2021屆高考物理復(fù)習(xí)課 宇宙航行 教案

教學(xué)設(shè)計

課題宇宙航行

教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)：1.復(fù)習(xí)第一、二、三宇宙速度的概念，能夠推導(dǎo)第一宇宙速度

2.復(fù)習(xí)人造地球衛(wèi)星的特點，能夠比較不同軌道衛(wèi)星的差異，能夠分析變軌問題

3.復(fù)習(xí)雙星系統(tǒng)的特點

教學(xué)重點：第一宇宙速度的推導(dǎo)；同步衛(wèi)星的特點

教學(xué)難點：衛(wèi)星的變軌

教學(xué)過程

時間教學(xué)環(huán)節(jié)主要師生活動

開始一知識結(jié)構(gòu)展示本節(jié)課的知識結(jié)構(gòu)圖

上課二.發(fā)射速度【例題】牛頓設(shè)想，把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，

（宇宙速度）落地點就一次比一次遠(yuǎn)。如果速度足夠大，物體就不再落回地面，

它將繞地球運(yùn)動，成為人造地球衛(wèi)星。同樣是受地球引力，隨著拋

出速度增大，物體會從做平拋運(yùn)動逐漸變?yōu)樽鰣A周運(yùn)動，請分析原

因。

【講解】如果以地表某位置沿水平豎直建立坐標(biāo)系，考慮地球的形

Imin

30

狀，沿水平方向每8000m地面下降5m,所以物體1s走8000m的話

正好不會落地。從這個角度可以確認(rèn)牛頓的猜想。

推導(dǎo)第一宇

而物體初速度較小時，運(yùn)動范圍很小，引力可以看做恒力——重力，

宙速度

即做平拋運(yùn)動。隨著初速度增大，運(yùn)動范圍變大，引力是變力，需

要看成指向地心的萬有引力，當(dāng)萬有引力恰能充當(dāng)衛(wèi)星環(huán)繞地球圓

周引動的向心力時，即成為人造衛(wèi)星。

問題：以多大的速度將物體拋出能成為衛(wèi)星？

3min

30

法①:此時衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動，利用萬有引力提供衛(wèi)星繞地圓周

運(yùn)動的向心力

「Mmv2\GM

G——=m一，v=J------=7.9km/s

r2rVR

法②第一宇宙速度也可以用丫=質(zhì)算出嗎？

請大家回憶生活中的圓周運(yùn)動的知識，我們在汽車過拱橋的時候推

導(dǎo)過。由于地球的形狀，我們可以把繞地運(yùn)動的物體當(dāng)成過拱橋

2

mg=m-,v=->/gr=\[gR=7.9km/s

這個速度就是指發(fā)射成為衛(wèi)星的最小速度，是發(fā)射速度，這個數(shù)值

特指第一宇宙速度：地面附近發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度，大小為

7.9km/s。也是所有圓軌道上的最大速度，后面咱們會復(fù)習(xí)。

發(fā)射速度v211.2km/s時，衛(wèi)星就會掙脫地球引力束縛，永遠(yuǎn)離開地

球。11.2km/s叫第一宇宙速度。

5min

30

如果發(fā)射速度v*6.7km/s,物體就擺脫了太陽引力的束縛，飛到太

陽系以外了16.7km/s叫第三宇宙速度。

下面我們通過圖梳理衛(wèi)星的運(yùn)動軌跡與三個宇宙速度的關(guān)系。

二.環(huán)繞速度

（若發(fā)射速度7.9km/s<v<11.2km/s，衛(wèi)星的速度大于它繞地球運(yùn)行

的軌跡就不是圓，而是橢圓）

舉例：比如神州系列載人航天飛船一般都是在近地軌道運(yùn)行（距地

面200km左右），對應(yīng)第一宇宙速度；天問一號火星探測器要脫離地

球束縛到達(dá)火星，他們對應(yīng)第二宇宙速度；美國的旅行者探測器是

7min

飛往太陽系外的空間探測器，對應(yīng)第三宇宙速度。

【練習(xí)】金星的半徑是地球半徑的95%,質(zhì)量為地球質(zhì)量的82%,

衛(wèi)星的分類金星表面的自由落體的加速度是多大？金星的“第一宇宙速度”是多

大？

忽略星球自轉(zhuǎn)

g金_M金R地GMm

三.同步衛(wèi)星g地〃地RjR2mg

2

^=0.91gtt=8.9m/s

解得羅智

巧=Jg金庫=。93出地時=7.3km/s

環(huán)繞速度：指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地轉(zhuǎn)動的線速度

lOmin

【例題】：請比較兩顆衛(wèi)星的線速度、角速度、

周期和向心加速度的大?。╘

利用萬有引力提供向心力的公式推導(dǎo)

"MmV2\GM

15min

利用萬有引力提供向心力，將向心力表達(dá)式做變換得到線速度、角

速度、向心加速度和周期與半徑r的關(guān)系。

/■越大,v越??；r越小，v越大（當(dāng)r代入地球半徑R時，v=7.9km/s,

第一宇宙速度是衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是衛(wèi)星最大的環(huán)繞速度

