高一物理必修2_《宇宙航行》学案2__
宇宙航行
【课题】：宇宙航行【课型】问题生成解决拓展课
【学习目标】
1.了解人造卫星的有关知识，知道其运动规律。
2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。
3.搞清环绕速度与轨道半径的关系。
【重点】会推导第一宇宙速度，知道三个宇宙速度的含义。
【难点】环绕速度与轨道半径的关系。
【自主导学】
宇宙航行的成就是什么？
1．第一宇宙速度的推导
方法一：设地球质量为M，半径为R，绕地球做匀速圆周运动的飞行器的质量为m，飞行器的速度（第一宇宙速度）为v。
飞行器运动所需的向心力是由万有引力提供的，近地卫星在“地面附近”飞行，可
以用地球半径R代表卫星到地心的距离，所以，由此解出v=_____。
方法二：物体在地球表面受到的引力可以近似认为等于重力，所以，解得v=_____。
关于第一宇宙速度有三种说法：第一宇宙速度是发射人造地球卫星所必须达到的最小速度，是近地卫星的环绕速度，是地球卫星的最大运行速度。
另外第一宇宙速度是卫星相对于地心的线速度。地面上发射卫星时的发射速度，是卫星获得的相对地面的速度与地球自转速度的合速度。所以赤道上自西向东发射卫星可以节省一定的能量。
2．第二宇宙速度，是飞行器克服地球的引力，离开地球束缚的速度，是在地球上发射绕太阳运行或飞到其他行星上去的飞行器的最小发射速度。其值为：
________。
第三宇宙速度，是在地面附近发射一个物体，使它挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须达到的速度。其值是_________。
3．拓展辨析:
a:运行速度:指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度
b:发射速度:指被发射物体离开地面时的水平初速度
①宇宙速度均指发射速度
②第一宇宙速度为在地面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度.
4．同步卫星，是指相对于地面静止的卫星。同步卫星必定位于赤道轨道，周期等于地球自转周期。知道了同步卫星的周期，就可以根据万有引力定律、牛顿第二定律和圆周运动向心加速度知识，计算同步卫星的高度、速度等有关数据。【范例精析】
例1：无人飞船“神舟二号”曾在离地面高度H=3.4×105m的圆轨道上运行了47h，求这段时间里它绕地球多少周？（地球半径R=6.37×106m，重力加速度g=9.8m/s2）拓展：本题主要综合应用万有引力定律，牛顿第二定律，和向心力公式，求圆周运动周期。其中又将物体在地球表面的重力近似看作物体受到的万有引力，由
得到代换式：。向心加速度的表达式可根据具体问题选用。
例2：已知地球半径R=6.4×106m，地球质量M=6.0×1024kg，地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，第一宇宙速度v1=7.9×103m/s。若发射一颗地球同步卫星，使它在赤道上空运转，其高度和速度应为多大？
拓展：根据万有引力提供向心力列式求解，是解决此类问题的基本思路。在本题中又可以用地面重力加速度、第一宇宙速度这些已知量做相应代换。
本题计算得到的同步卫星运行速度为3.1×103m/s，比第一宇宙速度v1=7.9×103m/s 小得多。第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度，同步卫星是在高空中做匀速圆周运动，它的速度小于第一宇宙速度。同步卫星发射时的速度大于第一宇宙速度，一开始做大椭圆轨道运动，随后在高空中进行调整最后进入同步轨道做匀速圆周运动，速度比第一宇宙速度小。
【夯实基础】
1.人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其速度是下列的（）
A．一定等于7.9 km/s
B．等于或小于7.9 km/s
C．一定大于7.9 km/s
D．介于7.9～11.2 km/s之间
2.人造卫星以地心为圆心，做匀速圆周运动，下列说法正确的是（）
A.半径越大，速度越小，周期越小
B.半径越大，速度越小，周期越大
C.所有卫星的速度均是相同的，与半径无关
D.所有卫星的角速度均是相同的，与半径无关
3. 在地球(看作质量均匀分布的球体)上空有许多同步卫星,下面说法中正确的
是()
A. 它们的质量可能不同
B. 它们的速度可能不同
C. 它们的向心加速度可能不同
D. 它们离地心的距离可能不同
4. 可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道( )
A．与地球表面上某一纬线(非赤道)是共面的同心圆
B．与地球表面上某一经线所决定的圆是共面的同心圆
C．与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，且卫星相对地球表面是静止的D．与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，但卫星相对地球表面是运动的
5.关于人造地球卫星及其中物体的超重和失重问题，下列说法正确的是：（）
A.在发射过程中向上加速时产生超重现象
B.在降落过程中向下减速时产生超重现象
C.进入轨道时作匀速圆周运动，产生完全失重现象，但仍受重力作用
D.失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的
6.在研究宇宙发展演变的理论中，有一种学说叫做“宇宙膨胀说”，宇宙是由一个大爆炸的火球开始形成的，大爆炸后各星球以不同的速度向外运动，这种学说认为万有引力常量G在缓慢地减小。根据这一理论，在很久很久以前，太阳系中地球的公转情况与现在相比（）
A．公转半径R较大B．公转周期T较小
C．公转速率v较大D．公转角速度 较小
7. 关于第一宇宙的速度，下面说法错误的是（）
A．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B．它是人造地球卫星在近地圆轨道上的运行速度
C．它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D．它是卫星在椭圆轨道上运动时近地点的速度
8.人造卫星由于受大气阻力，轨道半径逐渐减小，则线速度和周期变化情况为（）
A．线速度增大，周期增大B．线速度增大，周期减小
C．线速度减小，周期增大D．线速度减小，周期减小
9.发射人造地球卫星时，求人造地球卫星绕地球运行的周期不得低于多少分钟？
10.一颗人造卫星在离地面高度等于地球半径的圆形轨道上运行，已知卫星的第一宇宙速度是v1＝7.9km/s，求：
（1）这颗卫星运行的线速度多大？
（2）它绕地球运动的向心加速度多大？
（3）质量为1kg的仪器放在卫星内的平台上，仪器的重力多大？它对平台的压力有多大？
【知能提升】
1．航天飞机绕地球做匀速圆周运动时，机上的物体处于失重状态，是指这个物体（）
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体做圆周运动的向心力
D. 对支持它的物体的压力为零
2．关于宇宙速度，下列说法正确的是（）
A．第一宇宙速度是能使人造地球卫星绕地球飞行的最小发射速度
