人教版高中物理必修二 （宇宙航行）萬有引力與宇宙航行教師教學課件

4宇宙航行第七章萬有引力與宇宙航行

1.會推導第一宇宙速度，知道三個宇宙速度的含義.2.了解人造地球衛(wèi)星的歷史及現(xiàn)狀，認識同步衛(wèi)星的特點.3.了解人類對太空的探索歷程和我國載人航天工程的發(fā)展.學習目標梳理教材夯實基礎探究重點提升素養(yǎng)隨堂演練逐點落實內(nèi)容索引NEIRONGSUOYIN梳理教材夯實基礎011.牛頓的設想如圖1所示，把物體從高山上水平拋出，如果速度

，物體就不再落回地面，它將繞地球運動，成為

.宇宙速度一圖1足夠大人造地球衛(wèi)星勻速圓周萬有引力mg(3)三個宇宙速度及含義

數(shù)值意義第一宇宙速度

km/s物體在

繞地球做勻速圓周運動的速度第二宇宙速度

km/s在地面附近發(fā)射飛行器使物體克服

引力，永遠離開地球的最小地面發(fā)射速度第三宇宙速度

km/s在地面附近發(fā)射飛行器使物體掙脫

引力束縛，飛到太陽系外的

地面發(fā)射速度7.9地面附近11.2地球16.7太陽最小人造地球衛(wèi)星二1.

年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功.

年4月24日，我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號”發(fā)射成功.為我國航天事業(yè)作出特殊貢獻的科學家

被譽為“中國航天之父”.2.地球同步衛(wèi)星的特點地球同步衛(wèi)星位于

上方高度約

處，因

，也稱靜止衛(wèi)星.地球同步衛(wèi)星與地球以

的角速度轉動，周期與地球自轉周期

.19571970錢學森赤道36000km相對地面靜止相同相同1.

年蘇聯(lián)宇航員

進入東方一號載人飛船，鑄就了人類首次進入太空的豐碑.2.1969年，美國

飛船發(fā)射升空，拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷幕.3.

年10月15日9時，我國

宇宙飛船把中國第一位航天員

送入太空，截止到2017年底，我國已經(jīng)將

名航天員送入太空，包括兩名女航天員.4.

年6月，神舟十號分別完成與

空間站的手動和自動交會對接；2016年10月19日，神舟十一號完成與天宮二號空間站的自動交會對接.2017年4月20日，我國發(fā)射了貨運飛船

，入軌后與天宮二號空間站進行自動交會對接、自主快速交會對接等3次交會對接及多項實驗.載人航天與太空探索三1961加加林阿波羅11號2003神舟五號楊利偉112013天宮一號天舟一號即學即用1.判斷下列說法的正誤.(1)在地面上發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度是7.9km/s.(

)(2)人造地球衛(wèi)星的最小繞行速度是7.9km/s.(

)(3)我國向月球發(fā)射的“嫦娥二號”宇宙飛船在地面附近的發(fā)射速度要大于11.2km/s.(

)(4)在地面附近發(fā)射火星探測器的速度應為11.2km/s<v<16.7km/s.(

)(5)由v＝

，高軌道衛(wèi)星運行速度小，故發(fā)射高軌道衛(wèi)星比發(fā)射低軌道衛(wèi)星更容易.(

)√××√×2.已知火星的半徑為R，火星的質(zhì)量為m火，引力常量為G，則火星的第一宇宙速度為

.探究重點提升素養(yǎng)02三個宇宙速度一導學探究不同天體的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的決定因素是什么？知識深化1.第一宇宙速度(1)兩個表達式(2)含義①近地衛(wèi)星的圓軌道運行速度，大小為7.9km/s，也是衛(wèi)星圓軌道的最大運行速度.②人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，需要更多能量.2.第二宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，使之能夠克服地球的引力，永遠離開地球所需的最小發(fā)射速度，其大小為11.2km/s.當發(fā)射速度7.9km/s<v0<11.2km/s時，物體繞地球運行的軌跡是橢圓，且在軌道不同點速度大小一般不同.3.第三宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，使之能夠掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外的最小發(fā)射速度，其大小為16.7km/s.√例2

