2018-2019學年高中物理第5章萬有引力與航天5.4飛出地球去學案滬科版必修2

1、5.4 飛出地球去學習目標1.知道三個宇宙速度的含義，會推導第一宇宙速度2 認識同步衛(wèi)星的特點 3了解人造衛(wèi)星的相關知識和我國衛(wèi)星發(fā)射的情況以及人類對太空的探索歷程.預習新知夯實基礎一、宇宙速度1 牛頓的設想：如圖 1 所示，把物體水平拋出，如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它 將繞地球運動，成為人造地球衛(wèi)星.2 三個宇宙速度數(shù)值意義第一宇宙速度7.9 km/s人造衛(wèi)星在地面附訴繞地球做勻速圓周運動的速度第二宇宙速度11.2 km/s使航天器脫離地球引力束縛，永遠離開地球的最小地面發(fā)射速度2第三宇宙速度16.7 km/s使航天器脫離太陽引力束縛飛到太陽系外的最小地面發(fā)射速度二、為了和平與進步

2、1. 1957 年 10 月 4 日前蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星.2 . 1961 年 4 月 12 日前蘇聯(lián)空軍少校加加林進入“東方一號”載人飛船，鑄就了人類進入 太空的豐碑.3.1969 年 7 月，美國“阿波羅 11 號”飛船登上月球.4.2003 年 10 月 15 日，我國“神舟五號”宇宙飛船發(fā)射成功，把中國第一位航天員楊利偉 _送入太空.即學即用1判斷下列說法的正誤.(1) 第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度.(V)(2) 人造地球衛(wèi)星的最小繞行速度是7.9 km/s.(X)(3) 要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度必須大于16.7 km/s.(X)2 已知月球半徑為R,月球質量

3、為M引力常量為G則月球的第一宇宙速度v=_ .重點探究-啟迪忠醴採究瑩點一、第一宇宙速度的理解與計算導學探究(1)不同天體的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的決定因素是什么？(2)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??？答案不同.由GMmmR得，第一宇宙速度V=、*M可以看出，第一宇宙速度的值取決于中心天體的質量M和半徑R,與衛(wèi)星無關.答案3(2)越大.向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，因為發(fā)射衛(wèi)星要克服地球對它的引力.知識深化1.第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運動的繞行速度.2 .推導：對于近地人造衛(wèi)星，軌道半徑r近似等于地球半徑 R= 6 4

4、00 km 衛(wèi)星在軌道處所4受的萬有引力近似等于衛(wèi)星在地面上所受的重力，取3 推廣由第一宇宙速度的兩種表達式看出，第一宇宙速度的值由中心天體決定，可以說任何一顆行星都有自己的第一宇宙速度，都可以用v=,，CRM或v=ygR表示，式中G為引力常量，M為中心天體的質量，g為中心天體表面的重力加速度，R為中心天體的半徑.4 .理解（1）“最小發(fā)射速度”與“最大繞行速度”1最小發(fā)射速度”：向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，因為發(fā)射衛(wèi)星要克服地 球對它的引力.所以近地軌道的發(fā)射速度（第一宇宙速度）是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度.2“最大繞行速度”：由cM2mL吋可得v=、yGGM軌道半徑越小，線速度越大

5、，所以近地衛(wèi)星的線速度（第一宇宙速度）是最大繞行速度.（2）發(fā)射速度與發(fā)射軌道1當 7.9 km/s v發(fā)11.2 km/s 時，衛(wèi)星繞地球運動，且發(fā)射速度越大，衛(wèi)星的軌道半徑越 大，繞行速度越小.2當 11.2 km/s v發(fā)16.7 km/s 時，衛(wèi)星繞太陽旋轉，成為太陽系一顆“小行星”.3當v發(fā)16.7 km/s 時，衛(wèi)星脫離太陽的引力束縛跑到太陽系以外的空間中去.【例 1】我國發(fā)射了一顆繞月運行的探月衛(wèi)星“嫦娥一號”.設該衛(wèi)星的軌道是圓形的，且貼11近月球表面.已知月球的質量約為地球質量的，月球的半徑約為地球半徑的，地球上的第814一宇宙速度約為 7.9 km/s，則該探月衛(wèi)星繞月運行

