高中物理 65 宇宙航行導(dǎo)學(xué)案 新人教版必修2

本文格式為Word版，下載可任意編輯——高中物理65宇宙航行導(dǎo)學(xué)案新人教版必修2§6.5宇宙航行

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.了解衛(wèi)星的發(fā)射運(yùn)行等狀況.了解飛船飛入太空的狀況.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.激情投入、交流、探討，知道三個(gè)宇宙速度的含義,會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度學(xué)習(xí)重點(diǎn)：知道三個(gè)宇宙速度的含義,會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度學(xué)習(xí)難點(diǎn)：推導(dǎo)第一宇宙速度預(yù)習(xí)案

1．第一宇宙速度的推導(dǎo)

方法一：設(shè)地球質(zhì)量為M，半徑為R，繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的飛行器的質(zhì)量為m，飛行器的速度（第一宇宙速度）為v。,飛行器運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由萬(wàn)有引力提供的，近地衛(wèi)星在“地面附近〞飛行，可以

用地球半徑R代表衛(wèi)星到地心的距離，所以，由此解出v=_____。

方法二：物體在地球表面受到的引力可以近似認(rèn)為等于重力，所以星的環(huán)繞速度，是地球衛(wèi)星的最大運(yùn)行速度。

，解得v=_____。

關(guān)于第一宇宙速度有三種說(shuō)法：第一宇宙速度是發(fā)射人造地球衛(wèi)星所必需達(dá)到的最小速度，是近地衛(wèi)另外第一宇宙速度是衛(wèi)星相對(duì)于地心的線速度。地面上發(fā)射衛(wèi)星時(shí)的發(fā)射速度，是衛(wèi)星獲得的相對(duì)地面的速度與地球自轉(zhuǎn)速度的合速度。所以赤道上自西向東發(fā)射衛(wèi)星可以節(jié)省一定的能量。

2．其次宇宙速度，是飛行器戰(zhàn)勝地球的引力，離開(kāi)地球束縛的速度，是在地球上發(fā)射繞太陽(yáng)運(yùn)行或飛到其他行星上去的飛行器的最小發(fā)射速度。其值為：________。第三宇宙速度，是在地面附近發(fā)射一個(gè)物體，使它解脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系外，必需達(dá)到的速度。其值是_________。

3．人造地球衛(wèi)星

（1）人造地球衛(wèi)星的軌道和運(yùn)行速度

衛(wèi)星地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，是地球的引力提供向心力，衛(wèi)星受到地球的引力方向指向地心，而做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力方向始終指向圓心，所以衛(wèi)星圓周運(yùn)動(dòng)的圓心和地球的地心重合。這樣就存在三類人造地球衛(wèi)星軌道：①赤道軌道，衛(wèi)星軌道在赤道平面，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)星通過(guò)兩極上空；③一般軌道，衛(wèi)星軌道和赤道成一定角度。

對(duì)于衛(wèi)星的速度要區(qū)分發(fā)射速度和運(yùn)行速度，發(fā)射速度是指將衛(wèi)星發(fā)射到空中的過(guò)程中，在地面上衛(wèi)星必需獲得的速度，等于第一宇宙速度，衛(wèi)星能在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，大于第一宇宙速度而小于其次宇宙速度時(shí)，衛(wèi)星做以地球?yàn)榻裹c(diǎn)的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。運(yùn)行速度是指衛(wèi)星在正常軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，假使衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力

，得

，可見(jiàn)，軌道半徑越大，

衛(wèi)星的運(yùn)行速度越小。實(shí)際上衛(wèi)星從發(fā)射到正常運(yùn)行中間經(jīng)歷了一個(gè)調(diào)整、變軌的繁雜過(guò)程。

4．同步衛(wèi)星，是指相對(duì)于地面靜止的衛(wèi)星。同步衛(wèi)星必定位于赤道軌道，周期等于地球自轉(zhuǎn)周期。知道了同步衛(wèi)星的周期，就可以根據(jù)萬(wàn)有引力定律、牛頓其次定律和圓周運(yùn)動(dòng)向心加速度知識(shí)，計(jì)算同步衛(wèi)星的高度、速度等有關(guān)數(shù)據(jù)。

1

5．人造地球衛(wèi)星內(nèi)的物體也受到地球的引力，衛(wèi)星內(nèi)物體受到地球的引力正好提供物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，物體處于完全失重狀態(tài)。

探究案：

探究一：人造地球衛(wèi)星的應(yīng)用主要有哪些？返回式遙感衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星

