人教版高中物理必修第二冊(cè)第七章4宇宙航行課件

4．宇宙航行第七章

萬(wàn)有引力與宇宙航行整體感知·自我新知初探[學(xué)習(xí)任務(wù)]

1．知道宇宙速度的概念，區(qū)分三種宇宙速度，初步具有宇宙航行的運(yùn)動(dòng)觀。2．通過(guò)第一宇宙速度的推導(dǎo)過(guò)程，體會(huì)數(shù)學(xué)方法對(duì)物理學(xué)科的推動(dòng)作用。3．了解宇宙航行的歷程和進(jìn)展，感受人類(lèi)對(duì)未知世界的探索精神。[問(wèn)題初探]

問(wèn)題1．第一宇宙速度繞哪個(gè)星體轉(zhuǎn)動(dòng)？問(wèn)題2．第二宇宙速度繞哪個(gè)星體轉(zhuǎn)動(dòng)？問(wèn)題3．第三宇宙速度離開(kāi)了哪個(gè)星系？[自我感知]經(jīng)過(guò)你認(rèn)真的預(yù)習(xí)，結(jié)合你對(duì)本節(jié)課的理解和認(rèn)識(shí)，請(qǐng)畫(huà)出本節(jié)課的知識(shí)邏輯體系。探究重構(gòu)·關(guān)鍵能力達(dá)成

知識(shí)點(diǎn)一宇宙速度

7.9km/s11.2km/s11.2km/s3．第三宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，如果要使其掙脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系外，必須使它的速度等于或大于______________，這個(gè)速度叫作第三宇宙速度。16.7km/s如圖所示，當(dāng)物體被拋出的速度足夠大時(shí)，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)而不再落回地面，成為一顆人造地球衛(wèi)星?！締?wèn)題】(1)使物體變?yōu)樾l(wèi)星的最小發(fā)射速度是多少？(2)不同星球的最小發(fā)射速度是否相同？(3)把衛(wèi)星發(fā)射到更高的軌道上需要的發(fā)射速度越大還是越小？

1．宇宙速度(1)三個(gè)宇宙速度v1、v2、v3(2)宇宙速度均指發(fā)射速度，衛(wèi)星的運(yùn)行速度一定不大于其發(fā)射速度。(3)第一宇宙速度的其他三種叫法：最小發(fā)射速度、最大環(huán)繞速度、近地繞行速度。

【微提醒】

在地面附近發(fā)射速度7.9km/s<v<11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星在橢圓軌道上繞地球運(yùn)動(dòng)；當(dāng)11.2km/s≤v<16.7km/s時(shí)，衛(wèi)星脫離地球引力的束縛，成為太陽(yáng)系的一顆“小行星”或繞太陽(yáng)系其他行星轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)v≥16.7km/s時(shí)，衛(wèi)星脫離太陽(yáng)引力的束縛，跑到太陽(yáng)系以外的宇宙空間中去?！镜淅?】

(對(duì)宇宙速度的理解)關(guān)于地球的三個(gè)宇宙速度，下列說(shuō)法正確的是(

)A．第一宇宙速度大小為7.9km/h，是發(fā)射衛(wèi)星所需的最小速度B．繞地球運(yùn)行的同步衛(wèi)星的環(huán)繞速度必定大于第一宇宙速度C．第二宇宙速度為11.2km/s，是繞地飛行器最大的環(huán)繞速度D．在地面附近發(fā)射的飛行器速度等于或大于第三宇宙速度時(shí)，飛行器就能逃出太陽(yáng)系了√D

[第一宇宙速度是飛行器繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大環(huán)繞速度，也是繞地球飛行的飛行器的最小地面發(fā)射速度，其值為7.9km/s，故A、B、C錯(cuò)誤；當(dāng)飛行器的地面發(fā)射速度大于或等于第三宇宙速度16.7km/s時(shí)，飛行器將脫離太陽(yáng)的束縛，故D正確。]【典例2】

(對(duì)發(fā)射速度的理解)(多選)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)√√AC