按照軌道分類：極地軌道、赤道軌道、傾斜軌道衛(wèi)星等

按照高度分類：近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星等

問題：同步衛(wèi)星能不能在北京上空？

四.變軌

受力分析，得出不能

同步衛(wèi)星的特點：①軌道平面與赤道平面重合

②運(yùn)行角速度等于地球自轉(zhuǎn)角速度

③運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，在赤道上空某點相對地球靜止

20min

④高度：約三萬六千公里

⑤運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致

說明：廣義的講地球同步衛(wèi)星分為同步軌道靜止衛(wèi)星、傾斜軌道同

步衛(wèi)星和極地軌道同步衛(wèi)星.我們中學(xué)階段主要討論的是同步軌道靜

止衛(wèi)星。

總結(jié)：所有衛(wèi)星軌道的圓心都在地心

北斗系統(tǒng)空間段的組成

①地球靜止軌道衛(wèi)星

25min

②傾斜地球同步軌道衛(wèi)星

③中圓地球軌道衛(wèi)星等組成。

總結(jié)衛(wèi)星的分類——三種常見衛(wèi)星：近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、月球

【練習(xí)】中國計劃2020年左右建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由5顆靜止軌道衛(wèi)星（離地高度約36000km）、27

拓展：

顆中地球軌道衛(wèi)星（離地高度約21000km）及其它軌道衛(wèi)星共35顆組

雙星系統(tǒng)

成。則：（B）

gB

A.靜止軌道衛(wèi)星指相對地表靜止，它2^-^.

可定位在北京正上空vy]

B.中地球軌道衛(wèi)星比同步衛(wèi)星線速度大\/

C.中地球軌道衛(wèi)星周期大于24小時

D.靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)射速度小于第一宇宙速度

【練習(xí)】地球赤道上有一物體隨地球的自轉(zhuǎn)而做圓周運(yùn)動，所受的

向心力為Q,向心加速度為0,線速度為V1,角速度為W|；繞地球

表面附近做圓周運(yùn)動的人造衛(wèi)星所受的向心力為F2,向心加速度為

。2,線速度為V2,角速度為（02；地球同步衛(wèi)星所受的向心力為B,

向心加速度為的，線速度為V3,角速度為g；地球表面重力加速度

為g,第一宇宙速度為v.若三者質(zhì)量相等，則D

A.F\=F2>F3

B.0=“2=g>的

C.V|=V2=V>V3

D.CO]=ci>3<602

前面我們復(fù)習(xí)了三個宇宙速度，但是目前人類的火箭發(fā)射能力不足

以使得這些航天器在地表附近就獲得非常大的宇宙速度，還需要在

35min飛行過程中通過多級火箭推進(jìn)進(jìn)行多次加速，讓衛(wèi)星通過變軌達(dá)到

更高的軌道甚至離開地球成為月球衛(wèi)星。

【例題】設(shè)衛(wèi)星在近地圓軌道上運(yùn)行的速率為以，在A點短時間加

速后的速率為V2,沿轉(zhuǎn)移軌道剛到達(dá)遠(yuǎn)地點B時的速率為V3,在B

點短時間加速后進(jìn)入同步軌道后的速率為V4O試比較VH也、丫3、V4

小結(jié)的大小。

A點：I—>11做離心運(yùn)動,加速,V|<V2

B點：H—>111做離心運(yùn)動，加速，丫3<吠4

V4<V|V3VV4<V|<V2

（海淀二模）2018年12月8日2時23分，我國成功發(fā)射“嫦娥四號”

探測器。探測器經(jīng)歷繞地飛行、地月轉(zhuǎn)移、近月制動（太空剎車人

繞月飛行，最終于2019年1月3日10時26分實現(xiàn)了人類首次在月

球背面軟著陸，其運(yùn)動軌跡如圖所示。假設(shè)“嫦娥四號”質(zhì)量保持不

變，其在繞月圓軌道和繞月橢圓軌道上運(yùn)動時只受到月球的萬有引

力，則下列說法中正確的是C

A.沿軌道I繞地運(yùn)行過程中，在“點的速度小于在b點的速度

B.沿軌道I繞地運(yùn)行的機(jī)械能與沿軌道n繞地運(yùn)行的機(jī)械能相等

C.近月制動后先沿軌道①繞月運(yùn)行，經(jīng)變軌最后才沿軌道③運(yùn)行

D.沿軌道①②③繞月運(yùn)行的周期相同

例題：如右圖，質(zhì)量分別為m和M的兩個星球A和B在引力作用

下都繞O點做勻速周運(yùn)動，星球A和B兩者中心之間距離為Lo已

知A、B的中心和O三點始終共線，A和B分別在。的兩側(cè)。引力

常數(shù)為Go

(1)求兩星球做圓周運(yùn)動的周期。

(2)在地月系統(tǒng)中，若忽略其它星球的影響，可以將月球和地球看成

上述星球A和B,月球繞其軌道中心運(yùn)

行為的周期記為rlo但在近似處理問題

At—

時，常常認(rèn)為月球是繞地心做圓周運(yùn)動\

J-"J

的，這樣算得的運(yùn)行周期T2O已知地球

和月球的質(zhì)量分別為5.98x1024kg和7.35xlO22kg。求心與力兩者

平方之比。(結(jié)果