高中物理人教版第六章萬(wàn)有引力與航天宇宙航行 獲獎(jiǎng)作品

第六章萬(wàn)有引力與航天第五節(jié)宇宙航行【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．了解人造地球衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)和航天發(fā)展史；2．知道三個(gè)宇宙速度的含義和數(shù)值，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度；3．理解衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系?！局攸c(diǎn)、難點(diǎn)】

重點(diǎn)：第一宇宙速度的推導(dǎo)。難點(diǎn)：衛(wèi)星運(yùn)行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系。預(yù)習(xí)案【自主學(xué)習(xí)】1．第一宇宙速度是指衛(wèi)星在____________繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，也是繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的____________速度。第一宇宙速度也是將衛(wèi)星發(fā)射出去使其繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)所需要的________發(fā)射速度，其大小為_(kāi)_______。2．第二宇宙速度是指將衛(wèi)星發(fā)射出去使其克服____________，永遠(yuǎn)離開(kāi)地球，即掙脫地球的________束縛所需要的最小發(fā)射速度，其大小為_(kāi)_______。3．第三宇宙速度是指使發(fā)射出去的衛(wèi)星掙脫太陽(yáng)________的束縛，飛到____________外所需要的最小發(fā)射速度，其大小為_(kāi)_______。4、同步衛(wèi)星就是相對(duì)地球的衛(wèi)星，它只能處于上空，它的運(yùn)轉(zhuǎn)周期是?！緦W(xué)始于疑】拋出的石頭會(huì)落地，為什么衛(wèi)星，月球沒(méi)有落下來(lái)？衛(wèi)星，月球沒(méi)有落下來(lái)必須具備什么條件？宇宙速度是發(fā)射速度還是環(huán)繞速度？為什么說(shuō)第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度，是最大的環(huán)繞速度？探究案【合作探究一】宇宙速度問(wèn)題1：將物體以水平速度從某一高度拋出，當(dāng)速度增加時(shí)，水平射程增大，速度增大到某一值時(shí)，物體能否落回地面？若不能，此速度必須滿(mǎn)足什么條件？問(wèn)題2：以多大的速度v將物體拋出，它才會(huì)成為繞地球表面運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星?方法一：設(shè)地球質(zhì)量為M，被拋出去的物體的質(zhì)量為m，物體繞地球運(yùn)行的軌道半徑為r，衛(wèi)星的環(huán)繞度為v方法二：?jiǎn)栴}3：為什么說(shuō)第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度，是最大的環(huán)繞速度？歸納總結(jié):（1），叫地球第一宇宙速度，又叫環(huán)繞速度。它是發(fā)射一個(gè)物體、使其成為地球衛(wèi)星的；也是衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的。（2）如果物體發(fā)射的速度更大，達(dá)到或超過(guò)時(shí)，物體將擺脫地球引力的束縛，成為繞運(yùn)動(dòng)的人造小行星。我們把這個(gè)速度稱(chēng)為第二宇宙速度，又叫脫離速度。（3）如果物體的發(fā)射速度再大，達(dá)到或超過(guò)時(shí)，物體將能夠擺脫的束縛，飛到太陽(yáng)系外。我們把這個(gè)速度稱(chēng)為第三宇宙速度，也叫逃逸速度。（4）人造衛(wèi)星的線速度，角速度，周期與半徑之間的關(guān)系是：?！竞献魈骄慷客叫l(wèi)星問(wèn)題1：什么樣的衛(wèi)星叫同步衛(wèi)星？同步衛(wèi)星具有哪些特點(diǎn)？說(shuō)明你的依據(jù)。歸納總結(jié)：其特點(diǎn)是：①周期_____地球自轉(zhuǎn)周期；T=24h;②角速度_____地球自轉(zhuǎn)角速度；③軌道平面與赤道平面______；④所有同步衛(wèi)星的軌道半徑都______,他們距地面的高度_______，即他們處在______軌道上；321PQ321PQ問(wèn)題1：什么情況下衛(wèi)星會(huì)出現(xiàn)變軌問(wèn)題？變軌有幾種情況？問(wèn)題2：變軌前后在同一點(diǎn)，衛(wèi)星的速度，加速度是什么關(guān)系？變軌前后衛(wèi)星的線速度，角速度，周期，能量都發(fā)生了什么樣的變化？歸納總結(jié)：當(dāng)衛(wèi)星由于某種原因速度突然改變時(shí)（開(kāi)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，衛(wèi)星將做變軌運(yùn)動(dòng)。