[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。]【典例3】

(宇宙速度的計(jì)算)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1.2×1017

kg/m3，引力常量G＝6.67×10-11N·m2/kg2，那么該中子星上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√

[思路點(diǎn)撥]星球的第一宇宙速度即為衛(wèi)星圍繞星球做圓周運(yùn)動(dòng)的、軌道半徑為該星球半徑時(shí)的環(huán)繞速度，由萬(wàn)有引力提供向心力即可得出這一最大環(huán)繞速度。

[答案]

1.8km/s易錯(cuò)警示

理解宇宙速度應(yīng)注意三點(diǎn)(1)發(fā)射速度是指被發(fā)射物體在地面附近離開(kāi)發(fā)射裝置時(shí)的速度，要發(fā)射一顆人造衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。(2)衛(wèi)星離地面越高，衛(wèi)星的發(fā)射速度越大。貼近地球表面的衛(wèi)星(近地衛(wèi)星)的發(fā)射速度最小，其運(yùn)行速度等于第一宇宙速度。(3)宇宙速度是指在地球上滿(mǎn)足不同要求的發(fā)射速度，不能理解成運(yùn)行速度?！窘逃谩溥x例題】中國(guó)火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”成功發(fā)射后，沿地火轉(zhuǎn)移軌道飛行七個(gè)多月，于2021年2月到達(dá)火星附近，再通過(guò)制動(dòng)減速被火星引力俘獲，進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道飛行；2021年5月15日，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器穩(wěn)穩(wěn)降落在火星表面，標(biāo)志著我國(guó)航天技術(shù)有了重大進(jìn)步。探測(cè)器降落前靠近火星表面繞火星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，周期為T(mén)，引力常量為G，火星表面重力加速度為g，忽略火星自轉(zhuǎn)，則下列說(shuō)法正確的是(

)

√

1．人造衛(wèi)星發(fā)射_______________，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功。1970年4月24日，我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星________________發(fā)射成功。知識(shí)點(diǎn)二人造地球衛(wèi)星載人航天與太空探索1957年10月4日“東方紅一號(hào)”2．同步衛(wèi)星：地球同步衛(wèi)星位于地面上方高度約36000km處，周期與地球__________相同。其中一種的軌道平面與赤道平面成0度角，運(yùn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同。因其相對(duì)地面______，也稱(chēng)靜止衛(wèi)星。3．載人航天與太空探索1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員________坐飛船繞地球飛行一圈。2003年10月15日，我國(guó)航天員________踏入太空。自2013年6月起，神舟飛船先后與____________________、____________________成功完成交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。2021年4月29日，具備長(zhǎng)期自主飛行能力的______核心艙成功發(fā)射。自轉(zhuǎn)周期靜止加加林楊利偉天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室天和如圖所示，在地球的周?chē)?，有許多的衛(wèi)星在不同的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)?！締?wèn)題】(1)這些衛(wèi)星的軌道平面有什么特點(diǎn)？(2)人造衛(wèi)星能夠繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)而不落回地面，是否是由于衛(wèi)星不再受到地球引力的作用？(3)這些衛(wèi)星的線速度、角速度、周期跟什么因素有關(guān)呢？提示：(1)這些衛(wèi)星的軌道平面都通過(guò)地心。(2)不是，衛(wèi)星仍然受到地球引力的作用，但地球引力全部用來(lái)提供向心力。(3)衛(wèi)星的線速度、角速度、周期都跟衛(wèi)星的軌道半徑有關(guān)。1．人造衛(wèi)星的三種軌道(1)赤道軌道：衛(wèi)星軌道在赤道所在平面上，衛(wèi)星始終處于赤道上方。(2)極地軌道：衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直，衛(wèi)星經(jīng)過(guò)兩極上空。(3)一般軌道：衛(wèi)星軌道平面和赤道平面成一定角度(不等于0或90°)，如圖所示。2．人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律(1)人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律類(lèi)似行星運(yùn)行規(guī)律。(2)萬(wàn)有引力提供向心力：3．靜止衛(wèi)星的特點(diǎn)(1)確定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向：和地球自轉(zhuǎn)方向一致。(2)確定的周期：和地球自轉(zhuǎn)周期相同，即T＝24h。(3)確定的角速度：等于地球自轉(zhuǎn)的角速度。(4)確定的軌道平面：所有的靜止衛(wèi)星都在赤道的正上方，其軌道平面必須與赤道平面重合。(5)確定的高度：離地面高度固定不變(3.6×104km)。【微提醒】

衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道可以是橢圓，也可以是圓，但軌道平面一定過(guò)地心。其中一種同步衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，周期相同，相對(duì)地球靜止，所以也稱(chēng)靜止衛(wèi)星?！镜淅?】

(人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡)(多選)如圖中的四種虛線軌跡，可能是人造地球衛(wèi)星軌道的是(

)A

B

C

DACD

[人造地球衛(wèi)星靠地球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供向心力而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力指向地心，所以人造地球衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心是地心，故A、C、D正確，B錯(cuò)誤。]√√√【典例6】(2022·廣東卷·不同軌道上的衛(wèi)星各物理量的比較)“祝融號(hào)”火星車(chē)需要“休眠”以度過(guò)火星寒冷的冬季。假設(shè)火星和地球的冬季是各自公轉(zhuǎn)周期的四分之一，且火星的冬季時(shí)長(zhǎng)約為地球的1.88倍?；鹦呛偷厍蚶@太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)均可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)。下列關(guān)于火星、地球公轉(zhuǎn)的說(shuō)法正確的是(

)A．火星公轉(zhuǎn)的線速度比地球的大B．火星公轉(zhuǎn)的角速度比地球的大C．火星公轉(zhuǎn)的半徑比地球的小D．火星公轉(zhuǎn)的加速度比地球的小√

【典例7】

(選自教科版教材·同步衛(wèi)星)我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)首發(fā)星，被譽(yù)為“中國(guó)版海事衛(wèi)星”的天通一號(hào)01星，于2016年8月6日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空并進(jìn)入距離地面約36000km的地球同步軌道。這標(biāo)志著我國(guó)邁入了衛(wèi)星移動(dòng)通信的“手機(jī)時(shí)代”。根據(jù)這一信息以及必要的常識(shí)，尚不能確定該衛(wèi)星的(

)A．質(zhì)量 B．軌道半徑C．運(yùn)行速率 D．運(yùn)行周期√

【典例8】

(同步衛(wèi)星與其他衛(wèi)星的比較)地球同步衛(wèi)星距離地面高度約為36000km，下列說(shuō)法正確的是(

)A．所有地球同步衛(wèi)星都處于平衡狀態(tài)B．所有地球同步衛(wèi)星的周期都是24h，它們的向心力都相同C．所有地球靜止衛(wèi)星的軌道半徑都相同，且一定在赤道的正上方，它們運(yùn)行速率一定小于第一宇宙速度D．“天宮一號(hào)”距離地面高度約為343km，它運(yùn)行的角速度比同步衛(wèi)星小√

規(guī)律方法

解決人造衛(wèi)星問(wèn)題的三點(diǎn)技巧(1)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，所以所有衛(wèi)星的軌道圓心一定與地心重合。(2)靜止衛(wèi)星周期與星球自轉(zhuǎn)周期相同，軌道高度一定，軌道平面一定，加速度一定，線速度一定，角速度一定。(3)針對(duì)環(huán)繞同一中心天體的星球，星球的軌道半徑r確定后，其相對(duì)應(yīng)的線速度大小、角速度、周期和向心加速度大小是唯一的，與星球的質(zhì)量無(wú)關(guān)。應(yīng)用遷移·隨堂評(píng)估自測(cè)1．關(guān)于地球同步衛(wèi)星的說(shuō)法正確的是(

