2024-2025學年新教材高中物理第七章萬有引力與宇宙航行第4節(jié)宇宙航行學案新人教版必修2

PAGE1-第4節(jié)宇宙航行學習目標1.理解人造地球衛(wèi)星的最初構(gòu)想。2.知道三個宇宙速度的含義,會推導第一宇宙速度。3.了解人造衛(wèi)星有關(guān)學問,正確理解人造衛(wèi)星做勻速圓周運動時,各物理量之間的關(guān)系。自主預習一、宇宙速度[填空]1.第一宇宙速度(firstcosmicvelocity):是衛(wèi)星在旁邊(h?R)繞地球做的速度。

2.其次宇宙速度(secondcosmicvelocity):使物體擺脫的束縛,成為繞太陽運行的人造行星的最放射速度。

3.第三宇宙速度(thirdcosmicvelocity):使物體擺脫束縛的最放射速度。

二、人造地球衛(wèi)星[填空]1.通信衛(wèi)星(地球同步衛(wèi)星):相對于地面是的,跟地球自轉(zhuǎn)的衛(wèi)星,同步衛(wèi)星也叫衛(wèi)星。

2.特點:定;定;定;定。

課堂探究[情境設問1]通過閱讀課本、查閱科普資料,你能說出人造衛(wèi)星的軌道特點嗎?能通過力學分析得出確定這一軌道特點的緣由嗎?(一)人造衛(wèi)星的三種軌道視察得出:衛(wèi)星的軌道平面必需通過

分析緣由:

[情境設問2]如圖所示,在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》中,牛頓設想:把物體從高山上水平拋出,速度一次比一次大,落地點也就一次比一次遠;拋出速度足夠大時,物體就不會落回地面,成為人造地球衛(wèi)星。你知道這個速度原委有多大嗎?(二)宇宙速度定義大小/km·s-1第一宇宙速度(環(huán)繞速度)是衛(wèi)星在旁邊(h?R)繞地球做的速度。

是在地球上勝利放射衛(wèi)星的放射速度

其次宇宙速度(脫離速度)使物體擺脫的束縛,成為繞太陽運行的人造行星的最放射速度,

第三宇宙速度(逃逸速度)使物體擺脫束縛的最放射速度

[科學推理與論證]請同學們依據(jù)萬有引力定律和牛頓其次定律,推導第一宇宙速度的大小。推導依據(jù):①定義:軌道半徑r

②地面處供應向心力

(設地球質(zhì)量M,半徑R。繞地球做勻速圓周運動飛行器質(zhì)量m,軌道半徑r。重力加速度g)(1)萬有引力供應向心力(2)重力供應向心力結(jié)論:第一宇宙速度只由確定,與衛(wèi)星。

[思索與探討]從得式(1)可以看出:飛行器離地心越遠,它運行的速度。

靠近地面時,r近似等于多少?將地球半徑帶入上式,此時飛行器運行速度是多少?[例題展示]【例題1】人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動,其速率是下列的哪種狀況: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:該速率是運行速度的大小,不是衛(wèi)星的放射速度[學問窗](1)放射速度:放射速度是指衛(wèi)星在地面旁邊離開放射裝置的初速度,一旦放射后再無能量補充,要放射一顆人造地球衛(wèi)星,放射速度不能小于第一宇宙速度。(2)運行速度:運行速度指衛(wèi)星在進入運行軌道后繞地球做圓周運動的線速度。當衛(wèi)星“貼著”地面飛行時,運行速度等于第一宇宙速度,當衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時,運行速度小于第一宇宙速度?？偨Y(jié):第一宇宙速度的意義:A.是人造地球衛(wèi)星在繞地球做勻速圓周運動的速度

B.是人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最運行速度

C.是在地面旁邊放射人造地球衛(wèi)星的最放射速度

【變式訓練1】通過對以上三種宇宙速度的學習,如右圖,請寫出圖中①②③④⑤五種狀況下衛(wèi)星的放射速度范圍與軌道特點①v:(選填“能”或“不能”)勝利放射衛(wèi)星→