(1)、當(dāng)衛(wèi)星的速度突然增加時(shí)，,即萬(wàn)有引力不足以提供向心力，衛(wèi)星將做_________運(yùn)動(dòng)，軌道半徑變_____，但一旦進(jìn)入新的軌道運(yùn)行由知其運(yùn)行速度要_____。(2)、當(dāng)衛(wèi)星的速度突然減小時(shí)，，即萬(wàn)有引力大于衛(wèi)星所需的向心力，衛(wèi)星將做_________運(yùn)動(dòng)，軌道半徑變_____，進(jìn)入新的軌道運(yùn)行時(shí)由知其運(yùn)行速度將_____?！菊n堂小結(jié)/本節(jié)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)】萬(wàn)有引力定律和向心力公式相結(jié)合，可以推導(dǎo)出衛(wèi)星繞行的線速度，角速度，周期和半徑的關(guān)系，記住三種宇宙速度的數(shù)值，結(jié)合航天知識(shí)可以進(jìn)行實(shí)際的計(jì)算。同步衛(wèi)星是眾多衛(wèi)星當(dāng)中較特殊的一種，認(rèn)識(shí)它的特點(diǎn)和規(guī)律可以用來(lái)求解很多題目。萬(wàn)有引力定律應(yīng)用于衛(wèi)星問(wèn)題，是牛頓第二定律在天體運(yùn)行中的具體應(yīng)用，把握好萬(wàn)有引力定律，牛頓第二定律，勻速圓周運(yùn)動(dòng)及其他力學(xué)知識(shí)的綜合，是解答本節(jié)問(wèn)題的關(guān)鍵?！舅伎肌?、實(shí)際上發(fā)射衛(wèi)星和我們所講的一樣嗎？有什么區(qū)別？2、在衛(wèi)星發(fā)射和運(yùn)行的過(guò)程中是處于失重還是超重狀態(tài)？【當(dāng)堂檢測(cè)】1．下列表述正確的是()A．第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度B．第一宇宙速度又叫脫離速度C．第一宇宙速度跟地球的質(zhì)量無(wú)關(guān)D．第一宇宙速度跟地球的半徑無(wú)關(guān)2．人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道半徑為R，線速度為v，周期為T(mén)，若使該衛(wèi)星的周期變?yōu)?T，可行的辦法是()A．R不變，線速度變?yōu)閑q\f(v,2)B．v不變，使軌道半徑變?yōu)?RC．軌道半徑變?yōu)閑q\r(3,4)RD．v不變，使軌道半徑變?yōu)閑q\f(R,2)3．關(guān)于地球同步衛(wèi)星，下列說(shuō)法正確的是()A．它的周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同B．它的周期、高度、速度大小都是一定的C．我國(guó)發(fā)射的同步通訊衛(wèi)星可以定點(diǎn)在北京上空D．我國(guó)發(fā)射的同步通訊衛(wèi)星必須定點(diǎn)在赤道上空4．據(jù)報(bào)道，我國(guó)的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號(hào)01星”于2023年4月25日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)4次變軌控制后，于5月1日成功定點(diǎn)在東經(jīng)77°赤道上空的同步軌道．關(guān)于成功定點(diǎn)后的“天鏈一號(hào)01星”，下列說(shuō)法正確的是()A．運(yùn)行速度大于km/sB．離地面高度一定，相對(duì)地面靜止C．繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球運(yùn)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5、發(fā)射地球同步衛(wèi)星時(shí)，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后點(diǎn)火，使其沿橢圓軌道2運(yùn)行，最后再次點(diǎn)火，將衛(wèi)星送入同步圓軌道3.軌道1、2相切于Q點(diǎn)，軌道2、3相切于P點(diǎn)，如圖1所示，則當(dāng)衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運(yùn)行時(shí)，以下說(shuō)法正確的是()A．衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率B．衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度C．衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的加速度D．衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)的加速度【課后鞏固】1．恒星演化發(fā)展到一定階段，可能成為恒星世界的“侏儒”——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×1017kg/m3，那么該中子星上的第一宇宙速度約為()A．km/s B．km/sC．×104km/s D．×104km/s2．宇宙飛船在軌道上運(yùn)行，由于地面指揮人員發(fā)現(xiàn)某一火箭殘?bào)w的軌道與飛船軌道有一交點(diǎn)，通知宇航員某一時(shí)間飛船有可能與火箭殘?bào)w相遇．