探究二：什么是黑洞？

假使星球的密度很大，它的質(zhì)量很大而半徑又很小，它表面的逃逸速度很大，連光都不能逃逸，那么即使它確實(shí)在發(fā)光，光也不能進(jìn)入太空，我們就看不到它。這種天體稱為黑洞。

探究三：用萬(wàn)有引力定律處理天體問(wèn)題的主要解題思路？

解題思路:用萬(wàn)有引力定律處理天體問(wèn)題，主要有兩條解題思路：（1）在地面附近把萬(wàn)有引力看成等于物體受的重力，即F引?mg，主要用于計(jì)算涉及重力加速度的問(wèn)題；（2）把天體的運(yùn)動(dòng)看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且F引?F向心，主要用于計(jì)算天體質(zhì)量、密度以及探討衛(wèi)星的速度、角速度、周期隨軌道的變化而變化等問(wèn)題。

能力訓(xùn)練案

例1：無(wú)人飛船“神舟二號(hào)〞曾在離地面高度H=3.4×10m的圓軌道上運(yùn)行了47h，求這段時(shí)間里它繞地球多少周？（地球半徑R=6.37×10m，重力加速度g=9.8m/s）

解析：47h內(nèi)“神舟二號(hào)〞繞地球運(yùn)行多少周，也就是說(shuō)47h有幾個(gè)周期，此題關(guān)鍵是求“神舟二號(hào)〞的運(yùn)行周期。可以根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力這個(gè)思路來(lái)求周期T。

設(shè)“神舟二號(hào)〞的質(zhì)量為m，它在地面上的重力近似等于它受地球的萬(wàn)有引力，有

6

25

在空中運(yùn)行時(shí)有

解得：=5474s=1.52h

47h內(nèi)繞地球運(yùn)行的圈數(shù)

周

答：47h內(nèi)“神舟二號(hào)〞繞地球運(yùn)行的圈數(shù)為31周。

拓展：此題主要綜合應(yīng)用萬(wàn)有引力定律，牛頓其次定律，和向心力公式，求圓周運(yùn)動(dòng)周期。其中又將

物體在地球表面的重力近似看作物體受到的萬(wàn)有引力，由得到代換式：。向心加

速度的表達(dá)式

可根據(jù)具體問(wèn)題選用。

6

24

2

例2：已知地球半徑R=6.4×10m，地球質(zhì)量M=6.0×10kg，地面附近的重力加速度g=9.8m/s，第一宇

2

宙速度v1=7.9×10m/s。若發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，使它在赤道上空運(yùn)轉(zhuǎn)，其高度和速度應(yīng)為多大？

解析：所謂同步，就是衛(wèi)星相對(duì)于地面靜止即衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期等于地球自轉(zhuǎn)周期。由于是萬(wàn)有引力提供向心力，衛(wèi)星的軌道圓心應(yīng)當(dāng)在地球的地心，所以同步衛(wèi)星的軌道只能在地球赤道上方。該題的計(jì)算思路依舊是萬(wàn)有引力提供向心力

設(shè)同步衛(wèi)星的質(zhì)量m，離地高度h，速度為v，周期為T（等于地球自轉(zhuǎn)周期）

3

方法一：

解得：=3.56×10m

3

7

3.1×10m/s

方法二：若認(rèn)為同步衛(wèi)星在地面上的重力等于地球的萬(wàn)有引力，有

解聯(lián)立方程得：=3.56×10m

7

方法三：根據(jù)第一宇宙速度v1，有

解得：

7

=3.56×10m

3

7

答：同步衛(wèi)星的高度為3.56×10m，速度是3.1×10m/s。

拓展：根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力列式求解，是解決此類問(wèn)題的基本思路。在此題中又可以用地面重力加速度、第一宇宙速度這些已知量做相應(yīng)代換。

此題計(jì)算得到的同步衛(wèi)星運(yùn)行速度為3.1×10m/s，比第一宇宙速度v1=7.9×10m/s小得多。第一宇宙速度是近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度，同步衛(wèi)星是在高空中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，它的速度小于第一宇宙速度。同步衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的速度大于第一宇宙速度，一開(kāi)始做大橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，隨后在高空中進(jìn)行調(diào)整最終進(jìn)入同步軌道做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速度比第一宇宙速度小。

3

3

3

能力訓(xùn)練

1．航天飛機(jī)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)上的物體處于失重狀態(tài)，是指這個(gè)物體（CD）A.不受地球的吸引力

