2024版新教材高中物理第七章萬有引力與宇宙航行4.宇宙航行課件新人教版必修第二冊

4．宇宙航行核心素養(yǎng)定位物理觀念(1)知道三個宇宙速度的含義．(2)知道同步衛(wèi)星和其他衛(wèi)星的區(qū)別．(3)了解發(fā)射速度與環(huán)繞速度的區(qū)別和聯(lián)系．科學(xué)思維(1)會推導(dǎo)第一宇宙速度．(2)會分析人造地球衛(wèi)星的受力和運動情況，并能解決涉及人造地球衛(wèi)星運動的問題．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任了解宇宙航行的歷程和進(jìn)展，感受人類對客觀世界不斷探究的精神和情感．導(dǎo)學(xué)·掌握必備知識共研·突破關(guān)鍵能力精煉·落實學(xué)科素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)·掌握必備知識

7.9km/s2．第二宇宙速度

逃逸速度當(dāng)飛行器的速度等于或大于____________時，它就會克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球．我們把____________叫作第二宇宙速度．逃逸地球的最小發(fā)射速度3．第三宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，如果要使其掙脫________引力的束縛，飛到太陽系外，必須使它的速度等于或大于________，這個速度叫作第三宇宙速度．

脫離太陽的最小發(fā)射速度11.2km/s11.2km/s太陽16.7km/s二、人造地球衛(wèi)星1．牛頓設(shè)想：如圖甲所示，當(dāng)物體被拋出的速度________時，它將圍繞地球________而不再落回地面，成為一顆人造地球衛(wèi)星．2．發(fā)射過程簡介：如圖乙所示，發(fā)射人造地球衛(wèi)星，一般使用三級火箭，最后一級火箭脫離時，衛(wèi)星的速度稱為__________，衛(wèi)星進(jìn)入地球軌道的過程也大致為垂直起飛、轉(zhuǎn)彎飛行及進(jìn)入軌道三個階段．足夠大旋轉(zhuǎn)發(fā)射速度3．發(fā)展歷程(1)1957年10月4日，世界上第一顆_____________發(fā)射成功．(2)1970年4月24日，我國第一顆人造地球衛(wèi)星“____________”發(fā)射成功，為中國航天事業(yè)作出特殊貢獻(xiàn)的科學(xué)家________被譽(yù)為“中國航天之父”．(3)迄今為止，人類已發(fā)射了數(shù)千顆人造地球衛(wèi)星，其中的________、________、________等衛(wèi)星極大地改變了人類的生活．人造地球衛(wèi)星東方紅一號錢學(xué)森通信導(dǎo)航氣象三、載人航天與太空探索1．1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員________乘坐東方一號載人飛船繞地球飛行一圈，歷時108min，并安全返回地面，鑄就了人類首次進(jìn)入太空的豐碑．2．1969年7月16日，美國阿波羅11號飛船登上月球，美國航天員___________走下飛船，踏上月面，在地外天體上留下了人類的第一個腳?。?．2003年10月15日，我國神舟五號飛船把我國第一位航天員________送入太空，標(biāo)志著中國成為世界上能夠獨立開展載人航天活動的國家．加加林阿姆斯特朗楊利偉4．2019年1月3日，________實現(xiàn)首次月球背面軟著陸與巡視探測．5．2020年12月2日，________月球取樣成功．6．2021年5月15日，______________著陸火星，____________開展了探測火星巡視區(qū)形貌和地質(zhì)構(gòu)造等任務(wù)，并傳回科學(xué)影像圖．7．2022年12月2日，中國航天員乘組完成首次在軌交接，中國空間站正式開啟長期有人駐留模式．嫦娥四號嫦娥五號天問一號探測器祝融號火星車【情境思考】牛頓設(shè)想，把物體從高山上水平拋出，當(dāng)速度足夠大時物體不再落回地面，成為人造地球衛(wèi)星．如圖所示．請對以下結(jié)論作出判斷．(1)若物體的初速度v＝7.9km/s，物體將繞地球做勻速圓周運動．(

)(2)若物體的初速度v＞11.2km/s，物體將繞地球做橢圓軌道運動．(

)(3)若物體的初速度v＞16.7km/s，物體將掙脫地球的束縛．(

)(4)若物體的初速度滿足7.9km/s＜v＜11.2km/s，物體將繞地球做橢圓軌道運動．(

)(5)發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最大發(fā)射速度為7.9km/s.(

)√××√×

三個宇宙速度

1

不同高度處地球衛(wèi)星的環(huán)繞速度及周期如表所示高度/km環(huán)繞速度/(km·s－1)周期07.984分36000(同步軌道)3.123小時56分380000(月球軌道)0.9727天