B．第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
C．第二宇宙速度是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度
D．第三宇宙速度是发射人造地球卫星的最小速度
3．地球半径为R，地面重力加速度为g，地球自转周期为T，地球同步卫星离地面的高度为h，则地球同步卫星的线速度大小为（）
4．当人造卫星绕地球做匀速圆周运动时，其绕行速度（）
A. 一定等于7.9千米/秒
B. 一定小于7.9千米/秒
C. 一定大于7.9千米/秒
D. 介于7.9～11.2千米/秒
5．关于地球同步卫星，下列说法中正确的是（）
A．它的速度小于7.9km/s
B．它的速度大于7.9km/s
C．它的周期是24h,且轨道平面与赤道平面重合
D．每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样的
6．人造地球卫星由于受大气阻力，其轨道半径逐渐减小，其相应的线速度和周期的变化情况是（）
A. 速度减小，周期增大
B. 速度减小，周期减小
C. 速度增大，周期增大
D. 速度增大，周期减小
7．宇航员在一个半径为R的星球上，以速度v0竖直上抛一个物体，经过t秒后物体落回原抛物点，如果宇航员想把这个物体沿星球表面水平抛，而使它不再落回星球，则抛出速度至少应是（）
8．已知近地卫星的速度为7.9km/s，月球质量是地球质量的1/81，地球半径是月球半径的3.8倍。则在月球上发射“近月卫星”的环绕速度是多少？
9．1970年4月25日18点，新华社授权向全世界宣布：1970年4月24日，中国成功地发射了第一颗人造卫星，卫星向全世界播送“东方红”乐曲。已知卫星绕地球一圈所用时间T=114分钟，地球半径R=6400km，地球质量M=6×1024kg。试估算这颗卫星的离地平均高度。
【出类拔萃】
1．某物体在地面上受到的重力为160N，将它放置在卫星中，在卫星以加速度
a=g/2随火箭向上加速上升的过程中，物体与卫星中的支持物间的压力为90N，地球半径为R0=6.4×106m，取g=10m/s2。求此时卫星离地球表面的距离。
2．组成星球的物质是靠引力吸引在一起的，这样的星球有一个最大的自转速率，如果超过了该速率，星球的万有引力将不足以维持赤道附近的物体做圆周运动。已知一个星球的质量为M，半径为R，假设该星球是均匀分布的，求它的最小自转周期。
3．1997年8月26日在日本举行的国际学术大会上，德国Max Plank学会的一个研究组宣布了他们的研究结果：银河系的中心可能存在一个大“黑洞”。所谓“黑洞”，它是某些天体的最后演变结果。
(1) 根据长期观测发现，距离某“黑洞”6.0×1012m的另一个星体（设其质量为m2）以２×１０6m/s 的速度绕“黑洞”旋转，求该“黑洞”的质量m1;（结果要求二位有效数字）
（2）根据天体物理学知识，物体从某天体上的逃逸速度公式为v= ,其中引力常量Ｇ＝6.67×10-11Ｎm2/kg-2,M为天体质量，Ｒ为天体半径。且已知逃逸的速度大于真空中光速的天体叫“黑洞”。请估算（１）中“黑洞”的可能最大半径。（结果要求一位有效数字）
参考答案
例1解析：47h内“神舟二号”绕地球运行多少周，也就是说47h有几个周期，本题关键是求“神舟二号”的运行周期。可以根据万有引力提供向心力这个思路来求周期T。
设“神舟二号”的质量为m，它在地面上的重力近似等于它受地球的万有引力，有
在空中运行时有
解得：=5474s=1.52h
47h内绕地球运行的圈数周
答：47h内“神舟二号”绕地球运行的圈数为31周。
例2解析：所谓同步，就是卫星相对于地面静止即卫星运转周期等于地球自转周期。由于是万有引力提供向心力，卫星的轨道圆心应该在地球的地心，所以同步卫星的轨道只能在地球赤道上方。该题的计算思路仍然是万有引力提供向心力设同步卫星的质量m，离地高度h，速度为v，周期为T（等于地球自转周期）
方法一：
解得：=3.56×107m
3.1×103m/s
方法二：若认为同步卫星在地面上的重力等于地球的万有引力，有
解联立方程得：=3.56×107m
方法三：根据第一宇宙速度v 1，有
解得：=3.56×107m
答：同步卫星的高度为3.56×107m ，速度是3.1×103m/s 。
【夯实基础】
1. B
2.B 分析：由r GM =
υ知，r 越大，v 越小，由C T r =23（C 为恒量）知，r 越大，
T 越大，故A 错，B 对。由r GM =
υ知，r 不同，则v 不同，故C 错。再由v ＝ωr 知，角速度r υ
ω=，ω随r 的改变而发生变化，故D 错。
3.A 分析：对于同步卫星，卫星的周期和地球自转周期相同（T ＝24h, h ＝
8.64×104s ），相对地面是静止的；卫星运行的轨道在赤道平面内；卫星距地面高度有确定值（约3.6×107m ）
答案：A
4.CD 分析：关于卫星轨道的设置问题，由于卫星受向心力由万有引力提供且指向地心，即轨道圆圆心一定在地心，轨道平面可与赤道平面成任意夹角故应为CD 。
答案：CD
5.ABC 分析：超、失重是一种表象，是从重力和弹力的大小关系而定义的。当向上加速时超重，向下减速（a 方向向上）也超重，故A 、B 正确。卫星做匀速圆周运动时，万有引力完全提供向心力，卫星及卫星内的物体皆处于完全失重状态，故C 正确。失重的原因是重力（或万有引力）使物体产生了加速度，D 错。
6. 解析：随着时间推移，G 减小，则引力减小，所以地球做离心运动，公转半径变大，进而速度减小，周期增大。
答案：BC
7. AD 8. 分析：可简化成这样的物理模型：卫星每一圈都做匀速圆周运动，但不同的圈的半径在减小，因为
3,1r T r ∝∝
υ，所以v 增大，T 减小。 答
案：B 9. 解析：卫星近地运行时速度大，周期小，此时万有引力约等于重力，故有
224T mR mg π=。整理得：min 8550758.9104.614.3226==⨯⨯==s s g R T π
答案：85
10. 解析：（1）卫星近地运行时，有：R v m R Mm G 212＝ ① 卫星离地高度为R 时，有： R v m R Mm G 2)2(222
＝ ② 由①②两式得：s km s km v v /6.5/29.7221
2=⨯==
（2）卫星离高度为R 时，有 ma R Mm G ＝2)2( ③
靠近地面时，有
mg R GMm ＝2 ④ 由③④两式得：2
/45.241s m g a ==
（3）在卫星内，仪器的重力就是地球对它的吸引力，则：
N N ma g m G 45.245.21=⨯=='='
由于卫星内仪器的重力充当向心力，仪器处于完全失重状态，所以仪器对平台的压力为零。
答案：（1）5.6m/s （2）2.45m/s2 （3）2.45N 0
【知能提升】
1.CD
2.A
3.AC
4.B
5.ACD
6.D
7.B
8. 1.7km/s
9. 1.4×106m 【出类拔萃】1. 1.92×107m 2. 3. 3.6×1035kg 5×108m
11/ 11
7.4.1 宇宙航行 学案-2023年高一下学期物理人教版(2019)必修第二册