6、的最大速率約為（）A.0.4 km/s B . 1.8 km/s C. 11 km/s D . 36 km/s答案 B解析 星球的第一宇宙速度即為圍繞星球做圓周運動的軌道半徑為該星球半徑時的環(huán)繞速度，由萬有引力提供向心力即可得出這一最大環(huán)繞速度.g= 9.8 m/s2，則方法一;方法二:5衛(wèi)星所需的向心力由萬有引力提供，6v月=7.9x9 km/s1.8 km/s因此 B 項正確.【例 2 某人在一星球上以速率v豎直上拋一物體，經(jīng)時間t后，物體以速率v落回手中.已解析根據(jù)勻變速直線運動的規(guī)律可得，該星球表面的重力加速度為宇宙速度即為衛(wèi)星在其表面附近繞它做勻速圓周運動的線速度，該星球對衛(wèi)星的引力

7、（重力）導學探究1.如圖 2 所示，圓a、b、c的圓心均在地球的自轉軸線上.b、c的圓心與地心重合，d為橢圓軌道，且地心為橢圓的一個焦點.四條軌道中哪些可以作為衛(wèi)星軌道？為什么？圖 2答案b、c、d軌道都可以.因為衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動，萬有引力提供向心力，而萬有引力是始終指向地心的， 故衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力必須指向地心，因此b、c軌道都可以，a軌道不可以.衛(wèi)星也可在橢圓軌道運行，故d軌道也可以.2 地球同步衛(wèi)星的軌道在哪個面上？周期是多大？同步衛(wèi)星的高度和軌道面可以任意選擇嗎？又由M=8?4,M地81r地4故月球和地球上第一宇宙速度之比v月2v地9知該星球的半徑為R求該星球的第一宇宙

8、速度.提供衛(wèi)星做圓周運動的向心力，則二、人造地球衛(wèi)星mg=2mvR，該星球的第理*得r r答案宇宙速度為7答案 同步衛(wèi)星是相對地面靜止的衛(wèi)星，必須和地球自轉同步，也就是說必須在赤道面上，周期是 24 h 由于周期一定，故同步衛(wèi)星離地面的高度也是一定的，即同步衛(wèi)星不可以任意 選擇高度和軌道面.知識深化1 .人造地球衛(wèi)星的軌道衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動時，由地球對它的萬有引力充當向心力，因此衛(wèi)星繞地球做勻 速圓周運動的圓心必與地心重合，而這樣的軌道有多種，其中比較特殊的有與赤道共面的 赤道軌道和通過兩極上空的極地軌道當然也存在著與赤道平面呈某一角度的圓軌道如 圖 3 所示.圖 32 .地球同步衛(wèi)星(

9、1)定義：相對于地面靜止的衛(wèi)星，又叫靜止衛(wèi)星.特點：1確定的轉動方向：和地球自轉方向一致；2確定的周期：和地球自轉周期相同，即T= 24 h ;3確定的角速度：等于地球自轉的角速度；4確定的軌道平面：所有的同步衛(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(3.6x10 km);6確定的環(huán)繞速率：線速度大小一定(3.1x103m/s).【例 3 關于地球的同步衛(wèi)星，下列說法正確的是()A. 同步衛(wèi)星的軌道和北京所在緯度圈共面B. 同步衛(wèi)星的軌道必須和地球赤道共面C. 所有同步衛(wèi)星距離地面的高度不一定相同D. 所有同步衛(wèi)星的質量一定相同答案 B解析 同步衛(wèi)星

10、所受向心力指向地心，與地球自轉同步，故衛(wèi)星所在軌道與赤道共面，故A項錯誤，B 項正確；同步衛(wèi)星距地面高度一定，但衛(wèi)星的質量不一定相同，故C、D 項錯誤.廠總結提升 -18解決本題的關鍵是掌握同步衛(wèi)星的特點：同步衛(wèi)星定軌道(在赤道上方)、定周期(與地球的自轉周期相同)、定速率、定高度.針對訓練（多選）我國“中星 11 號”商業(yè)通信衛(wèi)星是一顆同步衛(wèi)星，它定點于東經(jīng)98.2 度的赤道上空，關于這顆衛(wèi)星的說法正確的是（）A. 運行速度大于 7.9 km/sB. 離地面高度一定，相對地面靜止C. 繞地球運行的角速度比月球繞地球運行的角速度大D. 向心加速度與靜止在赤道上物體的向心加速度大小相等答案 BC