3

發(fā)射航天器的時間、地點、方向有何要求？(1)發(fā)射時間：一般選擇日落之后，便于光學(xué)觀測．(2)地點：低緯度處，緯度越低，地球表面自轉(zhuǎn)的線速度越大，在低緯度處發(fā)射衛(wèi)星，利用初速度大的特點，能節(jié)省燃料．(3)方向：跟地球自轉(zhuǎn)方向一致，可以充分利用地球的自轉(zhuǎn)，好像“順?biāo)浦邸币粯?，?jié)約燃料．由于各國的地理緯度不同，火箭不可能都在赤道附近發(fā)射，發(fā)射方向也不可能正好由西向東，比如偏向東南或東北，但總不能離開這個“東”字，就是為了盡量利用地球的自轉(zhuǎn)．共研·突破關(guān)鍵能力目標(biāo)一對宇宙速度的理解與計算【導(dǎo)思】2021年5月15日，我國“祝融號”火星車成功著陸火星，實現(xiàn)了我國首次地外行星著陸．(1)若火星的半徑為R，火星的質(zhì)量為M，引力常量為G，若將“祝融號”發(fā)射為火星的衛(wèi)星，至少需要多大的發(fā)射速度？(2)人造地球衛(wèi)星離地面越高，其線速度越小，那么發(fā)射起來是不是越容易？

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，飛行器繞地球運行的軌道是橢圓，且在軌道不同點速度大小一般不同．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】例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行時的速度大于等于v1，小于v2B．我國發(fā)射的“天問一號”火星探測器，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7.9km/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

答案：B

答案：A

目標(biāo)二人造地球衛(wèi)星【導(dǎo)思】北京時間2022年2月27日11時06分，長征八號遙二運載火箭在文昌航天發(fā)射場將22顆衛(wèi)星發(fā)射升空，其中有10顆“吉林一號”衛(wèi)星，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功．截至目前，“吉林一號”衛(wèi)星在軌達(dá)到41顆，建成了我國目前最大的商業(yè)遙感衛(wèi)星星座．據(jù)悉，我國計劃在“十四五”期間完成包含多種不同軌道的，共138顆衛(wèi)星的“吉林一號”衛(wèi)星組網(wǎng)，如圖所示．那么，這些處于不同軌道的衛(wèi)星的線速度、角速度及周期等物理量的大小與什么因素有關(guān)呢？

【歸納】1．人造地球衛(wèi)星衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)(如靜止軌道)，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．

【典例】例4近期，科學(xué)家在英國《自然》科學(xué)期刊上宣布重大發(fā)現(xiàn)，在太陽系之外，一顆被稱為Trappist-1的超冷矮星周圍的所有7顆行星的表面都可能有液態(tài)水，其中有3顆行星還位于適宜生命存在的宜居帶，這7顆類似地球大小、溫度相似，可能由巖石構(gòu)成的行星圍繞一顆恒星公轉(zhuǎn)．如圖為新發(fā)現(xiàn)的Trappist-1星系(圖上方)和太陽系內(nèi)行星及地球(圖下方)實際大小和位置對比，則下列說法正確的是(

)A．這7顆行星運行的軌道一定都是圓軌道B．這7顆行星運行的線速度大小都不同，最外側(cè)的行星線速度最大C．這7顆行星運行的周期都不同，最外側(cè)的行星周期最大D．在地球上發(fā)射航天器到達(dá)該星系，航天器的發(fā)射速度至少要達(dá)到第二宇宙速度答案：C

例5[2023·紹興市高一期末改編]a、b、c、d是在地球大氣層外的圓形軌道上運行的四顆人造衛(wèi)星，其中a、c的軌道相交于P點，b、d在同一個圓軌道上，b、c軌道在同一平面上．某時刻四顆衛(wèi)星的運行方向及位置如圖所示，下列說法中正確的是(

)A．a(chǎn)、c的加速度大小相等，且大于b的加速度大小B．b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度大小C．a(chǎn)、c的線速度大小相等，且小于d的線速度大小D．a(chǎn)、c存在在P點相撞的危險答案：A

