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

PAGE1-第4節(jié)宇宙航行學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解人造地球衛(wèi)星的最初構(gòu)想。2.知道三個(gè)宇宙速度的含義,會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。3.了解人造衛(wèi)星有關(guān)學(xué)問,正確理解人造衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),各物理量之間的關(guān)系。自主預(yù)習(xí)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(yáng)運(yùn)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(duì)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(diǎn):定;定;定;定。

課堂探究[情境設(shè)問1]通過閱讀課本、查閱科普資料,你能說(shuō)出人造衛(wèi)星的軌道特點(diǎn)嗎?能通過力學(xué)分析得出確定這一軌道特點(diǎn)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(shè)問2]如圖所示,在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中,牛頓設(shè)想:把物體從高山上水平拋出,速度一次比一次大,落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn);拋出速度足夠大時(shí),物體就不會(huì)落回地面,成為人造地球衛(wèi)星。你知道這個(gè)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(yáng)運(yùn)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(xué)推理與論證]請(qǐng)同學(xué)們依據(jù)萬(wàn)有引力定律和牛頓其次定律,推導(dǎo)第一宇宙速度的大小。推導(dǎo)依據(jù):①定義:軌道半徑r

②地面處供應(yīng)向心力

(設(shè)地球質(zhì)量M,半徑R。繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)飛行器質(zhì)量m,軌道半徑r。重力加速度g)(1)萬(wàn)有引力供應(yīng)向心力(2)重力供應(yīng)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(yuǎn),它運(yùn)行的速度。

靠近地面時(shí),r近似等于多少?將地球半徑帶入上式,此時(shí)飛行器運(yùn)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(yùn)動(dòng),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(yùn)行速度的大小,不是衛(wèi)星的放射速度[學(xué)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(wú)能量補(bǔ)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(yùn)行速度:運(yùn)行速度指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時(shí),運(yùn)行速度等于第一宇宙速度,當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時(shí),運(yùn)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(yùn)動(dòng)的速度

B.是人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最運(yùn)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(xùn)練1】通過對(duì)以上三種宇宙速度的學(xué)習(xí),如右圖,請(qǐng)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(diǎn)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(yùn)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(yáng)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(shè)問3]做圓周運(yùn)動(dòng)的物體一旦供應(yīng)的向心力消逝或不足,物體將做遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng),這種現(xiàn)象叫離心現(xiàn)象。若衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過程中在某點(diǎn)受到的萬(wàn)有引力與衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力不相等時(shí),衛(wèi)星如何運(yùn)動(dòng)?三、通信衛(wèi)星(地球同步衛(wèi)星)1.定義:相對(duì)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(diǎn):①定周期,即運(yùn)行周期等于;

②定軌道平面,即運(yùn)行平面在;

③定高度,即離地面高度;

④定速度,即運(yùn)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(jìn)入了東方一號(hào)載人飛船,到1969年7月16日9時(shí)32分,運(yùn)載阿波11號(hào)飛船的土星5號(hào)火箭在美國(guó)卡納維拉爾角點(diǎn)火升空,拉開人類登月這一宏大歷史事務(wù)的帷幕。再到2003年10月15日9時(shí),我國(guó)神舟五號(hào)宇宙飛船把中國(guó)第一位航天員楊利偉送入太空,2013年6月,神舟十號(hào)分別完成與天宮一號(hào)空間站的手動(dòng)和自動(dòng)交會(huì)對(duì)接;2024年10月19日,神舟十一號(hào)完成與天宮二號(hào)空間站的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。2024年4月20日,我國(guó)又放射了貨運(yùn)飛船天舟一號(hào),入軌后與天宮二號(hào)空間站進(jìn)行自動(dòng)交會(huì)對(duì)接、自主快速交會(huì)對(duì)接等3次交會(huì)對(duì)接及多項(xiàng)試驗(yàn)。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(lái)的探究之路還很長(zhǎng)。人類在月球上留下了自己的蹤跡中國(guó)第一位航天員楊利偉[例題展示]【例題2】同步衛(wèi)星是相對(duì)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(jì)算同步衛(wèi)星的高度和速率?！咀兪接?xùn)練2】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(yù)習(xí)一、1.地面勻速圓周運(yùn)動(dòng)2.地球小3.太陽(yáng)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(yùn)動(dòng),該速率是運(yùn)行速度的大小,不是衛(wèi)星的放射速度,由天體運(yùn)動(dòng)受到萬(wàn)有引力供應(yīng)向心力,G=m,可得v=,衛(wèi)星的軌道半徑r越大,做圓周運(yùn)動(dòng)的速度v就越小。因此選B?！咀兪接?xùn)練1】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(yùn)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(yáng)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(wàn)有引力供應(yīng)衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)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(xùn)練2】C學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解人造地球衛(wèi)星的最初構(gòu)想。2.知道三個(gè)宇宙速度的含義,會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。3.了解人造衛(wèi)星有關(guān)學(xué)問,正確理解人造衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),各物理量之間的關(guān)系。課堂探究[課前練習(xí)]復(fù)習(xí)天體運(yùn)動(dòng),并完成相關(guān)練習(xí)。練習(xí)1:(多選)假如一做圓周運(yùn)動(dòng)的人造地球衛(wèi)星的軌道半徑增大到原來(lái)的兩倍,仍做圓周運(yùn)動(dòng),A.由v=ωr,知衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)線速度將增大到原來(lái)的2倍B.由F=,知衛(wèi)星所需向心力將減小到原來(lái)C.由F=,知地球供應(yīng)向心力將減小到原來(lái)D.由B、C給出公式,知衛(wèi)星線速度減小到原來(lái)[歷史蹤跡]牛頓設(shè)想:鉛球是這樣成為人造衛(wèi)星的【問題串】1.模擬動(dòng)畫中,最終鉛球繞地球在做什么運(yùn)動(dòng)?