)A．所有地球靜止衛(wèi)星一定在赤道上空B．不同的地球同步衛(wèi)星，離地面高度不同C．不同的地球同步衛(wèi)星的向心加速度大小不相等D．所有地球同步衛(wèi)星受到的向心力大小一定相等√243題號(hào)1

243題號(hào)12．伽利略用他自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了圍繞木星的四顆衛(wèi)星，假定四顆衛(wèi)星均繞木星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)周期如表所示，關(guān)于這四顆衛(wèi)星，下列說(shuō)法正確的是(

)23題號(hào)14名稱(chēng)周期/天木衛(wèi)一1.77木衛(wèi)二3.65木衛(wèi)三7.16木衛(wèi)四16.7A．木衛(wèi)一角速度最小B．木衛(wèi)四線速度最大C．木衛(wèi)四軌道半徑最大D．木衛(wèi)一受到的木星的萬(wàn)有引力最大23題號(hào)14√C

[利用高軌低速長(zhǎng)周期即可判斷，木衛(wèi)四半徑最大，線速度最小，C正確，B錯(cuò)誤；木衛(wèi)一半徑最小，角速度最大，A錯(cuò)誤；萬(wàn)有引力的大小與衛(wèi)星質(zhì)量和軌道半徑都有關(guān)，根據(jù)題中信息無(wú)法判斷木衛(wèi)一受到的木星的萬(wàn)有引力是否最大，D錯(cuò)誤。]3．若取地球的第一宇宙速度為8km/s，某行星質(zhì)量是地球的6倍，半徑是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度約為(

)A．16km/s

B．32km/sC．4km/s D．2km/s23題號(hào)41√

23題號(hào)414．(2022·湖北卷)2022年5月，我國(guó)成功完成了天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站的對(duì)接，形成的組合體在地球引力作用下繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，周期約為90分鐘。下列說(shuō)法正確的是(

)A．組合體中的貨物處于超重狀態(tài)B．組合體的速度大小略大于第一宇宙速度C．組合體的角速度大小比地球同步衛(wèi)星的大D．組合體的加速度大小比地球同步衛(wèi)星的小243題號(hào)1√

243題號(hào)1回歸本節(jié)知識(shí)，完成以下問(wèn)題：1．三種宇宙速度分別是多大？提示：v1＝7.9km/s，v2＝11.2km/s，v3＝16.7km/s。2．靜止衛(wèi)星有什么特點(diǎn)？提示：軌道在赤道正上方，周期為24小時(shí)，高度、速度一定。3．推導(dǎo)第一宇宙速度的依據(jù)是什么？

題組一宇宙速度的理解與計(jì)算1．(多選)下列關(guān)于三種宇宙速度的說(shuō)法正確的是(

)A．第一宇宙速度v1＝7.9km/s，第二宇宙速度v2＝11.2km/s，則人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度大于等于v1，小于v2B．我國(guó)發(fā)射的天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)衛(wèi)星，其發(fā)射速度大于第三宇宙速度1題號(hào)23456789101112課時(shí)分層作業(yè)（十一）C．第二宇宙速度是在地面附近使物體可以?huà)昝摰厍蛞Φ氖`，成為繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造小行星的最小發(fā)射速度D．第一宇宙速度7.9km/s是人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度1題號(hào)23456789101112√√1題號(hào)23456789101112

2．一航天員在某星球上跳高的最好成績(jī)是地球上的4倍，該星球半徑為地球的一半。阻力不計(jì)，則該星球的第一宇宙速度約為(

)A．2.0km/s

B．2.8km/sC．4.0km/s D．5.9km/s1題號(hào)23456789101112

√

√1題號(hào)23456789101112

1題號(hào)23456789101112

√1題號(hào)23456789101112

1題號(hào)23456789101112

題組二人造地球衛(wèi)星5．(多選)如圖所示的圓a、b、c，其圓心均在地球自轉(zhuǎn)軸線上，b、c的圓心與地心重合，b所在平面與地球自轉(zhuǎn)軸線垂直，對(duì)環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星而言，下列說(shuō)法正確的是(

