,并完成相关练习。练习1:(多选)假如一做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的两倍,仍做圆周运动,A.由v=ωr,知卫星运动线速度将增大到原来的2倍B.由F=,知卫星所需向心力将减小到原来C.由F=,知地球供应向心力将减小到原来D.由B、C给出公式,知卫星线速度减小到原来[历史踪迹]牛顿设想:铅球是这样成为人造卫星的【问题串】1.模拟动画中,最终铅球绕地球在做什么运动?

2.是什么力供应它做圆周运动的向心力?

3.假如F万>F向,铅球会如何运动?

4.假如F万<F向,铅球会如何运动?

5.在什么状况下铅球才会稳定地围绕地球做圆周运动?

此时铅球的速度应当多大呢?[科学推理与论证](算一算):若已知G=6.67×10-11N·m2/kg2,地球质量M=5.98×1024kg,地球半径R=6400km,铅球以多大的速度才能绕地球表面运动成为地球的一颗卫星?(算一算)若地球质量未知,而知道地球表面处的重力加速度和地球半径,如何求得这个速度?[思索探讨1]若放射速度大于7.9km/s,卫星的运动将会怎样呢?阅读课本P60完成学问点一相关表格填写。[思索探讨2]通过查阅资料,自学课件,归纳总结人造卫星的轨道特点。[思索探讨3]通过阅读课本P61,自学课件,归纳总结人造地球卫星的应用——通信卫星(地球同步卫星)的相关特点。[思索探讨4]同步卫星距地面h=5.6R,怎样放射同步卫星?[学问点总结]一、宇宙速度1.第一宇宙速度:v=。

留意:上式对其他天体也适用,R为天体半径,M为天体质量,g为天体表面的重力加度,G为引力常量。(1)第一宇宙速度的物理意义:a.是人造地球卫星在绕地球做的速度。

b.是在地面旁边放射人造地球卫星的最放射速度。

c.是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的最运行速度。

(2)区分人造卫星的放射速度与运行速度放射速度:是指被放射物体在地面旁边离开放射装置时的速度。运行速度:是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。定义大小第一宇宙速度(环绕速度)是卫星在旁边(h≪R)绕在球做的速度。是在地球上胜利放射卫星的放射速度

其次宇宙速度(脱离速度)使物体摆脱的束缚,成为绕太阳运行的最放射速度

第三宇宙速度(逃逸速度)使物体摆脱束缚的最放射速度

二、人造卫星的轨道特点1.卫星绕地球做运动。

2.供应向心力:全部卫星都在以地心为圆心的圆(或椭圆)轨道上运动。

三、人造地球卫星的应用——通信卫星(地球同步卫星)1.定义:相对于地面是的,跟地球自转的卫星,同步卫星也叫通信卫星。

2.特点:五个肯定四、卫星变轨内轨变外轨,;

外轨变内轨,。

所以,远地圆轨道卫星,是由轨道变轨而来的。

五、载人航天与太空探究广袤的宇宙,有着许很多多这样炫目的场面!但这些都应当是可以被我们人类所认知的。肯定会有那样的一天,人类真正地翱翔于茫茫宇宙之中!信任你们肯定会为人类的航天事业作出应有的贡献。核心素养专练1.人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,其速率是下列的哪种状况:A.肯定等于7.9km/s B.等于或小于7.9km/sC.肯定大于7.9km/s D.介于7.9~11.2km/s2.问题:a、b、c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条?3.①卫星在轨道2上经过P点的加速度与卫星在轨道3上经过P点的加速度大小关系?②卫星在轨道1上经过Q点的速度与卫星在轨道2上经过P点的速度大小关系?课后探究作业1.阅读教材中的“科学闲逛”和“STSE”材料。2.上网查阅:人造卫星的种类、同步卫星的含义及特点。3.上中国探月网。4.思索放射卫星的最佳地点与最佳方向。参考答案课前练习CD历史踪迹1.匀速圆周运动2.地球对铅球的万有引力3.向心运动4.离心运动5.万有引力等于向心力铅球的速度为7.9km/s。科学推理与论证G=mv=代入数据得:v=7.9km/smg=mv=代入数据得:v=7.9km/s学问点总结一、宇宙速度1.7.9km/s(1)a.地面旁边匀速圆周运动b.小c.大定义大小第一宇宙速度(环绕速度)是卫星在地面旁边(h≪R)绕地球做匀速圆周运动的速度。是在地球上胜利放射卫星的最小放射速度7.9km/s其次宇宙速度(脱离速度