新教材同步系列2024春高中物理第三章萬(wàn)有引力定律第四節(jié)宇宙速度與航天課件粵教版必修第二冊(cè)

第三章萬(wàn)有引力定律第四節(jié)宇宙速度與航天學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)法指導(dǎo)1．知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度2．了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)，掌握人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系3．了解人類對(duì)太空探索的歷程及我國(guó)衛(wèi)星發(fā)射的情況1．通過(guò)近地衛(wèi)星的運(yùn)行推導(dǎo)第一宇宙速度并計(jì)算其數(shù)值，同時(shí)理解第二、第三宇宙速度的含義2．通過(guò)對(duì)地球衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的分析，掌握不同高度衛(wèi)星的線速度、角速度、周期和加速度的特點(diǎn)知識(shí)導(dǎo)圖課前·自主預(yù)習(xí)宇宙速度宇宙速度數(shù)值意義第一宇宙速度____km/s(1)衛(wèi)星環(huán)繞地球表面運(yùn)行的速度，也是繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的______速度(2)使衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的______地面發(fā)射速度第二宇宙速度____km/s使衛(wèi)星掙脫______引力束縛的______地面發(fā)射速度第三宇宙速度____km/s使衛(wèi)星掙脫______引力束縛的______地面發(fā)射速度7.9最大最小11.2地球最小16.7太陽(yáng)最小關(guān)于宇宙速度，下列說(shuō)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【答案】A

【解析】第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是地球衛(wèi)星繞地球飛行的最大速度，A正確、B錯(cuò)誤；第二宇宙速度是在地面上發(fā)射物體，使之成為繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)或繞其他行星運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星所必需的最小發(fā)射速度，C錯(cuò)誤；第三宇宙速度是在地面上發(fā)射物體，使之飛到太陽(yáng)系以外的宇宙空間所必需的最小發(fā)射速度，D錯(cuò)誤．1．________年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功．2．________年4月24日，我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號(hào)”發(fā)射成功．為我國(guó)航天事業(yè)作出特殊貢獻(xiàn)的科學(xué)家__________被譽(yù)為“中國(guó)航天之父”．3．地球同步衛(wèi)星：(1)位于_______上方，高度約為________km．(2)相對(duì)地面______，周期與__________周期相同．人造衛(wèi)星19571970錢學(xué)森赤道36000靜止地球自轉(zhuǎn)1．1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員________乘坐“東方1號(hào)”載人飛船首次成功進(jìn)入太空．2．1969年7月美國(guó)“阿波羅11號(hào)”登上______．3．2003年10月15日我國(guó)航天員________踏入太空．4．2013年6月，“神舟十號(hào)”分別完成與“天宮一號(hào)”的手動(dòng)和自動(dòng)交會(huì)________．載人航天與太空探索加加林月球楊利偉對(duì)接課堂·重難探究1．發(fā)射速度指衛(wèi)星直接從地面發(fā)射后離開地面時(shí)的速度，相當(dāng)于在地面上用一門威力強(qiáng)大的大炮將衛(wèi)星轟出炮口時(shí)的速度，衛(wèi)星離開炮口后，不再對(duì)衛(wèi)星提供動(dòng)力．現(xiàn)實(shí)中并非這樣發(fā)射衛(wèi)星，而是由火箭推送經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的加速，最終送入預(yù)定軌道并運(yùn)行工作．宇宙速度的推導(dǎo)和理解例1

恒星演化發(fā)展到一定階段，可能成為中子星．中子星的半徑較小，一般在7～20km，但它的密度大得驚人．若某中子星的半徑為10km，密度為1.2×1017kg/m3，那么該中子星的第一宇宙速度約為(

)A．7.9km/s B．16.7km/sC．2.9×104km/s D．5.8×104km/s【答案】D

變式1

(多選)(2023年佛山期中)如圖所示，牛頓在思考萬(wàn)有引力定律時(shí)就曾設(shè)想，把物體從高山上O點(diǎn)以不同的速度v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)．如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為人造地球衛(wèi)星，則下列說(shuō)法正確的是(

)A．以v<7.9km/s的速度拋出的物體可能落在A點(diǎn)B．以v<7.9km/s的速度拋出的物體將沿B軌道運(yùn)動(dòng)C．以7.9km/s<v<11.2km/s的速度拋出的物體可能沿C軌道運(yùn)動(dòng)D．以11.2km/s<v<16.7km/s的速度拋出的物體可能沿C軌道運(yùn)動(dòng)【答案】AC