宇航員隨即開(kāi)動(dòng)飛船上的發(fā)動(dòng)機(jī)使飛船加速，脫離原軌道，關(guān)于飛船的運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法正確的是()A．飛船高度降低B．飛船高度升高C．飛船周期變小D．飛船的向心加速度變大3．地球同步衛(wèi)星是指相對(duì)于地面不動(dòng)的人造地球衛(wèi)星，則下列說(shuō)法正確的是（）A、它可以在地面上任一點(diǎn)的正上方，且離地心的距離可按需要選擇不同的值；B、它可以在地面上任一點(diǎn)的正上方，但離地心的距離是一定值；C、它只能在赤道正上方，但離地心的距離可按需要選擇不同的值；D、它只能在赤道的正上方，且離地心的距離時(shí)一定的；年10月12日，我國(guó)成功的發(fā)射了搭載兩名宇航員的“神舟六號(hào)”飛船，飛船軌道高度為343km，周期約為90分鐘，在飛船進(jìn)入圓形軌道飛行時(shí)，它的線速度大小是（）A、等于sB、介于s和s之間C、小于sD、介于s和s之間5、人造地球衛(wèi)星以地心為圓心，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，關(guān)于其各物理量間的關(guān)系，下列說(shuō)法正確的是（）A、半徑越大，速度越小，周期越小B、半徑越大，速度越小，周期越大C、所有衛(wèi)星的線速度均是相同的，與半徑無(wú)關(guān)；D、所有衛(wèi)星的角速度均是相同的，與半徑無(wú)關(guān)；6、在某星球表面一速度v0豎直上拋一物體，經(jīng)時(shí)間t返回，若以同樣的速度在地球上豎直上拋該物體，經(jīng)5t時(shí)間返回；該星球與地球的半徑之比為4：1；求：（1）該星球和地球表面的重力加速度之比？（2）在該星球和地球上上發(fā)射衛(wèi)星所需的最小速度之比？【答案】自主學(xué)習(xí)：1．近地軌道最大環(huán)繞最小km/s2．地球引力引力km/s3．引力太陽(yáng)系km/s4、靜止赤道24h當(dāng)堂檢測(cè):1．A[第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度，A對(duì)，B錯(cuò)．根據(jù)Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(v2,R)可知環(huán)繞速度與地球的質(zhì)量和半徑有關(guān)，C、D錯(cuò)．]C[由eq\f(GMm,R2)＝mReq\f(4π2,T2)得，T＝eq\r(\f(4π2R3,GM))＝2πeq\r(\f(R3,GM))，所以T′＝2T＝2πeq\r(\f(R′3,GM))，解得R′＝eq\r(3,4)R，故選C.ABD4．BC[由題意知，定點(diǎn)后的“天鏈一號(hào)01星”是同步衛(wèi)星，即T＝24h．由eq\f(GMm,r2)＝meq\f(v2,r)＝mω2r＝meq\f(4π2,T2)r＝ma，得：v＝eq\r(\f(GM,r))，運(yùn)行速度應(yīng)小于第一宇宙速度，A錯(cuò)誤．r＝eq\r(3,\f(GMT2,4π2))，由于T一定，故r一定，所以離地高度一定，B正確．由ω＝eq\f(2π,T)，T同<T月，ω同>ω月，C正確．a(chǎn)＝rω2＝r(eq\f(2π,T))2.赤道上物體的軌道半徑小于同步衛(wèi)星的軌道半徑，故赤道上物體的向心加速度小于同步衛(wèi)星的向心加速度，D錯(cuò)誤．]5．BD[本題主要考查人造地球衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，尤其是考查了地球同步衛(wèi)星的發(fā)射過(guò)程，對(duì)考生理解物理模型有很高的要求．由Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)得，v＝eq\r(\f(GM,r)).因?yàn)閞3>r1，所以v3<v1.由Geq\f(Mm,r2)＝mω2r得，ω＝eq\r(\f(GM,r3)).因?yàn)閞3>r1，所以ω3<ω1.衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)Q點(diǎn)時(shí)的加速度為地球引力產(chǎn)生的加速度，而在軌道2上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)，也只有地球引力產(chǎn)生加速度，故應(yīng)相等．同理，衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)P點(diǎn)時(shí)的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)的加速度．]課后鞏固：1、D[中子星上的第一宇宙速度即為它表面處的衛(wèi)星的環(huán)繞速度，此時(shí)衛(wèi)星的軌道半徑近似地認(rèn)為是該中子星的半徑，且中子星對(duì)衛(wèi)星的萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力，由Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)，得v＝eq\r(\f(GM,r))，又M＝ρV＝ρeq\f(4πr3,3)，得v＝req\r(\f(4πGρ,3))＝1×104×eq\r(\f(4×××10－11××1017,3))m/s＝×107m