7.4 宇宙航行学案 【学习目标】 1.理解人造地球卫星的最初构想； 2.知道三个宇宙速度的含义,会推导第一宇宙速度，体会在处理实际问题时，如何构建物理模型； 3.理解人造卫星做匀速圆周运动时,各物理量之间的关系。 【学习重点】 1.第一宇宙速度的推导过程和方法； 2.研究天体运动的基本思路与方法。 【学习难点】 人造地球卫星的发射速度与运行速度的区别。 知识回顾 1.天体运动近似看成匀速圆周运动，万有引力提供向心力， 即= （已知r,T）,可得中心天体的质量M= . 2.忽略地球自转影响，地表附近物体的重力等于万有引力， 即= ， 所以= 。这是一个常用变换式。 新课导入 在 1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。你知道这个速度究 竟有多大吗？ 问题: 1. 卫星在做什么运动？ 2. 谁提供向心力？ 3. 已知引力常量G、地球质量M、地球半径R、地球表面重力 加速度g 请用不同的方法求出这个速度的表达式，并说明原理。 合作探究、自主学习 学习目标一、宇宙速度（地球） 1. 第一宇宙速度 （1）概念:是卫星在附近(h≪R)绕地球做的速度。 （2）推导： 方法一：万有引力提供向心力，则有：。（方程） 解得：v = . 1 方法二:已知地面附近的重力加速度g和地球半径R，方程: ,
解得：v 1 = .带入数据（地球半径R约为6400km，重力加速度g取9.8m/s2）， 得：v 1 = . (注：发射速度是指卫星在地面附近离开发射火箭的初速度) 拓展:卫星在地面附近离开发射火箭时: (1). 发射速度等于第一宇宙速度时，卫星将做什么运动？ (2). 发射速度小于第一宇宙速度时，卫星将做什么运动？ (3). 发射速度大于第一宇宙速度时，卫星将做什么运动？ (4). 卫星环绕地球做圆周运动的速度一定不小于第一宇宙速度吗？ (5). 把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？ 结论：第一宇宙速度是最小的，是卫星环绕地球做圆周运动的最大. 2.第二宇宙速度:使物体挣脱的束缚,成为绕太阳运行的人造行星的最发射速度,又叫 ,v2= . 3.第三宇宙速度:使物体挣脱束缚的最发射速度,又叫 . v3= . 例1、(多选)下列关于三种宇宙速度的说法正确的是( ) A．第一宇宙速度v 1＝7.9 km/s，第二宇宙速度v 2 ＝11.2 km/s，则人造卫星绕 地球在圆轨道上运行时的速度大于或等于v 1，小于v 2 B．美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，其发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体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造小行星的最小发射速度 D．第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度例2、若取地球的第一宇宙速度为8 km/s，某行星质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍，则该行星的第一宇宙速度约为( ) A．16 km/s B．32 km/s C．4 km/s D．2 km/s 学习目标二、人造地球卫星 1.人造地球卫星的轨道 （1）卫星的轨道平面可以在平面内(如同步轨道)，可以 通过上空(极地轨道)，也可以和成任意角度； （2）因为地球对卫星的提供了卫星绕地球做圆周运 动的向心力，所以必定是卫星圆轨道的圆心． 2、人造地球卫星的运行规律
高中物理 第六章《宇宙航行》学案 新人教版必修2-新人教版高一必修2物理学案
6.5 《宇宙航行》学案 【课标要求】 1．了解人造卫星的有关知识。 2．知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。 3．理解卫星的运行速度与轨道半径的关系。 【重点难点】 1． 第一宇宙速度的推导。 2．运行速率与轨道半径之间的关系。 【课前预习】 1.牛顿在思考万有引力定律时就曾想过，从高山上水平抛出物体，速度一次比一次大，落地点 。如果速度足够大，物体就 ，它将绕地球运动，成为 。 2.第一宇宙速度大小为 ，也叫 速度。第二宇宙速度大小为 ，也叫 速度。第三宇宙速度大小为 ，也叫 速度。第一宇宙速度，是发射卫星的________速度，同时也是卫星绕地球做匀速圆周运动时的________速度。 3 .①世界上第一颗人造卫星是1957年10月4日在 发射成功的，卫星质量为 kg ，绕地球飞行一圈需要的时间为 。 ②世界上第一艘载人飞船是1961年4月12日在 发送成功，飞船绕地球一圈历时 。 ③世界上第一艘登月飞船是1969年7月16日9时32分在 发送成功进入月球轨道； 飞船在月球表面着陆； 宇航员登上月球。 ④中国第一艘载人航天飞船在2003年10月15日9时在 发送成功的，飞船绕地球 圈后，于 安全降落在 主着陆场。 成为中国登上太空的第一人。 [探究与生成] [问题1] 人造卫星 [教师点拨] 1.在地面上抛出的物体，由于受到地球引力的作用，所以最终都要落回到地面. 由平抛物体的运动规律知：x =v 0t …………………..①，t=g h 2 ……………………….②。联立①、②可得：x =v 0g h 2，即物体飞行的水平距离和初速度v 0及竖直高度h 有关，在竖直高度相同的情况下，水平距离的大小只与初速度v 0有关，水平初速度越大，飞行的越远. 2.如果在地面上抛出一个物体时的速度足够大，物体飞行的距离也很大，由于地球是一圆球体，故物体将不能再落回地面，而成为一颗绕地球运转的卫星. 3. 月球也要受到地球引力的作用，由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转，此时月球受到的地球的引力(即重力)，用来充当绕地运转的向心力，故而月球并不会落到地面上来. 牛顿曾依据平抛现象猜想了卫星的发射原理，但他没有看到他的猜想得以实现.今天，我们的科学家们把牛顿的猜想变成了现实. 例1．宇航员站在一星球表面上某高处，沿水平方向抛出一个小球，经过时间小球落到星球表面，测得抛出点与落地点之间的距离为，若抛出时的初速度增大到2倍，则抛出点与落地点之间的距离为．已知两落地点在同一水平面上，该星球的半径为，万有引力常量为．求该星球的质量. 【解析】要建立清晰的物理情景，理清解题思路，根据力学知识求出两者的联系量:重力加速度．设抛出点的高度为h ，第一次水平位移为x ，则有x 2+h 2=L 2， 第二次平抛过程有 2 解得 , 设该行星表面上重力加速度为g ，由平抛运动规律得： , 由万有引力定律与牛顿第二定律得： 联立以上各式可解得
高中物理 第六章 万有引力与航天第5节《宇宙航行》参考教案 新人教版必修2
