（人教版）必修第二册高中物理同步导学案7.4宇宙航行（原卷版）

§7.4宇宙航行目标展示目标展示〖教学目标〗1.通过阅读课本资料了解牛顿对人造卫星的猜想、外推的思路和思想，能写出第一宇宙速度的推导过程。2.通过第一宇宙速度的推导总结，能说出人造地球卫星的原理及运行规律。3.通过阅读教材第二部分，能够介绍世界和我国航天事业的发展历史，感知人类探索宇宙的梦想，激发爱国热情，增强民族自信心和自豪感〖核心素养〗物理观念：能从物理学的视角正确描述和解释人造地球卫星的运行规律，具备清晰的物理观念。科学思维：能在熟悉的情境中运用物理模型，能对卫星发射原理进行分析和推理。科学探究：能在对卫星发射原理的基础上做出假设，并制定合理的探究路线，从而分析数据发现规律。科学态度与责任：卫星的发射原理是人类在万有引力定律基础上科学家们持续不断创造性发展的成果，是人类对宇宙奥秘探索的历程，增强民族自信心自豪感。〖教学重点与难点〗重点：第一宇宙速度的推导。难点：第一宇宙速度的推导；环绕速度与发射速度的区分预习案预习案使用说明及学法指导（正确的方法会取得事半功倍的效果！）1．首先明确“知识必备”中的两个知识点；然后再通读教材，查找资料，完成“教材助读”中的问题；2．完成时间：20分钟。知识必备（你准备好了吗？）1.平抛运动、圆周运动、离心运动与近心运动2.万有引力的理论成就教材助读（问题引领方向！）1．区分发射速度与环绕速度 2．掌握卫星环绕地球的运动规律，线速度角速度周期加速度与轨道半径的关系预习检测（检测有助于查找存在的问题和不足！）1.三个宇宙速度及含义：数值意义第一宇宙速度______km/s物体在______绕地球做匀速圆周运动的速度第二宇宙速度______km/s在地面附近发射飞行器使其克服______引力，永远离开地球的最小地面发射速度第三宇宙速度______km/s在地面附近发射飞行器使其挣脱______引力束缚，飞到太阳系______的______地面发射速度2.人造地球卫星（1）______年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功.______年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功．为我国航天事业作出特殊贡献的科学家______被誉为“中国航天之父”；（2）地球同步卫星的特点地球同步卫星位于______上方高度约______处，因______，也称静止卫星．地球同步卫星与地球以______的角速度转动，周期与地球自转周期______。判一判(1)发射人造地球卫星需要足够大的速度．（）(2)卫星绕地球运行不需要力的作用．（）(3)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大．（）(4)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10km/s.（）(5)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9km/s.（）(6)同步卫星可以“静止”在北京的上空．（）我的疑问（发现问题比解决问题更重要！）请将预习中未能解决的问题和疑问写下来，待课堂上与老师和同学探究解决。探究案探究案质疑探究（质疑解疑，合作探究）探究点一：三种宇宙速度例1.“玉兔号”月球车与月球表面的第一次接触实现了中国人“奔月”的伟大梦想。“玉兔号”月球车在月球表面做了一个自由下落试验，测得物体从静止自由下落h高度的时间为t，已知月球半径为R，引力常量为G。求：（1）月球的质量；（2）月球的第一宇宙速度。针对训练1.我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”.设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面.已知月球的质量约为地球质量的eq\f(1,81)，月球的半径约为地球半径的eq\f(1,4)，地球的第一宇宙速度约为7.9km/s，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为()A.0.4km/s B.1.8km/sC.11km/s D.36km/s针对训练2.已知某星球的平均密度是地球的m倍,半径是地球的n倍,地球的第一宇宙速度是v,该星球的第一宇宙速度为 ()A.vmnB.mvC.nvmD.mnv例2.关于地球的三个宇宙速度,下列说法正确的是 ()A.第一宇宙速度大小为7.9km/h，是发射卫星所需的最小速度B.绕地球运行的同步卫星的环绕速度必定大于第一宇宙速度C.第二宇宙速度为11.2km/s,是绕地飞行器最大的环绕速度D.在地面附近发射的飞行器速度等于或大于第三宇宙速度时,飞行器就能逃出太阳系了针对训练3.如图1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O点以不同的速度v水平抛出，速度一次比一次大，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，它将绕地球运动，成为人造地球卫星，则下列说法正确的是()图1A.以v<7.9km/s的速度抛出的物体可能落在A点B.以v<7.9km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动C.以7.9km/s<v<11.2km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动D.