2.是什么力供應(yīng)它做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力?

3.假如F萬(wàn)>F向,鉛球會(huì)如何運(yùn)動(dòng)?

4.假如F萬(wàn)<F向,鉛球會(huì)如何運(yùn)動(dòng)?

5.在什么狀況下鉛球才會(huì)穩(wěn)定地圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)?

此時(shí)鉛球的速度應(yīng)當(dāng)多大呢?[科學(xué)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(yùn)動(dòng)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(gè)速度?[思索探討1]若放射速度大于7.9km/s,衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)將會(huì)怎樣呢?閱讀課本P60完成學(xué)問點(diǎn)一相關(guān)表格填寫。[思索探討2]通過查閱資料,自學(xué)課件,歸納總結(jié)人造衛(wèi)星的軌道特點(diǎn)。[思索探討3]通過閱讀課本P61,自學(xué)課件,歸納總結(jié)人造地球衛(wèi)星的應(yīng)用——通信衛(wèi)星(地球同步衛(wèi)星)的相關(guān)特點(diǎn)。[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(xué)問點(diǎn)總結(jié)]一、宇宙速度1.第一宇宙速度:v=。

留意:上式對(duì)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(yùn)動(dòng)的最運(yùn)行速度。

(2)區(qū)分人造衛(wèi)星的放射速度與運(yùn)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(shí)的速度。運(yùn)行速度:是指衛(wèi)星在進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)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(yáng)運(yùn)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(diǎn)1.衛(wèi)星繞地球做運(yùn)動(dòng)。

2.供應(yīng)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(yùn)動(dòng)。

三、人造地球衛(wèi)星的應(yīng)用——通信衛(wèi)星(地球同步衛(wèi)星)1.定義:相對(duì)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(diǎn):五個(gè)肯定四、衛(wèi)星變軌內(nèi)軌變外軌,;

外軌變內(nèi)軌,。

所以,遠(yuǎn)地圓軌道衛(wèi)星,是由軌道變軌而來(lái)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(chǎng)面!但這些都應(yīng)當(dāng)是可以被我們?nèi)祟愃J(rèn)知的?？隙〞?huì)有那樣的一天,人類真正地翱翔于茫茫宇宙之中!信任你們肯定會(huì)為人類的航天事業(yè)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。核心素養(yǎng)專練1.人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),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(diǎn)的加速度與衛(wèi)星在軌道3上經(jīng)過P點(diǎn)的加速度大小關(guān)系?②衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點(diǎn)的速度與衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點(diǎn)的速度大小關(guān)系?課后探究作業(yè)1.閱讀教材中的“科學(xué)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(diǎn)。3.上中國(guó)探月網(wǎng)。4.思索放射衛(wèi)星的最佳地點(diǎn)與最佳方向。參考答案課前練習(xí)CD歷史蹤跡1.勻速圓周運(yùn)動(dòng)2.地球?qū)︺U球的萬(wàn)有引力3.向心運(yùn)動(dòng)4.離心運(yùn)動(dòng)5.萬(wàn)有引力等于向心力鉛球的速度為7.9km/s?？茖W(xué)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(xué)問點(diǎn)總結(jié)一、宇宙速度1.7.9km/s(1)a.地面旁邊勻速圓周運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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