②v:剛好能勝利放射近地圓軌道人造衛(wèi)星

③v:繞地運行衛(wèi)星,軌道

④v:衛(wèi)星脫離地球引力束縛,成為其他行星的衛(wèi)星,或……

⑤v:衛(wèi)星脫離太陽引力束縛,成為其他星系的衛(wèi)星,或……

光滑平面上俯視圖[情境設問3]做圓周運動的物體一旦供應的向心力消逝或不足,物體將做遠離圓心的運動,這種現(xiàn)象叫離心現(xiàn)象。若衛(wèi)星運動過程中在某點受到的萬有引力與衛(wèi)星做圓周運動所需向心力不相等時,衛(wèi)星如何運動?三、通信衛(wèi)星(地球同步衛(wèi)星)1.定義:相對于地面的,跟地球自轉(zhuǎn)的衛(wèi)星,同步衛(wèi)星也叫衛(wèi)星。

2.特點:①定周期,即運行周期等于;

②定軌道平面,即運行平面在;

③定高度,即離地面高度;

④定速度,即運行速度。

四、載人航天與太空探究從1961年4月12日,蘇聯(lián)航天員加加林進入了東方一號載人飛船,到1969年7月16日9時32分,運載阿波11號飛船的土星5號火箭在美國卡納維拉爾角點火升空,拉開人類登月這一宏大歷史事務的帷幕。再到2003年10月15日9時,我國神舟五號宇宙飛船把中國第一位航天員楊利偉送入太空,2013年6月,神舟十號分別完成與天宮一號空間站的手動和自動交會對接;2024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。2024年4月20日,我國又放射了貨運飛船天舟一號,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次交會對接及多項試驗。人類探究太空的步伐從未停止過。人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕,將來的探究之路還很長。人類在月球上留下了自己的蹤跡中國第一位航天員楊利偉[例題展示]【例題2】同步衛(wèi)星是相對于地面靜止的與地球具有相同周期的衛(wèi)星,周期T=24h同步衛(wèi)星必位于赤道上方h,且h肯定的,已知地球半徑R=6400km,試計算同步衛(wèi)星的高度和速率?！咀兪接柧?】用m表示人造地球同步衛(wèi)星的質(zhì)量,h表示它離地面的高度,R表示地球的半徑,g表示地球表面的重力加速度,ω表示地球自轉(zhuǎn)的角速度,則同步衛(wèi)星所受地球?qū)λΥ笮∈?)A.0 B. C. D.mg參考答案自主預習一、1.地面勻速圓周運動2.地球小3.太陽小二、1.靜止同步通信2.周期軌道平面高度速度【例題1】答案:B例題分析:人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動,該速率是運行速度的大小,不是衛(wèi)星的放射速度,由天體運動受到萬有引力供應向心力,G=m,可得v=,衛(wèi)星的軌道半徑r越大,做圓周運動的速度v就越小。因此選B?！咀兪接柧?】①v<7.9km/s不能勝利放射衛(wèi)星→衛(wèi)星落地②v=7.9km/s剛好能勝利放射近地圓軌道人造衛(wèi)星③7.9km/s<v<11.2km/s繞地運行衛(wèi)星,軌道為橢圓④11.2km/s≤v<16.7km/s衛(wèi)星脫離地球引力束縛,成為其他行星的衛(wèi)星,或……⑤v≥16.7km/s衛(wèi)星脫離太陽引力束縛,成為其他星系的衛(wèi)星,或……【例題2】例題分析:依據(jù)同步衛(wèi)星受力分析可知,萬有引力供應衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力,由向心力方程可知G=mr,可得r=則h=r-R=-R=36000km則v==3.08km/s【變式訓練2】C學習目標1.理解人造地球衛(wèi)星的最初構(gòu)想。2.知道三個宇宙速度的含義,會推導第一宇宙速度。3.了解人造衛(wèi)星有關(guān)學問,正確理解人造衛(wèi)星做勻速圓周運動時,各物理量之間的關(guān)系。課堂探究[課前練習]復習天體運動,并完成相關(guān)練習。練習1:(多選)假如一做圓周運動的人造地球衛(wèi)星的軌道半徑增大到原來的兩倍,仍做圓周運動,A.由v=ωr,知衛(wèi)星運動線速度將增大到原來的2倍B.由F=,知衛(wèi)星所需向心力將減小到原來C.由F=,知地球供應向心力將減小到原來D.由B、C給出公式,知衛(wèi)星線速度減小到原來[歷史蹤跡]牛頓設想:鉛球是這樣成為人造衛(wèi)星的【問題串】1.模擬動畫中,最終鉛球繞地球在做什么運動?

2.是什么力供應它做圓周運動的向心力?

3.假如F萬>F向,鉛球會如何運動?

4.假如F萬<F向,鉛球會如何運動?

5.在什么狀況下鉛球才會穩(wěn)定地圍繞地球做圓周運動?

