7.4宇宙航行-高一物理講義（人教2019）（原卷版）

第七章萬有引力與宇宙航行第4課宇宙航行目標(biāo)導(dǎo)航目標(biāo)導(dǎo)航課程標(biāo)準(zhǔn)核心素養(yǎng)1.掌握求解第一宇宙速度的兩種方法，知道三個宇宙速度的含義.2.了解人造地球衛(wèi)星的歷史及現(xiàn)狀，知道人造衛(wèi)星的特點(diǎn)．1、物理觀念：三個宇宙速度、同步衛(wèi)星。2、科學(xué)思維：人造衛(wèi)星的發(fā)射原理。3、科學(xué)探究：牛頓的關(guān)于人造衛(wèi)星的設(shè)想。4、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：我國和世界航天事業(yè)發(fā)展的歷史和前景，了解神舟飛船、空間站的發(fā)射與運(yùn)行。知識精講知識精講知識點(diǎn)01宇宙速度1．第一宇宙速度的推導(dǎo)(1)已知地球質(zhì)量m地和半徑R，物體在地面附近繞地球的運(yùn)動可視作運(yùn)動，提供物體運(yùn)動所需的向心力，軌道半徑r近似認(rèn)為等于，由eq\f(Gmm地,R2)＝meq\f(v2,R)，可得v＝eq\r(\f(Gm地,R)).(2)已知地面附近的重力加速度g和地球半徑R，由＝meq\f(v2,R)得：v＝eq\r(gR).2．三個宇宙速度及含義數(shù)值意義第一宇宙速度km/s物體在繞地球做勻速圓周運(yùn)動的速度第二宇宙速度km/s在地面附近發(fā)射飛行器使其克服引力，永遠(yuǎn)離開地球的最小地面發(fā)射速度第三宇宙速度km/s在地面附近發(fā)射飛行器使其掙脫引力束縛，飛到太陽系外的最小地面發(fā)射速度【即學(xué)即練1】(多選)下列關(guān)于三種宇宙速度的說法中正確的是()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)行時的速度大于等于v1，小于v2B．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(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)星繞地球做圓周運(yùn)動的最大運(yùn)行速度知識點(diǎn)02人造地球衛(wèi)星1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功．【即學(xué)即練2】我國發(fā)射了一顆繞月運(yùn)行的探月衛(wèi)星“嫦娥一號”．設(shè)該衛(wèi)星的軌道是圓形的，且貼近月球表面．已知月球的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的eq\f(1,81)，月球的半徑約為地球半徑的eq\f(1,4)，地球上的第一宇宙速度約為7.9km/s，則該探月衛(wèi)星繞月運(yùn)行的最大速率約為()A．0.4km/s B．1.8km/sC．11km/s D．36km/s能力拓展能力拓展考法01三個宇宙速度1．第一宇宙速度(1)兩個表達(dá)式思路一：萬有引力提供物體運(yùn)動所需的向心力，由Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(v2,R)得v＝eq\r(\f(GM,R)).思路二：可近似認(rèn)為重力提供物體運(yùn)動所需的向心力，由mg＝meq\f(v2,R)得v＝eq\r(gR).(2)理解①“最小發(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“環(huán)繞速度”：第一宇宙速度是所有環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動的衛(wèi)星的最大速度．2．第二宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，使之能夠克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球所需的最小發(fā)射速度，其大小為11.2km/s.當(dāng)發(fā)射速度7.9km/s<v0<11.2km/s時，飛行器繞地球運(yùn)行的軌道是橢圓，且在軌道不同點(diǎn)速度大小一般不同．3．第三宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，使之能夠掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外的最小發(fā)射速度，其大小為16.7km/s.【典例1】截至2022年3月24日，我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”環(huán)繞器在軌運(yùn)行609天，距離地球2.77億千米，當(dāng)前運(yùn)行正常．已知火星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的10%，半徑約為地球半徑的50%，下列說法正確的是()A．火星探測器的發(fā)射速度應(yīng)大于地球的第二宇宙速度B．火星探測器的發(fā)射速度應(yīng)介于地球的第一和第二宇宙速度之間C．火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度D．火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度考法02人造地球衛(wèi)星1．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)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動的向心力，所以地心必定是衛(wèi)星圓軌道的圓心．2．近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、極地衛(wèi)星和月球(1)近地衛(wèi)星：地球表面附近的衛(wèi)星，r≈R；線速度大小v≈7.9km/s、周期T＝eq\f(2πR,v)≈85min，分別是人造地球衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動的最大速度和最小周期．(2)同步衛(wèi)星：位于地球赤道上方，相對于地面靜止不動，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)行時能到達(dá)南北極上空．(4)月球繞地球的公轉(zhuǎn)周期T＝27.3天，月球和地球間的平均距離約38萬千米，大約是地球半徑的60倍．【典例2】金星的半徑是地球半徑的eq\f(4,5)，質(zhì)量是地球質(zhì)量的eq\f(2,5)，忽略金星、地球自轉(zhuǎn)的影響，金星表面的自由落體加速度與地球表面的自由落體加速度之比，金星的第一宇宙速度與地球的第一宇宙速度之比分別是()A．5∶81∶2 B．5∶8eq\r(2)∶2C．1∶2eq\r(2)∶2 D．1∶21∶2分層提分分層提分題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1．國際科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了兩顆距離地球僅100光年的新行星，其中一顆可能適合生命生存。這兩顆行星分別是LP890－9b（以下簡稱行星A）和LP890－9c（以下簡稱行星B）。行星A的半徑約為8370公里，僅需2.7天就能繞恒星C一圈；行星B半徑約為8690公里，8.5天能繞恒星C一圈，假設(shè)行星A、B繞恒星C做勻速圓周運(yùn)動。則（