(2019·湘潭一中期末)某人在一星球上以速率v豎直上拋一物體，經(jīng)時間t后，物體以速率v落回手中.已知該星球的半徑為R，求該星球的第一宇宙速度.(物體只受星球的引力，忽略星球自轉的影響)人造地球衛(wèi)星二1.人造地球衛(wèi)星(1)衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)(如同步軌道)，可以通過兩極上空(極地軌道)，也可以和赤道平面成任意角度，如圖2所示.圖2(2)因為地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球做圓周運動的向心力，所以地心必定是衛(wèi)星圓軌道的圓心.2.近地衛(wèi)星(2)7.9km/s和85min分別是人造地球衛(wèi)星做勻速圓周運動的最大線速度和最小周期.3.同步衛(wèi)星(1)“同步”的含義就是和地面保持相對靜止，所以其周期等于地球自轉周期.(2)特點①定周期：所有同步衛(wèi)星周期均為T＝24h.②定軌道：同步衛(wèi)星軌道必須在地球赤道的正上方，運轉方向必須跟地球自轉方向一致，即由西向東.④定速度：由于同步衛(wèi)星高度確定，則其軌道半徑確定，因此線速度、角速度大小均不變.⑤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也不變.例3

(多選)“靜止”在赤道上空的地球同步氣象衛(wèi)星把廣闊視野內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)發(fā)回地面，為天氣預報提供準確、全面和及時的氣象資料.設地球同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的n倍，下列說法中正確的是A.同步衛(wèi)星距地面的高度是地球半徑的(n－1)倍√√解析地球同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的n倍，所以同步衛(wèi)星距地面的高度是地球半徑的(n－1)倍，A正確；同步衛(wèi)星與地球赤道上的物體具有相同的角速度，根據(jù)v＝rω知，同步衛(wèi)星的運行速度是地球赤道上物體隨地球自轉獲得的速度的n倍，C錯誤；例4如圖3所示，中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng).其中有靜止軌道同步衛(wèi)星和中地球軌道衛(wèi)星.已知中地球軌道衛(wèi)星的軌道高度為5000～15000km，則下列說法正確的是A.中地球軌道衛(wèi)星的線速度小于靜止軌道同步衛(wèi)星的線速度B.上述兩種衛(wèi)星的運行速度可能大于7.9km/sC.中地球軌道衛(wèi)星繞地球一圈的時間小于24小時D.靜止軌道同步衛(wèi)星可以定位于北京的上空圖3√同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、赤道上物體的比較三例5如圖4所示，A為地面上的待發(fā)射衛(wèi)星，B為近地圓軌道衛(wèi)星，C為地球同步衛(wèi)星.三顆衛(wèi)星質(zhì)量相同，三顆衛(wèi)星的線速度大小分別為vA、vB、vC，角速度大小分別為ωA、ωB、ωC，周期分別為TA、TB、TC，向心加速度大小分別為aA、aB、aC，則A.ωA＝ωC<ωBB.TA＝TC<TBC.vA＝vC<vBD.aA＝aC>aB圖4√解析同步衛(wèi)星與地球自轉同步，故TA＝TC，ωA＝ωC，由v＝ωr及a＝ω2r得vC>vA，aC>aA故可知vB>vC>vA，ωB>ωC＝ωA，TB<TC＝TA，aB>aC>aA.選項A正確，B、C、D錯誤.總結提升2.同步衛(wèi)星和赤道上物體都做周期和角速度相同的圓周運動.因此要通過v＝ωr，an＝ω2r比較兩者的線速度和向心加速度的大小.針對訓練

(2018·四川涼山州木里中學高一下期中)如圖5所示，A是地球赤道上隨地球自轉的物體，其向心加速度大小為a1，線速度大小為v1；B是繞地球做勻速圓周運動的近地衛(wèi)星，其向心加速度大小為a2，線速度大小為v2；C是地球同步衛(wèi)星，其軌道半徑為r.已知地球半徑為R，下列關于A、B的向心加速度和線速度的大小關系正確的是圖5√隨堂演練逐點落實031.(對宇宙速度的理解)(多選)(2019·巴蜀中學期末)下列關于三種宇宙速度的說法中正確的是A.人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運行時的速度大于或等于7.9km/s、小于11.2km/sB.火星探測衛(wèi)星的發(fā)射速度大于16.7km/sC.第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛，成為繞太陽運行的

人造行星的最小發(fā)射速度D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最大運行速度1234√√解析根據(jù)v＝

可知，衛(wèi)星的軌道半徑r越大，即距離地面越遠，衛(wèi)星的環(huán)繞速度越小，7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最大運行速度，選項D正確；實際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，故衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運行時的速度都小于第一宇宙速度，選項A錯誤；火星探測衛(wèi)星仍在太陽系內(nèi)，所以其發(fā)射速度小于第三宇宙速度，選項B錯誤；第二宇宙速度是使物體掙脫地球引力束縛而成為太陽的一顆人造行星的最小發(fā)射速度，選項C正確.12342.(對同步衛(wèi)星的認識)(多選)(2019·海師附中期中)下列關于同步通信衛(wèi)星的說法正確的是A.各國發(fā)射的地球同步衛(wèi)星的高度和速率都是相等的B.同步通信衛(wèi)星的角速度雖已確定，但高度和速率可以選擇，高度增加，速率增