)A．衛(wèi)星的軌道可能為aB．衛(wèi)星的軌道可能為bC．衛(wèi)星的軌道可能為cD．靜止衛(wèi)星的軌道一定為與b共面的某一同心圓√1題號(hào)23456789101112√√BCD

[物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體所受的合力方向一定要指向圓心，對(duì)于環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星而言，就要求所受的萬(wàn)有引力指向地心，故A錯(cuò)誤，B、C正確；對(duì)于靜止衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，由于相對(duì)地球表面靜止，所以靜止衛(wèi)星應(yīng)在赤道的正上方，故D正確。]1題號(hào)234567891011126．我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由靜止軌道衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星組成，衛(wèi)星軌道半徑大小不同，其運(yùn)行速度、周期等參量也不相同，下列說(shuō)法正確的是(

)A．衛(wèi)星軌道半徑越大，環(huán)繞速度越大B．衛(wèi)星的線速度小于7.9km/sC．衛(wèi)星軌道半徑越小，向心加速度越小D．衛(wèi)星軌道半徑越小，運(yùn)動(dòng)的角速度越小√1題號(hào)23456789101112

1題號(hào)234567891011127．土星是太陽(yáng)系中第二大行星，也是一個(gè)氣態(tài)巨行星。假設(shè)飛行器繞土星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，距離土星表面高度為h。土星可視為均勻球體，已知土星質(zhì)量為M，半徑為R，引力常量為G。求：(1)土星表面的重力加速度g；(2)飛行器的運(yùn)行速度v的大??；(3)若土星的自轉(zhuǎn)周期為T(mén)，土星同步衛(wèi)星距土星表面的高度H。1題號(hào)23456789101112

1題號(hào)23456789101112

1題號(hào)23456789101112

8．利用三顆位置適當(dāng)?shù)牡厍蛲叫l(wèi)星，可使地球赤道上任意兩點(diǎn)之間保持無(wú)線電通信。目前，地球同步衛(wèi)星的軌道半徑約為地球半徑的6.6倍。假設(shè)地球的自轉(zhuǎn)周期變小，若仍?xún)H用三顆同步衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的，則地球自轉(zhuǎn)周期的最小值約為(

)A．1h

B．4h

C．8h

D．16h√1題號(hào)23456789101112

1題號(hào)23456789101112]9．北京時(shí)間2023年10月5日上午8時(shí)24分，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將遙感三十九號(hào)衛(wèi)星送入太空。其中遙感三十九號(hào)衛(wèi)星的工作軌道高度約為700km，遙感三十九號(hào)衛(wèi)星、地球的同步衛(wèi)星和月球繞地球飛行的軌道如圖所示，下列說(shuō)法正確的是(

)1題號(hào)23456789101112A．遙感三十九號(hào)衛(wèi)星的發(fā)射速度一定小于7.9km/sB．同步衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球的角速度大C．遙感三十九號(hào)衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的周期大于24hD．所有衛(wèi)星在運(yùn)行軌道上完全失重，重力加速度為零1題號(hào)23456789101112√

1題號(hào)2345678910111210．2023年5月30日9時(shí)31分，搭載神舟十六號(hào)載人飛船的長(zhǎng)征二號(hào)F遙十六運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。從點(diǎn)火發(fā)射到進(jìn)入地球環(huán)繞軌道，神舟十六號(hào)需要大約10分鐘的時(shí)間。然后，它將在距地面高度約400千米的軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。下列說(shuō)法正確的是(

)A．神舟十六號(hào)在軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，艙內(nèi)航天員處于完全失重狀態(tài)B．神舟十六號(hào)的發(fā)射速度一定大于11.2km/sC．神舟十六號(hào)在軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度應(yīng)大于7.9km/s而小于11.2km/sD．發(fā)射過(guò)程中為了保證航天員的安全，航天員需要固定在艙壁上，保持頭部朝上來(lái)維持大腦供氧√1題號(hào)23456789101112A

[神舟十六號(hào)在軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，萬(wàn)有引力