2021-2022學(xué)年高一下學(xué)期物理人教版（2019）必修第二冊(cè)7.4宇宙航行教案

一.宇宙速度第一宇宙速度：物體在地球附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，大小為7.9km/s。同時(shí)也指衛(wèi)星飛船發(fā)射時(shí)的最小速度，如果發(fā)射小于這個(gè)速度，那么根據(jù)開普勒定律，航天器就會(huì)以地心作為焦點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)（但是是在地球內(nèi)部）（也是絕大部分彈道導(dǎo)彈的軌跡）第二宇宙速度：航天器逃離地球時(shí)所需要的速度，大小為11.2km/s。如果速度大于7.9km/s,又小于11.2km/s，它繞地球運(yùn)行的軌跡就不是圓，而是橢圓。當(dāng)飛行器的速度大于等于11.2km/s,它就會(huì)克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球。第三宇宙速度：航天器逃離太陽系時(shí)所需的速度，大小為16.7km/s。人類歷史上第一個(gè)飛出太陽系的航天器旅行者一號(hào)的速度達(dá)到了17.8km/s。宇宙速度與運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系(1)v發(fā)＝7.9km/s時(shí)，衛(wèi)星繞地球表面附近做勻速圓周運(yùn)動(dòng)．(2)7.9km/s＜v發(fā)＜11.2km/s，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡為橢圓．(3)11.2km/s≤v發(fā)＜16.7km/s，衛(wèi)星繞太陽做橢圓運(yùn)動(dòng)．(4)v發(fā)≥16.7km/s，衛(wèi)星將掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的空間．第一宇宙速度的推導(dǎo)過程：方法一：由Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(veq\o\al(2,1),R)得v1＝eq\r(\f(GM,R))＝7.9×103m/s.方法二：由mg＝meq\f(veq\o\al(2,1),R)得v1＝eq\r(gR)＝7.9×103m/s.例題1.關(guān)于宇宙速度，下列說法正確的是A．第一宇宙速度是能使人造地球衛(wèi)星飛行的最小發(fā)射速度B．第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度C．第二宇宙速度是衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行時(shí)的最大速度D．第三宇宙速度是發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度例題2.2021年5月15日，我國“天問一號(hào)”火星探測器成功實(shí)現(xiàn)火星表面軟著陸，降落在烏托邦平原南部，一次性完成“繞落巡”三大任務(wù)。已知火星與地球半徑之比約為1∶2，表面重力加速度大小之比約為4∶9，則火星與地球第一宇宙速度之比約為（）A．2∶3 B．：3 C．3∶2 D．3：變式：2020年7月23日中午12：41分，我國第一個(gè)火星探測器“天問一號(hào)”搭載長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭在海南的文呂航天發(fā)射中心的發(fā)射場地成功升空?；鹦侵睆郊s為地球的一半，質(zhì)量約為地球的十分之一，它繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道半徑約為地球公轉(zhuǎn)半徑的1.5倍。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，以下說法正確的是（）A．火星與地球表面的重力加速度之比約為B．火星與地球的公轉(zhuǎn)周期之比約為C．火星與地球的第一宇宙速度之比約為火星與地球受到太陽的引力之比約為二.人造地球衛(wèi)星1.衛(wèi)星軌道赤道軌道：衛(wèi)星的軌道在赤道平面內(nèi)，同步衛(wèi)星的軌道就是赤道軌道極地軌道：衛(wèi)星的軌道過南、北兩極，即在垂直于赤道的平面內(nèi)，如極地氣象衛(wèi)星其他軌道：除以上兩種軌道外的衛(wèi)星軌道所有衛(wèi)星的軌道平面一定通過地球的球心2.近地衛(wèi)星與同步衛(wèi)星近地衛(wèi)星：貼著地球表面繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星，軌道半徑R≈R地。同步衛(wèi)星：繞地球公轉(zhuǎn)周期等于地球自轉(zhuǎn)周期的衛(wèi)星，地面上的人看，同步衛(wèi)星和地面相對(duì)靜止，總保持在赤道正上方。同步衛(wèi)星一般作為通訊衛(wèi)星使用。同步衛(wèi)星的特點(diǎn)（七個(gè)一定）定周期運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同,T=24h定角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同定軌道平面所有地球同步衛(wèi)星的軌道平面均在赤道平面內(nèi)（只能在赤道正上方）定高度離地面高度為3.6xkm定速率運(yùn)行速率為3.1xm/s定繞行方向繞行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致定加速度由于同步衛(wèi)星高度確定.