【解析】物體拋出速度v<7.9km/s時(shí)必落回地面，物體拋出速度v＝7.9km/s時(shí)，物體剛好能不落回地面，繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，故A正確，B錯(cuò)誤；當(dāng)物體拋出速度7.9km/s<v<11.2km/s時(shí)，物體在拋出點(diǎn)做離心運(yùn)動(dòng)，但物體不能脫離地球引力束縛，故物體做橢圓運(yùn)動(dòng)，可能沿C軌道運(yùn)動(dòng)，故C正確；當(dāng)物體拋出速度v>11.2km/s時(shí)，物體會(huì)脫離地球引力束縛，不可能沿C軌道運(yùn)動(dòng)，故D錯(cuò)誤．1．衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)隨軌道半徑變化的規(guī)律設(shè)衛(wèi)星的軌道半徑為r，線速度大小為v，角速度大小為ω，周期為T，向心加速度大小為a．人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律2．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(guò)兩極上空(極地軌道)，也可以和赤道平面成任意角度，如圖所示．(2)因?yàn)榈厍驅(qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力提供了衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，所以地心必定是衛(wèi)星圓軌道的圓心．(2)同步衛(wèi)星：位于地球赤道上方，相對(duì)于地面靜止不動(dòng)，它的角速度跟地球的自轉(zhuǎn)角速度相同，廣泛應(yīng)用于通信，又叫同步通信衛(wèi)星．(3)極地衛(wèi)星：軌道平面與赤道平面夾角為90°的人造地球衛(wèi)星，運(yùn)行時(shí)能到達(dá)南北極上空．例2

(2023年廣州番禺期末)如圖，A、B兩顆衛(wèi)星圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則

(

)A．A的周期大于B的周期B．A的角速度大于B的角速度C．A的運(yùn)行速率大于B的運(yùn)行速率D．A的向心加速度大于B的向心加速度【答案】A

變式2

(2023年廣州第一一三中學(xué)期末)如圖是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中部分衛(wèi)星軌道示意圖．已知a、b、c三顆衛(wèi)星均做圓周運(yùn)動(dòng)，a是地球同步衛(wèi)星，則

(

)A．衛(wèi)星a的角速度小于c的角速度B．衛(wèi)星a的加速度大于b的加速度C．衛(wèi)星a的運(yùn)行速度大于第一宇宙速度D．衛(wèi)星b的周期大于24h【答案】A

核心素養(yǎng)應(yīng)用物理與科學(xué)技術(shù)——航天器的變軌與對(duì)接當(dāng)衛(wèi)星由于某種原因，速度突然改變時(shí)(開啟或關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)或空氣阻力作用)，萬(wàn)有引力就不再等于向心力大小，衛(wèi)星將做變軌運(yùn)動(dòng)．3．綜上所述，當(dāng)衛(wèi)星需要變軌到更大半徑的軌道時(shí)需要加速，但到達(dá)預(yù)定的軌道后的運(yùn)行速度比原運(yùn)行速度則更小了，反之變軌到更小半徑的軌道，則需要減速，但到達(dá)軌道后運(yùn)行速度比原速度更大了．4．從能量的角度來(lái)講，外力做功加速的目的是克服萬(wàn)有引力做功，從而獲得更大的重力勢(shì)能，而并非轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星的動(dòng)能．相反，減速之后，軌道半徑變小，衛(wèi)星將部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能，從而獲得了更大的速度．例3

(多選)如圖所示，在發(fā)射地球同步衛(wèi)星的過(guò)程中，衛(wèi)星首先進(jìn)入橢圓軌道Ⅰ，然后在Q點(diǎn)通過(guò)改變衛(wèi)星速度，讓衛(wèi)星進(jìn)入地球同步軌道Ⅱ，則

(

)A．該衛(wèi)星的發(fā)射速度必定大于11.2km/sB．衛(wèi)星在軌道Ⅱ上的運(yùn)行速度大于7.9km/sC．在橢圓軌道上，衛(wèi)星在P點(diǎn)的速度大于在Q點(diǎn)的速度D．衛(wèi)星在Q點(diǎn)通過(guò)加速實(shí)現(xiàn)由軌道Ⅰ進(jìn)入軌道Ⅱ【答案】CD