目標(biāo)三同步衛(wèi)星【歸納】1．概念：地球同步衛(wèi)星位于地面上方高度約36000km處，周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同．2．地球同步衛(wèi)星按其軌道的傾角不同可分為(1)地球靜止衛(wèi)星(2)傾斜軌道同步衛(wèi)星(3)極地軌道同步衛(wèi)星3．當(dāng)?shù)厍蛲叫l(wèi)星的軌道平面與赤道平面的傾角為0°且運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同時為地球靜止衛(wèi)星．4．地球同步衛(wèi)星的“六個一定”【典例】例6地球靜止軌道同步衛(wèi)星是指相對于地面靜止不動的人造衛(wèi)星，下列說法正確的是(

)A．它可以在地面上任一點的正上方，且與地心距離可按需要選擇不同的值B．它可以在地面上任一點的正上方，但與地心距離是一定的C．它只能在赤道的正上方，但與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，且與地心的距離是一定的答案：D解析：該地球靜止軌道同步衛(wèi)星相對于地球靜止，只能在赤道上方，離地面的高度為一確定值，D對．例

7[2023·廣東韶關(guān)高一聯(lián)考]2022年10月12日15時45分，“天宮課堂”第三課在中國空間站問天實驗艙正式開講，神舟十四號航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲面向廣大青少年進(jìn)行太空授課．已知問天實驗艙每90分鐘左右繞地球一圈，其運行軌道視為圓軌道，下列說法正確的是(

)A．問天實驗艙的線速度略大于第一宇宙速度B．問天實驗艙的角速度比地球同步衛(wèi)星的大C．問天實驗艙的加速度比地球同步衛(wèi)星的小D．圖中的三名航天員在實驗艙中“靜止”不動時處于平衡狀態(tài)答案：B

精煉·落實學(xué)科素養(yǎng)1.2022年3月23日15時40分，中國航天“天宮課堂”第二課開課了，這次在距離地面約400km的中國載人空間站“天宮”上進(jìn)行了太空科學(xué)探究．授課期間，航天員演示了“水油分離實驗”和“太空拋物實驗”等，下列說法正確的是(

)A．在“天宮”中水和油因為沒有受到地球引力而處于漂浮狀態(tài)B．“天宮”的運行速度介于第一宇宙速度與第二宇宙速度之間C．在“天宮”中做“太空拋物實驗”時冰墩墩被拋出后做平拋運動D．利用密度不同，“天宮”中讓水和油的混合物做圓周運動能使水和油分離答案：D解析：在“天宮”中水和油因處于失重狀態(tài)而處于漂浮狀態(tài)，但并不是沒有受到地球引力，此時地球引力全部用于提供“天宮”及其內(nèi)部物體做勻速圓周運動所需的向心力，故A錯誤；第一宇宙速度是人造衛(wèi)星在地球附近繞地球做勻速圓周運動的速度，同時也是人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最大環(huán)繞速度，所以“天宮”的運行速度一定小于第一宇宙速度，故B錯誤；因為“天宮”中物體處于完全失重狀態(tài)，所以不存在重力使物體下落的作用效果，在“天宮”中做“太空拋物實驗”時，冰墩墩被拋出后近似做直線運動，故C錯誤；“天宮”中物體處于完全失重狀態(tài)，所以油和水的混合物不能像在地球表面上一樣出現(xiàn)“油在上，水在下”的分離情況，但可以通過讓二者做勻速圓周運動，進(jìn)而產(chǎn)生向心加速度，讓水和油分離開，故D正確．

答案：ABD

3．(多選)如圖是地球的四顆不同衛(wèi)星，它們均做勻速圓周運動．以下說法正確的是(

)A.四顆衛(wèi)星的軌道平面必過地心B．近地衛(wèi)星的周期可以大于24小時C．靜止衛(wèi)星可以和月球一樣高D．理論上極地衛(wèi)星可以和靜止衛(wèi)星一樣高答案：AD解析：因為萬有引力提供向心力，所以四顆衛(wèi)星的軌道平面必過地心，A正確；靜止衛(wèi)星的周期是24小時，近地衛(wèi)星的周期小于24小時，B錯誤；月球的周期是27天，靜止衛(wèi)星的周期是24小時，軌道高度不同，C錯誤；極地衛(wèi)星可以和靜止衛(wèi)星一樣高，D正確．