大，高度降低，速率減小，仍同步C.我國發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星的周期是114min，它的高度比同步衛(wèi)星低D.同步通信衛(wèi)星的速率比我國發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星速率小1234√√√3.(同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、赤道上物體的比較)(多選)如圖6所示，同步衛(wèi)星與地心的距離為r，運行速率為v1，向心加速度為a1，地球赤道上的物體隨地球自轉的向心加速度為a2，第一宇宙速度為v2，地球半徑為R，則下列關系式正確的是1234√√圖6解析地球同步衛(wèi)星：軌道半徑為r，運行速率為v1，向心加速度為a1；地球赤道上的物體：軌道半徑為R，隨地球自轉的向心加速度為a2；以第一宇宙速度運行的衛(wèi)星為近地衛(wèi)星.對于衛(wèi)星，其共同特點是萬有引力提供向心力，12344.(第一宇宙速度的計算)(2019·岷縣一中期末)已知某星球的質(zhì)量是地球質(zhì)量的81倍，半徑是地球半徑的9倍.已知地球的第一宇宙速度為7.9km/s，則在該星球上發(fā)射一顆人造衛(wèi)星，其發(fā)射人造衛(wèi)星的速度最小是多少？

1234答案23.7km/s1234解析設地球質(zhì)量為M1，半徑為R1；該星球的質(zhì)量為M2，半徑為R2則在該星球上發(fā)射人造衛(wèi)星的速度至少為：v2＝3v1＝23.7km/s.7.4宇宙航行

1.了解人造衛(wèi)星的有關知識；2.知道三個宇宙速度的含義，會推導第一宇宙速度。學習目標思考：地球上的物體，怎樣才能離開地球進行宇宙航行呢？思考：地球上的物體，怎樣才能離開地球進行宇宙航行呢？思考：以多大的速度拋出這個物體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2,地球質(zhì)量M=5.89×1024kg,地球半徑R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2)法一：萬有引力提供物體做圓周運動的向心力法二：在地面附近，重力提供物體做圓周運動的向心力宇宙速度1、第一宇宙速度物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度，叫做第一宇宙速度。思考：1.向高軌道發(fā)射衛(wèi)星與發(fā)射近地衛(wèi)星相比,哪個需要的發(fā)射速度大？為什么？2.高軌道衛(wèi)星與近地衛(wèi)星相比哪個運行速度大？為什么？注意：人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運行速度是兩個不同的概念發(fā)射速度

指被發(fā)射物體離開地面時的速度運行速度

指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉動的線速度第一宇宙速度（V1=7.9km/s）最小發(fā)射速度最大運行速度思考：衛(wèi)星的的關系

小小小大小近地衛(wèi)星的周期是多大？2、第二宇宙速度當物體的速度等于或大于11.2km/s時，它就會克服地球的引力，永遠離開地球。我們把11.2km/s叫做第二宇宙速度。3、第三宇宙速度當物體的速度等于或大于16.7km/s時，物體可以掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙空間。我們把16.7km/s叫做第三宇宙速度。夢想成真1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星1961年4月12日蘇聯(lián)空軍少校加加林乘坐東方一號載人飛船進入太空，實現(xiàn)了人進入太空的夢想1969年7月20日，阿波羅11號將人類送上了月球我國的航天成就