7.5 宇宙航行 ★新课标要求 〔一〕知识与技能 1、了解人造卫星的有关知识。 2、知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。 〔二〕过程与方法 通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力 〔三〕情感、态度与价值观 1、通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情。 2、感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值观。 ★教学重点 第一宇宙速度的推导 ★教学难点 运行速率与轨道半径之间的关系 ★教学方法 教师启发、引导，学生自主阅读、思考，讨论、交流学习成果。 ★教学工具 有关练习题的投影片、计算机、投影仪等多媒体教学设备 ★教学过程 〔一〕引入新课 教师活动：上节课我们学习了万有引力的成就。现在请同学们回忆以下问题： 1、万有引力定律在天文学上有何应用？ 2、如何应用万有引力定律计算天体的质量？能否计算环绕天体的质量？ 学生活动：经过思考，回答上述问题： 1、应用万有引力定律可以估算天体的质量；可以来发现未知天体。 2、应用万有引力定律求解天体质量时，万有引力充当向心力，结合圆周运动向心加速度的三种表述方式可得三种形式的方程，即 G r v m r Mm 2 2 ① G 2r Mm =mω2·r ②
G 2r Mm =m 224T r ③ 教师活动：点评、总结 导入：这节课我们再来学习有关宇宙航行的知识。 〔二〕进行新课 1、宇宙速度 教师活动：请同学们阅读课文第一自然段，同时思考以下问题［投影出示］： 1、在地面抛出的物体为什么要落回地面？ 2、什么叫人造地球卫星？ 学生活动：阅读课文，从课文中找出相应的答案。 1、在地面上抛出的物体，由于受到地球引力的作用，所以最终都要落回到地面。 2、如果在地面上抛出一个物体时的速度足够大，那么它将不再落回地面，而成为一个绕地球运转的卫星，这个物体此时就可认为是一颗人造地球卫星。 教师活动：引导学生深入探究 1、月球也要受到地球引力的作用，为什么月亮不会落到地面上来？ 2、物体做平抛运动时，飞行的距离与飞行的水平初速度有何关系? 3、假设抛出物体的水平初速度足够大，物体将会怎样？ 学生活动：分组讨论，得出结论。 1、由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转，此时月球受到的地球的引力〔即重力〕，用来充当绕地运转的向心力，故而月球并不会落到地面上来。 2、由平抛物体的运动规律知： x=v0t ① h=221gt ② 联立①、②可得： x=v0g h 2 即物体飞行的水平距离和初速度v0及竖直高度h 有关，在竖直高度相同的情况下，水平距离的大小只与初速度v0有关，水平初速度越大，飞行的越远。 3、当平抛的水平初速度足够大时，物体飞行的距离也很大，由于地球是一圆球体，故物体将不能再落回地面，而成为一颗绕地球运转的卫星。 教师活动：总结、点评。
7.4 宇宙航行 导学案-2023学年高一物理人教版(2019)必修第二册
7.4宇宙航行—导学案 一、第一宇宙速度 1、牛顿提出,物体离开地面,恰好做匀速圆周运动,需满足重力提供向心力,有: 2 v mg m R 将R=6400km 代入数据解得v=8km/s 由于地球是椭圆,实际计算可得第一宇宙速度约为7.9km/s 结论1：第一宇宙速度是卫星发射的最小速度。 2、卫星绕地球做匀速圆周运动时,万有引力提供向心力,有: 2GMm r =m 2 v r 解得GM r 可知当卫星轨道半径越小时,速度越大,将r=R 时,解得v=7.9km/s 结论2：第一宇宙速度是卫星的最大环绕速度。 3、第二宇宙速度代表物体脱离地球的束缚,绕太阳做圆周运动的速度; 4、第三宇宙速度代表物体脱离地太阳的束缚; 二、卫星的发射 1、以第一宇宙速度发射的卫星可认为是在绕地球轨道半径最小的圆周运动. 2、发射速度大于第一宇宙速度,卫星将绕地球做椭圆轨道. 3、高轨道的圆周运动涉及到变轨原理: (1) 卫星从低轨道到高轨道,需点火加速,使得卫星做离心运动,轨道半径增大; (2) 卫星从高轨道到低轨道,需点火减速,使得卫星做向心运动,轨道半径减小. 4、几个物理量的比较,如图: 卫星在P 点或Q 点变轨,可知v 1P ＜v 2P , v 2Q ＜v 3Q 。 根据万有引力提供向心力有: 2GMm r =ma,解得a=2GM r ,可知卫星在同一点不同的轨道
上加速度相等,如图1轨道和2轨道的P 点. 三、特殊的卫星 1.近地卫星:轨道半径约为地球半径 (1)v 1＝7.9 km/s ；T ＝2πR v 1 ≈85 min. (2)7.9 km/s 和85 min 分别是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大线速度和最小周期. 2.同步卫星 (1)“同步”的含义就是和地面保持相对静止，所以其周期等于地球自转周期. (2)特点 ①定周期：所有同步卫星周期均为T ＝24 h. ②定轨道：同步卫星轨道必须在地球赤道的正上方，运转方向必须跟地球自转方向一致，即由西向东. ③定高度：由2 GMm r ＝m r 2 24T ,可得同步卫星的轨道半径为r=7R. ④定速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此线速度、角速度大小均不变. ⑤定加速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此向心加速度大小也不变. 例题讲解 【例1】下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是( ) A.人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于或等于7.9 km /s 、小于11.2 km/s B.火星探测卫星的发射速度大于16.7 km/s
2021 宇宙航行—人教版 高中物理必修第二册学案
高一 必修二 物理导学案 宇宙航行 一、学习目标 1．了解人造地球卫星的初步构想。 2．会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。 3．知道三个宇宙速度的含义和数值、会推导第一宇宙速度。 二、自主阅读反馈 1、第一宇宙速度： (1)牛顿设想：如图所示，把物体从高山上水平抛出，如果抛出速度，物体就不再落回地面，成为。 (2)近地卫星的速度：由G mm 地r2＝m v2r ，得v ＝_______。用地球半径R 代替卫星到地心的距离r ，可求得v ＝ km/s 。 (3)宇宙速度及其意义
(逃逸速度) 2、人造地球卫星： (1)1957年10月4日，第一颗人造地球卫星发射成功。 (2)1970年4月24日，第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功。 (3)地球同步卫星位于上方高度约 km处，与地面相对静止，角速度和周期与地球的。 (4)1961年4月12日，苏联航天员加加林进入东方一号载人飞船，完成人类首次进入太空的旅行。 (5)1969年7月，美国的阿波罗11号飞船登上月球。 (6)2003年10月15日，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员送入太空。 (7)2013年6月，神舟十号分别完成与空间站的手动和自动交会对接。 (8)2016年10月19日，神舟十一号完成与空间站的自动交会对接。 (9)2017年4月20日，我国又发射了货运飞船， 入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接及多项 实验。 三、探究思考 情境1、如图,把物体水平抛出,如果速度足够大,物 体就不再落到地面,它将绕地球运动,成为地球的人造卫星,是什么力使物体绕地球运动?