【解析】11.2km/s是衛(wèi)星脫離地球引力束縛的發(fā)射速度，而同步衛(wèi)星仍然繞地球運(yùn)動(dòng)，故A錯(cuò)誤；7.9km/s(第一宇宙速度)是近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度，也是衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)最大的環(huán)繞速度，同步衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的線速度一定小于第一宇宙速度，故B錯(cuò)誤；橢圓軌道Ⅰ上，P是近地點(diǎn)，故衛(wèi)星在P點(diǎn)的速度大于在Q點(diǎn)的速度，衛(wèi)星在軌道Ⅰ上的Q點(diǎn)做向心運(yùn)動(dòng)，只有加速后才能沿軌道Ⅱ運(yùn)動(dòng)，故C、D正確．小練·隨堂鞏固1．(多選)(2023年江門外海中學(xué)期中)關(guān)于地球的第一宇宙速度，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．它是人造地球衛(wèi)星在近地圓軌道繞地球運(yùn)行的速度B．它是人造地球衛(wèi)星在同步圓軌道繞地球運(yùn)行的速度C．第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最小運(yùn)行速度D．第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度【答案】AD

【解析】第一宇宙速度是衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最小發(fā)射速度，也是繞地球運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度，故A、D正確．2．關(guān)于地球同步衛(wèi)星，下列表述正確的是

(

)A．衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)可能經(jīng)過(guò)重慶的正上方B．衛(wèi)星的運(yùn)行速度大于第一宇宙速度C．衛(wèi)星距離地面的高度大于月球離地面的高度D．衛(wèi)星運(yùn)行的向心加速度小于地球表面的重力加速度【答案】D

3．(多選)已知地球半徑為R，質(zhì)量為M，自轉(zhuǎn)角速度為ω，地面重力加速度為g，引力常量為G，地球同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度為v，則第一宇宙速度的值可表示為

(

)【答案】ABC

4．(多選)我國(guó)發(fā)射的“嫦娥五號(hào)”探月衛(wèi)星，執(zhí)行月面取樣并返回任務(wù)．“嫦娥五號(hào)”從月球返回地球的過(guò)程可以簡(jiǎn)單分成四步，如圖所示，第一步將“嫦娥五號(hào)”發(fā)射至月球表面附近的環(huán)月圓軌道Ⅰ，第二步在環(huán)月軌道的A處進(jìn)行變軌，進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ，第三步當(dāng)接近地球表面附近時(shí)，又一次變軌，從B點(diǎn)進(jìn)入繞地圓軌道Ⅲ，第四步再次變軌道后降落至地面．下列說(shuō)法正確的是

(

)A．將“嫦娥五號(hào)”發(fā)射至軌道Ⅰ時(shí)，所需的發(fā)射速度為7.9km/sB．“嫦娥五號(hào)”從環(huán)月軌道Ⅰ進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ時(shí)需要加速C．“嫦娥五號(hào)”從A點(diǎn)沿月地轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ到達(dá)B點(diǎn)的過(guò)程中其速率先減小后增大D．“嫦娥五號(hào)”在第四步變軌時(shí)需要加速【答案】BC

【解析】7.9km/s是地球的第一宇宙速度，也是將衛(wèi)星從地面發(fā)射到近地圓軌道的最小發(fā)射速度，而月球的第一宇宙速度比地球的小得多，故將衛(wèi)星發(fā)射到近月軌道Ⅰ上的發(fā)射速度比7.9km/s小得多，A錯(cuò)誤；“嫦娥五號(hào)”從環(huán)月軌道Ⅰ進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ時(shí)做離心運(yùn)動(dòng)，因此需要加速，B正確；“嫦娥五號(hào)”從A點(diǎn)沿月地轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ到達(dá)B點(diǎn)的過(guò)程中，開始時(shí)月球的引力大于地球的引力，“嫦娥五號(hào)”做減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)厍虻囊Υ笥谠虑虻囊r(shí)，“嫦娥五號(hào)”開始做加速運(yùn)動(dòng)，C正確；“嫦娥五號(hào)”在第四步變軌時(shí)做近心運(yùn)動(dòng)，因此需要減速，D錯(cuò)誤．5．(2023年佛山西樵中學(xué)質(zhì)檢)如甲圖所示，我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”在火星著陸，開展巡視探測(cè)．圖乙為“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞火星變軌