）A．行星A表面的重力加速度大于行星B表面的重力加速度B．行星A的公轉(zhuǎn)軌道半徑大于行星B的公轉(zhuǎn)軌道半徑C．行星A的公轉(zhuǎn)速度大于行星B的公轉(zhuǎn)速度D．行星A的公轉(zhuǎn)角速度小于行星B的公轉(zhuǎn)角速度2．神舟十四號載人飛船于2022年6月5日成功發(fā)射并按照預(yù)定程序與空間站進(jìn)行自主快速交會對接。若空間站位于距地面高度為的近地圓軌道運(yùn)行，另一衛(wèi)星A位于距地面高度為圓軌道運(yùn)行，地球半徑為，地球表面重力加速度為g，則（）A．空間站組合體的加速度大小為B．空間站的周期與衛(wèi)星A的周期之比為C．空間站的加速度與衛(wèi)星A的加速度之比為2:1D．空間站的線速度與衛(wèi)星A的線速度之比為2:13．中國空間站“天宮”繞地球做勻速圓周運(yùn)動，距地面高度約為400km。已知地球同步衛(wèi)星距地面高度約為36000km，下列說法正確的是（

）A．中國空間站“天宮”的運(yùn)動周期比地球近地衛(wèi)星運(yùn)動周期小B．中國空間站“天宮”的向心加速度比地球近地衛(wèi)星向心加速度大C．中國空間站“天宮”的運(yùn)行速度比地球同步衛(wèi)星運(yùn)行速度小D．中國空間站“天宮”的運(yùn)動周期比地球同步衛(wèi)星運(yùn)動周期小4．2021年6月17日，神舟十二號載人飛船與天和核心艙成功對接，對接過程如圖所示，天和核心艙處于半徑為的圓軌道Ⅲ；神舟十二號飛船處于半徑為的圓軌道Ⅰ，當(dāng)經(jīng)過A點(diǎn)時，通過變軌操作后，沿橢圓軌道Ⅱ運(yùn)動到B處與核心艙對接，則神舟十二號飛船（）A．沿軌道Ⅰ運(yùn)行的速度小于天和核心艙沿軌道Ⅲ運(yùn)行的速度B．在軌道Ⅰ上運(yùn)動經(jīng)過A點(diǎn)的加速度小于在軌道Ⅱ上運(yùn)動經(jīng)過A點(diǎn)的加速度C．沿軌道Ⅱ從A運(yùn)動到B的過程中，動能不斷增大D．在軌道Ⅰ上運(yùn)行的周期小于在軌道Ⅱ上運(yùn)行的周期5．（多選）2022年11月12日10時03分，搭載天舟五號貨運(yùn)飛船的長征七號遙六運(yùn)載火箭，在文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火發(fā)射。天舟五號貨運(yùn)飛船與火箭成功分離并進(jìn)入預(yù)定軌道，入軌后順利完成狀態(tài)設(shè)置，于11月12日12時10分，采取自主快速交會對接模式，成功對接于軌道高度約為400km空間站“天和”核心艙后向端口。交會對接完成后，天舟五號將轉(zhuǎn)入組合體飛行階段。此次任務(wù)，首次實(shí)現(xiàn)了兩小時自主快速交會對接，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。已知對接后組合體所繞軌道視為圓軌道，繞行周期為T，距地高度為nR，R為地球半徑，萬有引力常量為G。下列說法中正確的是（）A．天舟五號貨運(yùn)飛船的發(fā)射速度大于“天和”核心艙的環(huán)繞速度B．組合體的線速度小于第一宇宙速度C．應(yīng)先將天舟五號貨運(yùn)飛船送入核心艙的同一軌道，再加速以實(shí)現(xiàn)對接D．地球表面重力加速度為6．（多選）中國行星探測任務(wù)名稱為“天問系列”，首次火星探測任務(wù)被命名為“天問一號”。若已知“天問一號”探測器在距離火星中心為的軌道上做勻速圓周運(yùn)動，其周期為?；鹦前霃綖椋赞D(zhuǎn)周期為。引力常量為，若火星與地球運(yùn)動情況相似，下列說法正確的是（）A．火星的質(zhì)量為B．火星表面兩極的重力加速度為C．“天問一號”探測器環(huán)繞速度為D．火星的同步衛(wèi)星距離星球表面高度為題組B能力提升練7．（多選）2022年11月30日，“神州十五號”載人飛船與中國太空站“天和核心艙”完成自主對接。對接前“神州十五號”在較低軌道運(yùn)行，“天和核心艙”在較高軌道運(yùn)行，它們都繞地球近似做勻速圓周運(yùn)動，運(yùn)行軌道如圖所示，下列說法正確的是（