情景2、在100～200 km高度飞行的地球卫星,能说在地面附近飞行吗?为什么? 情景3、人造地球卫星按怎样的轨道运行,谁提 供向心力? 四、知识精讲： 1、第一宇宙速度的定性分析 (1)第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的速度，即近地卫星的环绕速度。 (2)决定因素：由第一宇宙速度的计算式v＝GM R 可以看出，第 一宇宙速度的值由中心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量M和半径R，与卫星无关。 (3)“最小发射速度”：如果发射速度低于第一宇宙速度，因为受到地球引力作用，发射出去的卫星就会再回到地球上，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。 (4)“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中， 近地卫星的轨道半径最小，由G Mm r2 ＝m v2 r 可得v＝ GM r ，轨道半径越 小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。
高一物理必修2_《宇宙航行》学案2__
宇宙航行 【课题】：宇宙航行【课型】问题生成解决拓展课 【学习目标】 1.了解人造卫星的有关知识，知道其运动规律。 2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。 3.搞清环绕速度与轨道半径的关系。 【重点】会推导第一宇宙速度，知道三个宇宙速度的含义。 【难点】环绕速度与轨道半径的关系。 【自主导学】 宇宙航行的成就是什么？ 1．第一宇宙速度的推导 方法一：设地球质量为M，半径为R，绕地球做匀速圆周运动的飞行器的质量为m，飞行器的速度（第一宇宙速度）为v。 飞行器运动所需的向心力是由万有引力提供的，近地卫星在“地面附近”飞行，可 以用地球半径R代表卫星到地心的距离，所以，由此解出v=_____。 方法二：物体在地球表面受到的引力可以近似认为等于重力，所以，解得v=_____。 关于第一宇宙速度有三种说法：第一宇宙速度是发射人造地球卫星所必须达到的最小速度，是近地卫星的环绕速度，是地球卫星的最大运行速度。 另外第一宇宙速度是卫星相对于地心的线速度。地面上发射卫星时的发射速度，是卫星获得的相对地面的速度与地球自转速度的合速度。所以赤道上自西向东发射卫星可以节省一定的能量。 2．第二宇宙速度，是飞行器克服地球的引力，离开地球束缚的速度，是在地球上发射绕太阳运行或飞到其他行星上去的飞行器的最小发射速度。其值为： ________。 第三宇宙速度，是在地面附近发射一个物体，使它挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须达到的速度。其值是_________。
3．拓展辨析: a:运行速度:指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度 b:发射速度:指被发射物体离开地面时的水平初速度 ①宇宙速度均指发射速度 ②第一宇宙速度为在地面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度. 4．同步卫星，是指相对于地面静止的卫星。同步卫星必定位于赤道轨道，周期等于地球自转周期。知道了同步卫星的周期，就可以根据万有引力定律、牛顿第二定律和圆周运动向心加速度知识，计算同步卫星的高度、速度等有关数据。【范例精析】 例1：无人飞船“神舟二号”曾在离地面高度H=3.4×105m的圆轨道上运行了47h，求这段时间里它绕地球多少周？（地球半径R=6.37×106m，重力加速度g=9.8m/s2）拓展：本题主要综合应用万有引力定律，牛顿第二定律，和向心力公式，求圆周运动周期。其中又将物体在地球表面的重力近似看作物体受到的万有引力，由 得到代换式：。向心加速度的表达式可根据具体问题选用。 例2：已知地球半径R=6.4×106m，地球质量M=6.0×1024kg，地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，第一宇宙速度v1=7.9×103m/s。若发射一颗地球同步卫星，使它在赤道上空运转，其高度和速度应为多大？ 拓展：根据万有引力提供向心力列式求解，是解决此类问题的基本思路。在本题中又可以用地面重力加速度、第一宇宙速度这些已知量做相应代换。 本题计算得到的同步卫星运行速度为3.1×103m/s，比第一宇宙速度v1=7.9×103m/s 小得多。第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度，同步卫星是在高空中做匀速圆周运动，它的速度小于第一宇宙速度。同步卫星发射时的速度大于第一宇宙速度，一开始做大椭圆轨道运动，随后在高空中进行调整最后进入同步轨道做匀速圆周运动，速度比第一宇宙速度小。 【夯实基础】 1.人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其速度是下列的（）
2021学年高中物理微专题五卫星的变轨问题及宇宙航行的几个问题辨析学案人教版必修2.doc
微专题(五) 卫星的变轨问题及宇宙航行的几个问题辨析 一、卫星的变轨问题 1．变轨原理及过程 人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如图所示． (1)为了节省能量，在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道Ⅰ上． (2)在A 点点火加速，速度变大，进入椭圆轨道Ⅱ. (3)在B 点(远地点)再次点火加速进入圆轨道Ⅲ. 2．卫星变轨问题分析方法 (1)速度大小的分析方法． ①卫星做匀速圆周运动经过某一点时，其速度满足GMm r 2＝mv 2 r 即v ＝GM r .以此为依据可分析卫星在两个不同圆轨道上的速度大小． ②卫星做椭圆运动经过近地点时，卫星做离心运动，万有引力小于所需向心力：GMm r 2
A．发射“嫦娥三号”的速度必须达到第三宇宙速度 B．在绕月圆轨道上，卫星周期与卫星质量有关 C．卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比 D．在绕月轨道上，卫星受地球的引力大于受月球的引力 【点拨】(1)明白第三宇宙速度是指被发射物体能够脱离太阳系的最小发射速度，而“嫦娥三号”没有脱离太阳的引力范围．(2)要熟记万有引力的表达式并清楚是万有引力提供卫星做圆周运动的向心力． 练1 (多选)如图所示，发射同步卫星的一般程序是：先让卫星进入一个近地的圆轨道，然后在P点变轨，进入椭圆形转移轨道(该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P点，远地点为同步卫星圆轨道上的Q点)，到达远地点Q时再次变轨，进入同步卫星轨道．设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在椭圆形转移轨道的近地点P点的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在同步卫星轨道上的速率为v4，三个轨道上运动的周期分别为T1、T2、T3，则下列说法正确的是( ) A．在P点变轨时需要加速，Q点变轨时要减速 B．在P点变轨时需要减速，Q点变轨时要加速 C．T1