1970年4月24日我國第一顆人造衛(wèi)星升空2007年10月24日嫦娥一號月球探測器發(fā)射成功2010年10月1日嫦娥二號順利發(fā)射2013年12月2日嫦娥三號探測器進入太空，當月14日成功軟著陸于月球2003年10月15日，神舟五號，楊利偉2005年10月12日，神舟六號，費俊龍聶海勝2008年9月25日，神舟七號，翟志剛、劉伯明、景海鵬2011年11月1日，神舟八號順利升空2012年6月16日，神州九號2013年6月11日，神舟十號，聶海勝、張曉光、王亞平2011年9月29日天宮一號發(fā)射升空2011年11月，天宮一號與神舟八號飛船成功對接2012年6月18日神舟九號飛船與天宮一號目標飛行器自動交會對接2013年6月13日，神舟十號飛船與天宮一號順利自動交會對接我國的航天成就2016年9月15日22時04分12秒，天宮二號空間實驗室在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。2016年10月19日凌晨，神州十一號飛船與天宮二號自動交會對接成功。航天員景海鵬、陳東進入天宮二號。2017年9月17日15時29分，地面發(fā)送指令，天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室實施分離。2018年9月15日，天宮二號空間實驗室已圓滿完成2年在軌飛行和各項試驗任務，天宮二號平臺及裝載的應用載荷功能正常、狀態(tài)良好。為進一步發(fā)揮空間應用效益。2019年7月19日21時06分，天宮二號空間實驗室受控離軌并再入大氣層，少量殘骸落入南太平洋預定安全海域。天宮二號受控再入大氣層，標志著中國載人航天工程空間實驗室階段全部任務圓滿完成。我國的航天成就題組一衛(wèi)星運行參量的分析與比較?？碱}型題1[多選］有兩顆質(zhì)量相同的人造衛(wèi)星A、B，其軌道半徑分別為RA、RB，RA∶RB=1∶4，那么下列判斷中正確的有（）A.它們的運行周期之比TA∶TB=1∶8 B.它們的運行線速度之比vA∶vB=4∶1C.它們所受的向心力之比FA∶FB=4∶1 D.它們的運行角速度之比ωA∶ωB=8∶1【解析】A對：據(jù)=mR，可得T=；兩衛(wèi)星軌道半徑之比RA∶RB=1∶4，則它們的運行周期之比TA∶TB=∶:=1∶8。B錯：據(jù)，可得v=；兩衛(wèi)星軌道半徑之比RA∶RB=1∶4，則它們的運行線速度之比vA∶vB=2∶1。C錯：向心力Fn=，質(zhì)量相同的人造衛(wèi)星A、B，軌道半徑之比RA∶RB=1∶4，它們所受的向心力之比FA∶FB=16∶1。D對：據(jù)=mRω2，可得ω=，兩衛(wèi)星軌道半徑之比RA∶RB=1∶4，則它們的運行角速度之比ωA∶ωB=8∶1?！敬鸢浮?/p>

AD題2［多選］“土衛(wèi)5”在距離土星表面高度為h的軌道上做勻速圓周運動。已知土星半徑為R，土星表面的重力加速度為g，引力常量為G，則（）A.“土衛(wèi)5”繞土星運行的周期為B.“土衛(wèi)5”繞行的速度為C.“土衛(wèi)5”繞土星運行的角速度為D.“土衛(wèi)5”軌道處的重力加速度CD題3兩顆人造衛(wèi)星A、B繞地球做圓周運動的周期之比TA∶TB=1∶8，則軌道半徑之比和運行速率之比分別為（）rA∶rB=4∶1

vA∶vB=1∶2 B.rA∶rB=4∶1

vA∶vB=2∶1C.rA∶rB=1∶4

vA∶vB=2∶1 D.rA∶rB=1∶4

vA∶vB=1∶2C題4［2019?天津卷第1題改編］2018年12月8日，肩負著億萬中華兒女探月飛天夢想的“嫦娥四號”探測器成功發(fā)射，“實現(xiàn)人類航天器首次在月球背面巡視探測，率先在月背刻上了中國足跡”。已知月球的質(zhì)量為M、半徑為R，探測器的質(zhì)量為m，引力常量為G，“嫦娥四號”探測器圍繞月球做半徑為r的勻速圓周運動時，探測器的（）

A.周期為 B.速度為C.角速度為 D.向心加速度為A題組二

宇宙速度題5已知火星的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的

，火星的半徑約為地球半徑的

。下列關于火星探測器的說法正確的是

（）A.發(fā)射速度只要高于第一宇宙速度即可B.發(fā)射速度只有達到第三宇宙速度才可以C.發(fā)射速度不能低于第二宇宙速度D.火星探測器環(huán)繞火星運行的最大速度為地球第一宇宙速度的