11、解析 “中星 11 號”是地球同步衛(wèi)星，距地面有一定的高度，運行速度要小于7.9 km/s , A錯誤.其位置在赤道上空，高度一定，且相對地面靜止，B 正確.其運行周期為 24 小時，小2n于月球的繞行周期 27 天，由3=知，其運行角速度比月球的大， C 正確.同步衛(wèi)星與靜 止在赤道上的物體具有相同的角速度，但半徑不同，由a=r32知，同步衛(wèi)星的向心加速度大，D 錯誤.達標檢測1.（對宇宙速度的理解）（多選）下列關于三種宇宙速度的說法中正確的是（）A. 第一宇宙速度V1= 7.9 km/s，第二宇宙速度V2= 11.2 km/s，則人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運行時的速度大于等于V1,小于V2B

12、. 美國發(fā)射的“鳳凰號”火星探測衛(wèi)星，其發(fā)射速度大于第三宇宙速度C.第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛，成為繞太陽運行的人造行星的 最小發(fā)射速度D. 第一宇宙速度 7.9 km/s 是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最大運行速度答案 CD/GM解析 根據(jù)V=、可知，衛(wèi)星的軌道半徑r越大，即距離地面越遠，衛(wèi)星的環(huán)繞速度越小,V1= 7.9 km/s檢測評價達標過關9是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最大運行速度，D 正確；實際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，故衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運行時的速度都小于第一宇宙 速度，選項A 錯誤；美國發(fā)射的“鳳凰號”火星探測衛(wèi)星，仍在太陽系內，

13、所以其發(fā)射速度 小于第三宇宙速度，選項B 錯誤；第二宇宙速度是使物體掙脫地球引力束縛而成為繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度，選項C 正確.102 .（對同步衛(wèi)星的認識）下列關于我國發(fā)射的“亞洲一號”地球同步通訊衛(wèi)星的說法，正確的是（）A. 若其質量加倍，則軌道半徑也要加倍B. 它在北京上空運行，故可用于我國的電視廣播C. 它以第一宇宙速度運行D.它運行的角速度與地球自轉角速度相同答案 D2Mm vGM解析 由Gr2=哼得r=亍，可知軌道半徑與衛(wèi)星質量無關，A 錯；同步衛(wèi)星的軌道平面必須與赤道平面重合，即在赤道上空運行，不能在北京上空運行，B 錯；第一宇宙速度是衛(wèi)星在最低圓軌道上運行的速度，而

14、同步衛(wèi)星在高軌道上運行，其運行速度小于第一宇宙速度，C錯；所謂“同步”就是衛(wèi)星保持與赤道上某一點相對靜止，所以同步衛(wèi)星的角速度與地球自 轉角速度相同，D 對.3.（第一宇宙速度的計算）若取地球的第一宇宙速度為8 km/s，某行星的質量是地球質量的6倍，半徑是地球半徑的 1.5 倍，此行星的第一宇宙速度約為（）A. 16 km/sB. 32 km/sC. 4 km/sD. 2 km/s答案 A4.（第一宇宙速度的計算）某星球的半徑為R在其表面上方高度為aR的位置，以初速度vo水平拋出一個金屬小球，小球做平拋運動，水平射程為bR a、b均為數(shù)值極小的常數(shù)，則這個星球的第一宇宙速度為（）2aAF0b

15、答案 ABV0aD命V011解析設該星球表面的重力加速度為g,小球落地時間為t,拋出的金屬小球做平拋運動,據(jù)平拋運動規(guī)律得aR=2gt2,bR= V0t，聯(lián)立以上兩式解得球表面衛(wèi)星的線速度，根據(jù)星球表面衛(wèi)星重力充當向心力得22av0，第宇宙速度即為該星2mg= mR,所以第一宇宙速度v=gR=2av。2；b2RR=故選項A正確.12課時對點練一、選擇題考點一對宇宙速度的理解1.（多選）關于第一宇宙速度，下列說法正確的是（）A. 它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B. 它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運行速度C. 它是能使衛(wèi)星進入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度D. 它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最大

16、環(huán)繞速度答案 BCD解析 第一宇宙速度是從地球表面發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最大環(huán)繞速度，也是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的最大運行速度，選項B C D正確，A 錯誤.2 . 2013 年 6 月 11 日 17 時 38 分，“神舟十號”飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，航天員王亞平進行了首次太空授課.在飛船進入離地面 343 km 的圓形軌道環(huán)繞地球飛行時，它的線速度大?。ǎ〢. 等于 7.9 km/sB. 介于 7.9 km/s 和 11.2 km/s 之間C. 小于 7.9 km/sD. 介于 7.9 km/s 和 16.7 km/s 之間答案 C解析 衛(wèi)星