以11.2km/s<v<16.7km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动规律总结（知识提炼，浓缩精华）第一宇宙速度脱离地面，第二宇宙速度脱离地球，第三宇宙速度脱离太阳第一宇宙速度是是近地卫星的环绕速度，是最大的环绕速度，也是最小的发射速度。探究点二：人造地球卫星例3.(多选)如图中的四种虚线轨迹,可能是人造地球卫星轨道的是 ()例4.2021年2月我国发射的“天问一号”火星探测器，对火星的地貌和环境进行了探测，将人类探测宇宙的脚步推向前进。设质量为的“天宫一号”环绕器，在距火星表面高为处，做周期为的匀速圆周运动，已测得火星半径为，火星视为均质球体引力常量为，求：（1）火星的质量；（2）火星表面的重力加速度大小；（3）若在火星表面发射一颗近火卫星，求该卫星的环绕速度。针对训练4.2019年1月3日10时26分我国月球探测车“玉兔二号”成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区，并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。“玉兔二号”成功着陆前要先进入近月轨道（距月球表面高度远小于月球半径的轨道）做匀速圆周运动。已知月球的质量M，月球的半径R，万有引力常量G，不考虑月球自转。求：（1）月球表面的重力加速度g月的大小；（2）“玉兔二号”在近月轨道上绕月球运动的周期T。例5.土星是太阳系中第二大行星,也是一个气态巨行星,图示为绕土星飞行的飞行器近距离拍摄的土星表面的气体涡旋。假设飞行器绕土星做匀速圆周运动,距离土星表面高度为h。土星可视为均匀球体,已知土星质量为M,半径为R,引力常量为G。求:(1)土星表面的重力加速度g;(2)飞行器的运行速度v;(3)若土星的自转周期为T,求土星同步卫星距土星表面的高度H。针对训练5.2017年9月25日，微信启动页“变脸”：由此前美国卫星拍摄地球的静态图换成了我国“风云四号”卫星拍摄地球的动态图，如图所示。“风云四号”是一颗地球同步卫星，关于“风云四号”，下列说法正确的是（）A．为了北京冬奥会通信畅通，可以把该卫星定位在北京正上空B．发射速度应大于第二宇宙速度C．运行周期等于一天D．不同的同步卫星环绕速度可以不同针对训练6.关于地球同步通信卫星，下列说法中正确的是（）A．它只能分布在赤道上空一定高度处B．已知它的质量是1.42T,若将它的质量增为2.84T,其同步的轨道的半径变为原来的2倍C．它可以绕过北京的正上方，所以我国可以利用它进行电视转播D．它的运行的速度是7.9km/s规律总结（知识提炼，浓缩精华）因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球做圆周运动的向心力，所以所有卫星的轨道圆心一定与地心重合。（2）同步卫星周期与星球自转周期相同，轨道高度一定，轨道平面一定，加速度一定，线速度一定，角速度一定。探究点三：天体运动的综合分析与计算例6.金星、地球和火星绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动,它们的向心加速度大小分别为a金、a地、a火,它们沿轨道运行的速率分别为v金、v地、v火。已知它们的轨道半径R金<R地<R火,由此可以判定()A.a金>a地>a火B.a火>a地>a金C.v地>v火>v金D.v火>v地>v金针对训练7.伽利略用他自制的望远镜发现了围绕木星的四颗卫星，假定四颗卫星均绕木星做匀速圆周运动，它们的转动周期如表所示，关于这四颗卫星，下列说法中正确的是()名称周期/天木卫一1.77木卫二3.65木卫三7.16木卫四16.7A.木卫一角速度最小B.木卫四线速度最大C.木卫四轨道半径最大D.木卫一受到的木星的万有引力最大例7.如图所示，A是地球同步卫星，另一个卫星B的圆轨道位于赤道平面内，距离地面高度为h.已知地球半径为R，地球自转角速度为ω0，地球表面的重力加速度为g，O为地球中心．(1)卫星B的运行周期是多少？(2)如果卫星B的绕行方向与地球自转方向相同，某时刻A、B两卫星相距最近(O、B、A在同一直线上)，求至少再经过多长时间，它们再一次相距最近？规律总结（知识提炼，浓缩精华）针对环绕同一中心天体的星球：（1）星球的轨道半径r确定后，其相对应的线速度大小、角速度、周期和向心加速度大小是唯一的，与星球的质量无关，即同一轨道上的不同星球具有相同的周期、线速度大小、角速度和向心加速度大小.（2）星球的轨道半径r越大，v、ω、an越小，T越大，即越远越慢，可总结为高轨低速长周期（“速”包含线速度角速度加速度）。探究点四：赤道上的物体，近地卫星和同步卫星的比较例8.如图4所示，A为赤道上的待发射卫星，B为近地圆轨道卫星，C为地球同步卫星.三颗卫星质量相同，三颗卫星的线速度大小分别为vA、vB、vC，角速度大小分别为ωA、ωB、ωC，周期分别为TA、TB、TC，向心加速度大小分别为aA、aB、aC，则()图4A.ωA＝ωC<ωBB.TA＝TC<TBC.vA＝vC<vBD.aA＝aC>aB针对训练8.有a、b、c、d四颗地球卫星，a还未发射，在地球赤道上随地球表面一起转动，b处于地面附近的近地轨道上正常运动，c是地球同步卫星，d是高空探测卫星，各卫星排列位置如图所示，则有（）A．a的向心加速度等于重力加速度g B．b在相同时间内转过的弧长最短C．c在4h内转过的圆心角是 D．d的运动周期有可能是28小时针对训练9.北斗卫星导航系统第三颗组网卫星（简称“三号卫星”）的工作轨道为地球同步轨道，设地球半径为R，“三号卫星”的离地高度为h，则关于地球赤道上静止的物体、地球近地环绕卫星和“三号卫星”的有