）A．“神州十五號”和“天和核心艙”都處于平衡狀態(tài)B．“神州十五號”運(yùn)行時的向心力比“天和核心艙”大C．“神州十五號”運(yùn)行的周期比“天和核心艙”小D．“神州十五號”運(yùn)行時的線速度比“天和核心艙”大8．（多選）宇宙中兩顆相距很近的恒星常常組成一個雙星系統(tǒng)，它們以相互間的萬有引力彼此提供向心力，而使它們繞著某一共同的圓心做勻速圓周運(yùn)動，若已知它們的運(yùn)轉(zhuǎn)周期為T，這兩恒星到某一共同圓心的距離分別為和。則關(guān)于這兩顆恒星的說法正確的是（）A．這兩顆恒星的質(zhì)量之比等于m1：m2=R1：R2B．這兩顆恒星的質(zhì)量之和為C．其中必有一顆恒星的質(zhì)量為D．這兩顆恒星勻速圓周運(yùn)動的線速度大小之比為v1：v2=R2：R19．（多選）中國“雪龍?zhí)枴蹦蠘O科考船上的科研人員，在經(jīng)過赤道時測量的重力加速度大小為g，到達(dá)南極后，在南極附近測得的重力加速度大小為，已知地球的自轉(zhuǎn)周期為T，引力常量為G，假設(shè)地球是均勻球體。則下列說法正確的是（

）A．地球的密度為B．地球的半徑為C．地球的第一宇宙速度為D．若地球的自轉(zhuǎn)角速度變?yōu)樵瓉淼谋稌r，地球赤道上的物體對地面的壓力為零10．（多選）宇宙空間有兩顆相距較遠(yuǎn)、中心距離為的星球和星球B。在星球上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，如圖（a）所示，P由靜止向下運(yùn)動，其加速度與彈簧的壓縮量間的關(guān)系如圖（b）中實(shí)線所示。在星球B上用完全相同的彈簧和物體P完成同樣的過程，其關(guān)系如圖（b）中虛線所示。已知兩星球密度相等。星球的質(zhì)量為，引力常量為。假設(shè)兩星球均為質(zhì)量均勻分布的球體。則下列判斷正確的是（

）A．星球B的質(zhì)量為B．星球和星球B的表面重力加速度的比值為2C．若星球繞星球B做勻速圓周運(yùn)動，則星球的運(yùn)行周期D．若將星球、B看成是遠(yuǎn)離其他星球的雙星模型，則它們的周期題組C培優(yōu)拔尖練11．我國的航空航天事業(yè)取得了巨大成就。根據(jù)新聞報道2025年前后，我國將發(fā)射了“嫦娥六號”探月衛(wèi)星。假設(shè)“嫦娥六號”的質(zhì)量為，它將繞月球做勻速圓周運(yùn)動時距月球表面的距離為h。已知引