2022版《优化方案》高一物理人教版必修二配套文档：第六章第五、六节 宇宙航行 Word版含答案
第五节 宇宙航行 第六节 经典力学的局限性 [学习目标] 1.会推导第一宇宙速度，知道其次宇宙速度和第三宇宙速度． 2.了解人造卫星的有关学问，知道近地卫星、同步卫星的特点． 3.了解经典力学的进展历程和宏大成就，知道经典力学与相对论、量子力学的关系． [同学用书 P 50] 一、宇宙速度(阅读教材P 44～P 45) 1．人造地球卫星的放射原理 (1)牛顿的设想：在高山上水平抛出一个物体，当时速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕地球转动的人造地球卫星． (2)原理：一般状况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，向心力由地球对它的万有引力供应，即G Mm r 2＝m v 2r ，则卫星在轨道上运行的线速度v ＝GM r . 2．宇宙速度 (1)第一宇宙速度v Ⅰ：卫星在地面四周绕地球做匀速圆周运动的速度，v Ⅰ＝7.9 km/s. (2)其次宇宙速度v Ⅱ：使卫星摆脱地球引力束缚的最小地面放射速度，v Ⅱ＝11.2 km/s. (3)第三宇宙速度v Ⅲ：使卫星摆脱太阳引力束缚的最小地面放射速度，v Ⅲ＝16.7 km/s. 拓展延长►———————————————————(解疑难) 第一宇宙速度的两种推导方法 方法1：依据GMm r 2＝mv 2 r ，应用近地条件r ＝R (R 为地球半径)， R ＝6 400 km ，地球质量M ＝6×1024 kg ，代入数据得v ＝GM R ＝7.9 km/s. 方法2：在地球表面四周，重力等于万有引力，此力供应卫星做匀速圆周运动的向心力．(已知地球半径为R 、地球表面处的重力加速度为g ) 由mg ＝m v 2 R ，得 v ＝gR ＝9.8×6 400×103 m/s ＝7.9 km/s. 1.(1)在地面上放射人造卫星的最小速度是7.9 km/s.( ) (2)在地面上放射火星探测器的速度应为11.2 km/s 5 宇宙航行 文本式教学设计 整体设计 本节重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度，并介绍了第二、第三宇宙速度.人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材.教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法.因此本节课是“万有引力定律与航天”中的重要内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础.另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感. 本节内容涉及人造卫星的运动规律和三个宇宙速度的含义，在处理有关卫星的问题时，可以按匀速圆周运动模型处理，进而结合向心力公式、向心加速度公式及圆周运动公式，推导已知量和未知量的关系.学习宇宙速度时，要对比记忆，明确其物理意义.应掌握推导过程，体会推导第一宇宙速度的物理思想，另外，结合向心运动或离心运动分析卫星轨道如何变化或改变的原因. 教学重点 会推导第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度. 教学难点 运行速率与轨道半径之间的关系. 课时安排 1课时 三维目标 知识与技能 1.了解人造卫星的有关知识. 2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度. 3.通过实例，了解人类对太空的探索历程. 过程与方法 1.能通过航天事业的发展史说明物理学的发展对于自然科学的促进作用. 2.通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力. 情感态度与价值观 1.通过对我国航天事业发展的了解，进行爱国主义的教育. 2.关心国内外航空航天事业的发展现状与趋势，有将科学技术服务于人类的意识. 课前准备 多媒体课件、月球绕地球转动演示仪. 教学过程 导入新课 情景导入 6.1行星的运动 【学习目标】 1．知道地心说和日心说的基本内容。 2．掌握开普勒三个定律的内容。 3．理解人们对行星运动的认识过程是漫长而复杂的，真理是来之不易的。 【学习重点】 会运用开普勒定律解决有关简单的航天问题 【课堂导学】 一、两种对立的学说：（见教材阅读材料） 地心说：__________是宇宙的中心，它是___________的，太阳、月亮及其他天体都绕______________做圆周运动。 日心说：__________是宇宙的中心，它是________________的，地球和所有的行星都绕______________做圆周运动。 二、开普勒行星运动定律 开普勒第一定律 所有行星绕太阳运动的轨道都是__________，太阳处在__________的一个______________。 开普勒第二定律 ______________和_____________的连线在相等的时间里扫过相等的______。 开普勒第三定律 所有行星轨道的______________的三次方跟______________的二次方的比值都相等。用公式表达 为：k T R 23 ,k 是一个与______________无关的量 开普勒定律的研究： 【典型例题】 例1 地球绕太阳转，地球本身绕地轴自转，形成了一年四季春夏秋冬，则下面说法正确的是（ ） A ．春分地球公转速率最小 B ．夏至地球公转速率最小 C ．秋分地球公转速率最小 D ．冬至地球公转速率最小 （提示 ： 由开普勒第二定律知，地球与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积，在夏季，地球运动至远日点，离太阳最远，其速率最小。） 例2 若已知地球对它所有卫星的k 值都等于1.01×1013m 3/s 2 ,试求出月球运动的轨道半径（月球绕地球运转的周期大约是27天，月球轨道为圆）（提示：m 8 108.3 ） 【拓展思考】（阅读30P 页完成下列问题） 1、大多数行星的轨道与圆十分接近，故中学阶段的研究中能够按圆处理，__________处在圆心，对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的____________或（______________）不变，即行星做匀速圆周运动，所有行星轨道半径的___________方跟公转周期的______________方的比值相等。 （对所有绕地球运动的卫星讨论能否得到相同的结论呢？） 2、地球的公转轨道接近圆，但彗星的运动轨道则是一个非常扁的椭圆.天文学家哈雷曾经在1682年跟踪过一颗彗星，他算出这颗彗星的轨道半径长轴约等于地球公转半径的18倍(图3－1)，并预言这颗彗星将每隔一定时间就会出现.哈雷的预言得到证实，该彗星被命名为哈雷彗星.哈雷彗星最近出现的时间是 1986年，请你根据开普勒行星运动第三定律(即32 r T =k ，其中T 为行星绕太阳公转的周期，r 为轨道的半 长轴)估算，它下次飞近地球是哪一年？（提示：它下次飞近地球的时间是2062年） 地球 彗星 太阳 【课后练习】 编者：孟晓振 2020--2021（新教材）人教物理必修第二册第七章万有引力与宇宙航行含答案（新教材）必修第二册第七章万有引力与宇宙航行 一、选择题 1、(多选)16世纪，哥白尼根据天文观测的大量资料，经过40多年的天文观测和潜心研究，提出“日心说”的如下四个基本论点，这四个论点目前看存在缺陷的是() A.宇宙的中心是太阳，所有行星都绕太阳做匀速圆周运动 B.地球是绕太阳做匀速圆周运动的行星，月球是绕地球做匀速圆周运动的卫星，它绕地球运转的同时还跟地球一起绕太阳运动 C.天空不转动，因为地球每天自西向东转一周，造成太阳每天东升西落的现象 D.与日地距离相比，恒星离地球都十分遥远，比日地间的距离大得多 2、一物体在地球表面重16 N，它在以5__m/s2的加速度加速上升 满足牛顿第二定律 的火箭中的视重(即物体对火箭竖直向下的压力)为9 N，则此火箭离地球表面的距离为地球半径的(地球表面重力加速度取10 m/s2)() A.2倍 B.3倍 C.4倍 D.0.5倍 3、火星直径约为地球的一半，质量约为地球的十分之一，它绕太阳公转的轨道半径约为地球公转半径的1.5倍。根据以上数据，以下说法中正确的是() A.火星表面重力加速度的数值比地球表面的大 B.火星公转的周期比地球的长 C.火星公转的线速度比地球的大 D.火星公转的向心加速度比地球的大 4、2018年11月1日，我国在西昌卫星发射中心成功发射第四十一颗北斗导航卫星，是我国北斗三号系统第十七颗组网卫星，它是地球同步卫星，设地球自转角速度一定，下面关于该卫星的说法正确的是() A.它绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度 B.它沿着与赤道成一定角度的轨道运动 C.运行的轨道半径可以有不同的取值 D.如果需要可以发射到北京上空 5、（多选）用相对论的观点判断，下列说法正确的是() 高一物理复习专题六：万有引力与宇宙航行 【行星的运动】 1. 地球公转轨道的半径在天文学上常用来作为长度单位，叫作天文单位，用来量度太阳系内天体与太阳的距离。（这只是个粗略的说法。在天文学中，“天文单位”有严格的定义，用符号AU表示。）已知火星公转的轨道半径是1.5 AU，根据开普勒第三定律，火星公转的周期是多少个地球日？ 2. 开普勒行星运动定律不仅适用于行星绕太阳的运动，也适用于卫星绕行星的运动。如果一颗人造地球卫星沿椭圆轨道运动，它在离地球最近的位置（近地点）和最远的位置（远地点），哪点的速度比较大？ 3. 在力学中，有的问题是根据物体的运动探究它受的力，有的问题则是根据物体所受的力推测它的运动。这一节的讨论属于哪一种情况？你能从过去学过的内容或做过的练习中各找出一个例子吗？ 4. 对于这三个等式来说，有的可以在实验室中验证，有的则不能，这个无法在实验室验证的规律是怎么得到的？ 【万有引力定律】 1.既然任何物体间都存在着引力，为什么当两个人接近时他们不会吸在一起？我们通常分析物体的受力时是否需要考虑物体间的万有引力？请你根据实际情况，应用合理的数据，通过计算说明以上两个问题。 2. 你在读书时，与课桌之间有万有引力吗？如果有，试估算一下这个力的大小，它的方向如何？ 3.大麦哲伦云和小麦哲伦云是银河系外离地球最近的星系（很遗憾，在北半球看不见）。大麦哲伦云的质量为太阳质量的1010倍，即2.0×1040 kg，小麦哲伦云的质量为太阳质量的109倍，两者相距5×104光年，求它们之间的引力。 4.太阳质量大约是月球质量的2.7×107倍，太阳到地球的距离大约是月球到地球距离的3.9×102倍，试比较太阳和月球对地球的引力。 5. 木星有4颗卫星是伽利略发现的，称为伽利略卫星，其中三颗卫星的周期之比为1∶2∶4。小华同学打算根据万有引力的知识计算木卫二绕木星运动的周期，她收集到了如下一些数据。木卫二的数据：质量4.8×1022 kg、绕木星做匀速圆周运动的轨道半径 6.7×108 m。 木星的数据：质量1.9×1027 kg、半径7.1×107 m、自转周期9.8 h。 但她不知道应该怎样做，请你帮助她完成木卫二运动周期的计算。 2019-2020年高中物理 6.5万有引力应用二：宇宙航行（环绕模型）学案新人 教版必修2 【学习目标】 1、知道人造地球卫星的运行原理，会运用万有引力定律和圆周运动公式分析解答有关卫星运行的原因。 2、掌握三个宇宙速度，会推导第一宇宙速度。 3、能用所学知识求解卫星基本问题。 【学习重点】 知道人造地球卫星的运行原理，会运用万有引力定律和圆周运动公式分析解答有关卫星运行的原因。【学习难点】 1、人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别。 2、用所学知识求解卫星基本问题。 【学习过程】 学习任务1：宇宙速度 回顾、交流、讨论： 由平抛物体的运动规律知：x=v0t①h= ② 联立①、②可得：x=v0 即物体飞行的水平距离和初速度v0及竖直高度h有关，在竖直高度相同的情况下，水平距离的大小只与初速度v0有关，水平初速度越大，飞行的越远。 当平抛的水平初速度足够大时，物体飞行的距离也很大，由于地球是一圆球体，故物体将不能再落回地面，而成为一颗绕地球运转的卫星。（此时地球对物体的引力用来充当物 体绕地球运转的向心力） 类比：由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转，此时月球受到的地球的引力，用来充当绕地运转的向心力，故而月球并不会落到地面上来。 分析：卫星绕地球运转时做匀速圆周运动，此时的动力学方程是：G 近地卫星在h=100∽200km的高度飞行，与地球半径R=6400km相比，完全可以说是在“地面附近”飞行，可以用地球半径R近似代表卫星到地心的距离r。 3 ==⨯ 7.910/ m s 此时因为r为最小值，所以v为最大值，向高轨道发射卫星时，火箭须克服地球对它的引力而做更多的功，对火箭的要求更高一些，所以比较困难。 结论：为最小的发射速度，同时为最大的运行速度，称作第一宇宙速度 第二宇宙速度和第三宇宙速度的概念。 迁移：如何在其他星球上发射卫星，如何理解其他星体的第一宇宙速度。 2019-2020年高中物理第六章万有引力与航天 6.5宇宙航行教学案新人 教版必修2 班级________姓名________学号_____ 学习目标: 1、了解人造卫星的有关知识。 