則其軌道半徑確定，因此向心加速度大小確定衛(wèi)星的運(yùn)行參量：線速度v、角速度w、周期T、向心加速度a規(guī)律：半徑越小，速度越大（線速度、角速度、向心加速度），周期越小半徑越大，速度越小（線速度、角速度、向心加速度），周期越大例題1．“天問一號(hào)”火星登陸探測器被火星俘獲后首先在高軌道做圓周運(yùn)動(dòng)，然后轉(zhuǎn)移到低軌道做圓周運(yùn)動(dòng)，為著陸火星做準(zhǔn)備，相比高軌道，探測器在低軌道運(yùn)行時(shí)（）A．周期較大 B．線速度較大C．角速度較小 D．加速度較小例題2．2021年5月30日，我國成功發(fā)射的“天舟二號(hào)”貨運(yùn)飛船與“天和核心艙”完成自主快速交會(huì)對(duì)接，河北辛集中學(xué)校友白明生正是天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船總設(shè)計(jì)師。已知對(duì)接形成的組合體仍沿“天和核心艙”原來的軌道（可視為圓軌道）運(yùn)行，對(duì)接前“天和核心艙”的運(yùn)行軌道高度為393km，“天舟二號(hào)”貨運(yùn)飛船軌道高度為386km，它們的運(yùn)行軌道均視為圓周，則（）A．“組合體”比“天和核心艙”加速度大B．“組合體”比“天和核心艙”角速度大C．“組合體”比“天和核心艙”周期大D．“組合體”比“天舟二號(hào)”貨運(yùn)飛船機(jī)械能大變式1．如圖所示，三顆衛(wèi)星A、B、C都在赤道平面內(nèi)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其中B為同步衛(wèi)星。則三顆衛(wèi)星中（）A．衛(wèi)星C繞地球運(yùn)動(dòng)的周期小于24小時(shí) B．衛(wèi)星C的加速度最大C．衛(wèi)星A的速度最小 D．衛(wèi)星C的速度最小變式2.天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，三顆行星A、B、C繞著仙女座厄普西倫星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖所示，行星A周期為4.6170天，軌道半徑為0.059AU(地球與太陽之間的距離為1AU，1AU=1.496×108km)，引力常量G=6.67×l0-11N·m2/kg2，根據(jù)題中數(shù)據(jù)可得A．厄普西倫星的質(zhì)量B．厄普西倫星的第一宇宙速度C．行星B的周期小于4.6170天行星C的加速度大于A的加速度三．衛(wèi)星變軌問題原理：在某一點(diǎn)點(diǎn)火加速，由于速度變大，萬有引力不足以提供衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)需要的向心力，衛(wèi)星做離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入橢圓軌道；在橢圓軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)再次點(diǎn)火加速進(jìn)入高圓形軌道。結(jié)論；衛(wèi)星由低軌道升到高軌道，需要點(diǎn)火加速；衛(wèi)星由高軌道降到低軌道，需要點(diǎn)火減速。抓住橢圓軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)，結(jié)合兩個(gè)圓軌道進(jìn)行分析例題1.2021年5月22日，“天問一號(hào)”火星探測器所攜帶的“祝融號(hào)”火星車及其著陸組合體成功到達(dá)火星表面。如圖是“天問一號(hào)”環(huán)繞火星變軌示意圖?！疤靻栆惶?hào)”先沿軌道Ⅰ繞火星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，再在A點(diǎn)開始變軌后進(jìn)入環(huán)繞火星的橢圓軌道Ⅱ運(yùn)動(dòng)。則“天問一號(hào)”（）A．由軌道Ⅰ進(jìn)入軌道Ⅱ需要在A點(diǎn)加速B．在軌道Ⅱ上A點(diǎn)的速度小于B點(diǎn)的速度C．在軌道Ⅰ上的運(yùn)行周期小于在軌道Ⅱ上的運(yùn)行周期D．在軌道Ⅰ上經(jīng)過A點(diǎn)時(shí)的加速度大于在軌道Ⅱ上經(jīng)過A點(diǎn)時(shí)的加速度變式1.假設(shè)將來一艘飛船靠近火星時(shí)，經(jīng)歷如圖所示的變軌過程，則下列說法正確的是A．飛船在軌道Ⅱ上運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)的速度小于在軌道軌道Ⅰ上運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)的速度B．若軌道I貼近火星表面，測出飛船在軌道I上運(yùn)動(dòng)的周期，就可以推知火星的密度C．飛船在軌道I上運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)時(shí)的加速度大于飛船在軌道Ⅱ上運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)時(shí)的加速度D．飛船在軌道Ⅱ上運(yùn)動(dòng)時(shí)的周期小于在軌道I上運(yùn)動(dòng)時(shí)的周期變式2.如圖所示，發(fā)射地球同步衛(wèi)星時(shí)，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后經(jīng)點(diǎn)火將衛(wèi)星送入橢圓軌道2，然后再次點(diǎn)火，將衛(wèi)星送入同步軌道3.軌道1、2相切于Q點(diǎn)，2、3相切于P點(diǎn)，則