此時鉛球的速度應當多大呢?[科學推理與論證](算一算):若已知G=6.67×10-11N·m2/kg2,地球質(zhì)量M=5.98×1024kg,地球半徑R=6400km,鉛球以多大的速度才能繞地球表面運動成為地球的一顆衛(wèi)星?(算一算)若地球質(zhì)量未知,而知道地球表面處的重力加速度和地球半徑,如何求得這個速度?[思索探討1]若放射速度大于7.9km/s,衛(wèi)星的運動將會怎樣呢?閱讀課本P60完成學問點一相關(guān)表格填寫。[思索探討2]通過查閱資料,自學課件,歸納總結(jié)人造衛(wèi)星的軌道特點。[思索探討3]通過閱讀課本P61,自學課件,歸納總結(jié)人造地球衛(wèi)星的應用——通信衛(wèi)星(地球同步衛(wèi)星)的相關(guān)特點。[思索探討4]同步衛(wèi)星距地面h=5.6R,怎樣放射同步衛(wèi)星?[學問點總結(jié)]一、宇宙速度1.第一宇宙速度:v=。

留意:上式對其他天體也適用,R為天體半徑,M為天體質(zhì)量,g為天體表面的重力加度,G為引力常量。(1)第一宇宙速度的物理意義:a.是人造地球衛(wèi)星在繞地球做的速度。

b.是在地面旁邊放射人造地球衛(wèi)星的最放射速度。

c.是人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最運行速度。

(2)區(qū)分人造衛(wèi)星的放射速度與運行速度放射速度:是指被放射物體在地面旁邊離開放射裝置時的速度。運行速度:是指衛(wèi)星在進入軌道后繞地球做勻速圓周運動的線速度。定義大小第一宇宙速度(環(huán)繞速度)是衛(wèi)星在旁邊(h?R)繞在球做的速度。是在地球上勝利放射衛(wèi)星的放射速度

其次宇宙速度(脫離速度)使物體擺脫的束縛,成為繞太陽運行的最放射速度

第三宇宙速度(逃逸速度)使物體擺脫束縛的最放射速度

二、人造衛(wèi)星的軌道特點1.衛(wèi)星繞地球做運動。

2.供應向心力:全部衛(wèi)星都在以地心為圓心的圓(或橢圓)軌道上運動。

三、人造地球衛(wèi)星的應用——通信衛(wèi)星(地球同步衛(wèi)星)1.定義:相對于地面是的,跟地球自轉(zhuǎn)的衛(wèi)星,同步衛(wèi)星也叫通信衛(wèi)星。

2.特點:五個肯定四、衛(wèi)星變軌內(nèi)軌變外軌,;

外軌變內(nèi)軌,。

所以,遠地圓軌道衛(wèi)星,是由軌道變軌而來的。

五、載人航天與太空探究廣袤的宇宙,有著許很多多這樣炫目的場面!但這些都應當是可以被我們?nèi)祟愃J知的?？隙〞心菢拥囊惶?人類真正地翱翔于茫茫宇宙之中!信任你們肯定會為人類的航天事業(yè)作出應有的貢獻。核心素養(yǎng)專練1.人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動,其速率是下列的哪種狀況: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.問題:a、b、c三軌道中可以作為衛(wèi)星軌道的是哪一條?3.①衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點的加速度與衛(wèi)星在軌道3上經(jīng)過P點的加速度大小關(guān)系?②衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點的速度與衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點的速度大小關(guān)系?課后探究作業(yè)1.閱讀教材中的“科學閑逛”和“STSE”材料。2.上網(wǎng)查閱:人造衛(wèi)星的種類、同步衛(wèi)星的含義及特點。3.上中國探月網(wǎng)。4.思索放射衛(wèi)星的最佳地點與最佳方向。參考答案課前練習CD歷史蹤跡1.勻速圓周運動2.地球?qū)︺U球的萬有引力3.向心運動4.離心運動5.萬有引力等于向心力鉛球的速度為7.9km/s?？茖W推理與論證G=mv=代入數(shù)據(jù)得:v=7.9km/smg=mv=代入數(shù)據(jù)得:v=7.9km/s學問點總結(jié)一、宇宙速度1.7.9km/s(1)a.地面旁邊勻速圓周運動b.小c.大定義大小第一宇宙速度(環(huán)繞速度)是衛(wèi)星在地面旁邊(h?R)繞地球做勻速圓周運動的速度。是在地球上勝利放射衛(wèi)星的最小放射速度7.9km/s其次宇宙速度(脫離速度