【解析】A、B錯，C對：火星探測器前往火星，脫離地球引力束縛，還在太陽系內(nèi)，發(fā)射速度應大于第二宇宙速度，可以小于第三宇宙速度。D錯：由

=

得，v=

，已知火星的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的

，火星的半徑約為地球半徑的

，可得火星的第一宇宙速度與地球第一宇宙速度之比

=

=

=

。【答案】C

B題7已知地球兩極處的重力加速度為g，赤道上的物體隨地球做勻速圓周運動的向心加速度為a、周期為T，由此可知地球的第一宇宙速度為（）A. B.C. D.C題組三

同步衛(wèi)星題8

2015年12月29日，“高分四號”衛(wèi)星升空。這是我國“高分”專項首顆高軌道、高分辨率的光學遙感衛(wèi)星，也是世界上空間分辨率很高、幅寬很大的地球同步軌道遙感衛(wèi)星。下列關于“高分四號”地球同步衛(wèi)星的說法中正確的是（）A.該衛(wèi)星定點在北京上空B.該衛(wèi)星定點在赤道上空C.它的高度和速度是一定的，但周期可以是地球自轉周期的整數(shù)倍D.它的周期和地球自轉周期相同，但高度和速度可以選擇，高度增大，速度減小【解析】A錯，B對：“高分四號”地球同步衛(wèi)星相對地面靜止不動，所以必須定點在赤道上空。C、D錯：因為地球同步衛(wèi)星要和地球自轉同步，即它們的周期T與角速度相同，根據(jù)=mω2r=，可知ω一定，則r一定，且v也是確定的?！敬鸢浮?/p>

B題9如圖所示，我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由多顆衛(wèi)星組成，包括分布于a類型軌道的同步軌道衛(wèi)星、分布于b類型軌道的傾斜軌道衛(wèi)星（與同步衛(wèi)星軌道半徑相同，軌道傾角55°）和分布于c類型軌道的中軌道衛(wèi)星，中軌道衛(wèi)星在3個互成120°的軌道面上做圓周運動。下列說法正確的是（）

A.a類型軌道上的衛(wèi)星相對于地面靜止且處于平衡狀態(tài)B.a類型軌道上的衛(wèi)星運行速率等于b類型軌道上衛(wèi)星的運行速率C.b類型軌道上的衛(wèi)星也與地球保持相對靜止D.三類衛(wèi)星相比，c類型軌道上的衛(wèi)星的向心加速度最小B題10［多選］已知地球赤道上的物體隨地球自轉的線速度大小為v1、向心加速度大小為a1，近地衛(wèi)星的線速度大小為v2、向心加速度大小為a2，地球同步衛(wèi)星的線速度大小為v3、向心加速度大小為a3。設近地衛(wèi)星距地面的高度不計，同步衛(wèi)星距地面的高度約為地球半徑的6倍，則以下結論正確的是（）A.=

B.=

C.

D.CD題組四衛(wèi)星變軌問題題11［多選］如圖所示，若關閉動力的航天飛機在月球引力作用下向月球靠近，并將與空間站在B處對接，已知空間站繞月球做勻速圓周運動的軌道半徑為r，周期為T，萬有引力常量為G，下列說法中正確的是（）A.圖中航天飛機正加速飛向B處B.航天飛機在B處由橢圓軌道進入空間站軌道時必須點火減速C.根據(jù)題中條件可以算出月球質(zhì)量D.根據(jù)題中條件可以算出空間站受到月球引力的大小【解析】A對：航天飛機在飛向B處的過程中，受到的引力方向和飛行方向之間的夾角是銳角，使航天飛機加速。B對：由運動的可逆性知，航天飛機在B處要先減速才能由橢圓軌道進入空間站軌道。C對：設繞月球飛行的空間站質(zhì)量為m，據(jù)=可以算出月球質(zhì)量M。D錯：空間站的質(zhì)量未知，不能計算出空間站受到的月球引力大小。【答案】

ABC題12［多選］如圖所示，某次發(fā)射同步衛(wèi)星時，先進入一個近地的圓軌道，然后在P點經(jīng)極短時間點火變速后進入橢圓形轉移軌道（該橢圓軌道的近地點為近地圓軌道上的P點，遠地點為同步軌道上的Q點），到達遠地點時再次經(jīng)極短時間點火變速后，進入同步軌道。設衛(wèi)星在近地圓軌道上運行的速率為v1，在P點經(jīng)極短時間變速后的速率為v2，沿轉移軌道剛到達遠地點Q時的速率為v3，在Q點經(jīng)極短時間變速后進入同步軌道后的速率為v4。下列關系正確的是（）

A.v1<v3 B.v4<v1 C.v3<v4 D.v4<v2BCD題13［多選］某人造地球衛(wèi)星發(fā)射時，先進入橢圓軌道Ⅰ，在遠地點A加速變軌進入圓軌道Ⅱ。已知軌道Ⅰ的近地點B到地心的距離近似等于地球半徑R，遠地點A到地心的距離為3R，則下列說法正確的是（）A.衛(wèi)星在B點的加速度是在A點加速度的3倍B.在B點地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力是在A點地球?qū)πl(wèi)星萬有引力的