17、在圓形軌道上運行的速度v=3.（多選）一顆人造地球衛(wèi)星以初速度v發(fā)射后，可繞地球做勻速圓周運動， 若使發(fā)射速度增 大為 2v，則該衛(wèi)星可能（）A. 繞地球做勻速圓周運動B. 繞地球運動，軌道變?yōu)闄E圓C. 不繞地球運動，成為太陽的人造行星km/s , C 正確.13D.掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙答案 CD解析 以初速度v發(fā)射后能成為人造地球衛(wèi)星，可知發(fā)射速度v一定大于第一宇宙速度 7.9 km/s； 當以2v速度發(fā)射時，發(fā)射速度一定大于15.8 km/s，已超過了第二宇宙速度11.2 km/s，也可能超過第三宇宙速度16.7 km/s，所以此衛(wèi)星不再繞地球運行，可能繞太陽運行，或者

18、飛到太陽系以外的宇宙，故選項C、D 正確.考點二對同步衛(wèi)星的認識4 由于通訊和廣播等方面的需要，許多國家發(fā)射了地球同步軌道衛(wèi)星，這些衛(wèi)星的（）A.質量可以不同B.軌道半徑可以不同答案 A環(huán)繞速度相同，D 錯誤.同步衛(wèi)星相對于地面靜止在赤道上空，所有的同步衛(wèi)星軌道運行在赤道上空同一個圓軌道上， C 錯誤同步衛(wèi)星的質量可以不同，A 正確.5 地球上相距很遠的兩位觀察者， 都發(fā)現(xiàn)自己的正上方有一顆人造衛(wèi)星，相對自己靜止不動,則這兩位觀察者的位置以及兩顆人造衛(wèi)星到地球中心的距離可能是（）A. 人在南極，一人在北極，兩衛(wèi)星到地球中心的距離一定相等B. 人在南極，一人在北極，兩衛(wèi)星到地球中心的距離可以不等

19、，但應成整數(shù)倍C. 兩人都在赤道上，兩衛(wèi)星到地球中心的距離一定相等D. 兩人都在赤道上，兩衛(wèi)星到地球中心的距離可以不等，但應成整數(shù)倍答案 C解析 觀察者看到的都是同步衛(wèi)星，衛(wèi)星在赤道上空，到地心的距離相等.考點三宇宙速度的計算6假設地球的質量不變，而地球的半徑增大到原來半徑的2 倍，那么地球的第一宇宙速度的大小應為原來的（）A.邁 B.警C. 1 D . 2答案 BC.軌道平面可以不同D.速率可以不同解析萬有引力提供衛(wèi)星做圓周運動的向心力2GMm2n2v7=m）r=嚇，解得周期T=2n環(huán)繞速度可見周期相同的情況下軌道半徑必然相同,B 錯誤軌道半徑相同必然14解析因第一宇宙速度即為地球的近地衛(wèi)星

20、的線速度，此時衛(wèi)星的軌道半徑近似的認為等于15變，R增大為 2R時，v減小為原來的-22，選項 B 正確.7.星球上的物體脫離星球引力所需的最小速度稱為該星球的第二宇宙速度,速度V2與其第一宇宙速度V1的關系是V2= 2v1.已知某星球的半徑為r,星球表面的重力加1速度為地球表面重力加速度g的 6,不計其他星球的影響， 則該星球的第二宇宙速度為（）質量約為地球質量的 9，火星的半徑約為地球半徑的 2 可得火星的第一宇宙速度與地球第【考點】第一宇宙速度的計算【題點】用萬有引力提供向心力求解第一宇宙速度 二、非選擇題9.（第一宇宙速度的計算）恒星演化發(fā)展到一定階段， 可能成為恒星世界的“侏儒”一一中子地球的半徑，且地球對衛(wèi)星的萬有引力提供向心力.由星球的第二宇宙A.grB.1grC.1 13grD 3gr答案 C1V12解析 由 mg=m得V1=；gr.再根據(jù)V2= 2vi得V2=|gr，故 C 選項正確.8.（多選）斯