B.受到地球吸引力和向心力平衡

C.受到地球的引力提供了物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力D.對(duì)支持它的物體的壓力為零

2、若已知某行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的半徑為r，公轉(zhuǎn)周期為T，萬(wàn)有引力恒量為G，則由此可求出（B）

A：某行星的質(zhì)量B：太陽(yáng)的質(zhì)量C：某行星的密度D：太陽(yáng)的密度

3、人造地球衛(wèi)星與地面的距離為地球半徑的1.5倍，衛(wèi)星正以角速度ω做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，地面的重力加速度為g，R、?、g這三個(gè)物理量之間的關(guān)系是（A）

A：??22g2g33g25gB：??C：D：

55R5R22R52R4、在繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的航天飛機(jī)的外表面上，有一隔熱陶瓷片自動(dòng)脫落，則陶瓷片的運(yùn)動(dòng)狀況是（C）

A：平拋運(yùn)動(dòng)B：自由落體運(yùn)動(dòng)C：仍按原軌道做勻速圓周運(yùn)動(dòng)D：做速圓周運(yùn)動(dòng)，逐漸落后于航天飛機(jī)5．關(guān)于地球同步衛(wèi)星，以下說(shuō)法中正確的是（ACD）A．它的速度小于7.9km/sB．它的速度大于7.9km/sC．它的周期是24h,且軌道平面與赤道平面重合D．每一個(gè)地球同步衛(wèi)星離開(kāi)地面的高度是一樣的

6．人造地球衛(wèi)星由于受大氣阻力，其軌道半徑逐漸減小，其相應(yīng)的線速度和周期的變化狀況是（D）A.速度減小，周期增大B.速度減小，周期減小C.速度增大，周期增大D.速度增大，周期減小

過(guò)關(guān)檢測(cè)案

1、人造地球衛(wèi)星以地心為圓心，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，以下說(shuō)法正確的是（B）

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)星的速度均是一致的，與半徑無(wú)關(guān)D：所有衛(wèi)星的角速度均是一致的，與半徑無(wú)關(guān)

2．關(guān)于宇宙速度，以下說(shuō)法正確的是（A）

A．第一宇宙速度是能使人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小發(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．其次宇宙速度是衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行時(shí)近地點(diǎn)的速度D．第三宇宙速度是發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度

3．地球半徑為R，地面重力加速度為g，地球自轉(zhuǎn)周期為T，地球同步衛(wèi)星離地面的高度為h，則地球同步衛(wèi)星的線速度大小為（AC）

4．當(dāng)人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其繞行速度（B）A.一定等于7.9千米/秒B.一定小于7.9千米/秒

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C.一定大于7.9千米/秒D.介于7.9～11.2千米/秒

5、我們國(guó)家在1986年成功發(fā)射了一顆實(shí)用地球同步衛(wèi)星，從1999年至今已幾次將“神州〞號(hào)宇宙飛船送入太空。在某次試驗(yàn)中，飛船在空中飛行了36h,繞地球24圈。那么同步衛(wèi)星與飛船在軌道上正常運(yùn)轉(zhuǎn)相比較（AD）

Ａ：衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期比飛船大Ｂ：衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)速率比飛船大Ｃ：衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)加速度比飛船大Ｄ：衛(wèi)星離地高度比飛船大6、利用所學(xué)的知識(shí)，推導(dǎo)第一宇宙速度的表達(dá)式v?

7、一宇航員在某一行星的極地著陸時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己在當(dāng)?shù)氐闹亓κ窃诘厍蛏现亓Φ?.01倍，進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，該行星一晝夜的時(shí)間與地球一致，而且物體在赤道上完全失去了重力，試計(jì)算這一行星的半徑R。

gR。

1.8?107

8．組成星球的物質(zhì)是靠引力吸引在一起的，這樣的星球有一個(gè)最大的自轉(zhuǎn)速率，假使超過(guò)了該速率，星球的萬(wàn)有引力將不足以維持赤道附近的物體做圓周運(yùn)動(dòng)。已知一個(gè)星球的質(zhì)量為M，半徑為R，假設(shè)該星球是均勻分布的，求它的最小自轉(zhuǎn)周期。

教后反思：

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習(xí)題課（§6.5宇宙航行）

1．宇航員在一個(gè)半徑為R的星球上，以速度v0豎直上拋一個(gè)物體，經(jīng)過(guò)t秒后物體落