2、知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。 3、通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力 4、通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情。 5、感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值观。 学习重点: 第一宇宙速度的推导 学习难点: 运行速率与轨道半径之间的关系 主要内容: （一）引入新课 教师活动：上节课我们学习了万有引力的成就。现在请同学们回忆下列问题： 1、万有引力定律在天文学上有何应用？ 2、如何应用万有引力定律计算天体的质量？能否计算环绕天体的质量？ 学生活动：经过思考，回答上述问题： 1、应用万有引力定律可以估算天体的质量；可以来发现未知天体。 2、应用万有引力定律求解天体质量时，万有引力充当向心力，结合圆周运动 向心加速度的三种表述方式可得三种形式的方程，即 G① G=mω2·r② G=m③ 教师活动：点评、总结 导入：这节课我们再来学习有关宇宙航行的知识。 （二）进行新课 1、宇宙速度 教师活动：请同学们阅读课文第一自然段，同时思考下列问题［投影出示］： 1、在地面抛出的物体为什么要落回地面？ 2、什么叫人造地球卫星？ 学生活动：阅读课文，从课文中找出相应的答案。 1、在地面上抛出的物体，由于受到地球引力的作用，所以最终都要落回到地 面。 2、如果在地面上抛出一个物体时的速度足够大，那么它将不再落回地面，而 成为一个绕地球运转的卫星，这个物体此时就可认为是一颗人造地球卫星。 第七章万有引力与宇宙航行 7.1行星的运动 ....................................................................................................................... - 1 - 7.2万有引力定律 ................................................................................................................. - 10 - 7.3万有引力理论的成就...................................................................................................... - 24 - 7.4宇宙航行 ......................................................................................................................... - 37 - 7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性.............................................................................. - 52 - 7.1行星的运动 学习目标：1.[物理观念]了解人类对行星运动规律的认识历程，知道开普勒行星运动规律及其科学价值。 2.[科学思维]知道行星绕太阳运动的原因，知道引力提供了行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力。 3.[科学探究]认识到科学研究一般从最基本的观念开始，凭借对现象的观测、模型的构建以及模型与事实之间的相互作用，不断修正原有的观念和模型，使其逐步接近事实，获得物理规律。 4.[科学态度与责任]认识到相信自然的简单和谐是科学家研究的动力之一，尊重客观事实、坚持实事求是是科学研究的基本态度和社会责任。 阅读本节教材，回答第44页“问题”并梳理必要知识点。 教材第44页“问题”提示：行星运行的轨道为椭圆，近似为圆。如果把行星的轨道当作圆处理，则行星到太阳的距离的三次方r3与行星公转周期的平方T2的比值为定值，轨道是椭圆，则椭圆半长轴的三次方a3与行星公转周期的平方T2的比值为定值。 一、地心说和日心说开普勒定律 1．地心说 地球是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮以及其他星体都绕地球运动。 2．日心说 太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动。 [注意]古代两种学说都是不完善的，因为不管是地球还是太阳，它们都在不 专题强化 卫星变轨问题和双星问题 [学习目标] 1.会分析卫星的变轨问题，知道卫星变轨的原因和变轨前后卫星速度的变化. 2.掌握双星运动的特点，会分析求解双星运动的周期和角速度. 一、人造卫星的变轨问题 1.变轨问题概述 (1)稳定运行 卫星绕天体稳定运行时，万有引力提供了卫星做圆周运动的向心力，即G Mm r 2＝m v 2r . (2)变轨运行 卫星变轨时，先是线速度大小v 发生变化导致需要的向心力发生变化，进而使轨道半径r 发生变化. ①当卫星减速时，卫星所需的向心力F 向＝m v 2 r 减小，万有引力大于所需的向心力，卫星将做 近心运动，向低轨道变轨. ②当卫星加速时，卫星所需的向心力F 向＝m v 2 r 增大，万有引力不足以提供卫星所需的向心力， 卫星将做离心运动，向高轨道变轨. 2.实例分析 (1)飞船对接问题 ①低轨道飞船与高轨道空间站对接时，让飞船合理地加速，使飞船沿椭圆轨道做离心运动，追上高轨道空间站完成对接(如图1甲所示). ②若飞船和空间站在同一轨道上，飞船加速时无法追上空间站，因为飞船加速时，将做离心运动，从而离开这个轨道.通常先使后面的飞船减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度，如图乙所示. 图1 (2)卫星的发射、变轨问题 如图2，发射卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，在Q 点点火加速做离心运动进入椭圆轨 道2，在P 点点火加速，使其满足GMm r 2＝m v 2 r ，进入圆轨道3做圆周运动. 图2 (2019·通许县实验中学期末)如图3所示为卫星发射过程的示意图，先将卫星发射至 近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再一次点火，将卫星送入同步圆轨道3.轨道1、2相切于Q 点，轨道2、3相切于P 点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法中正确的是( ) 图3 A.卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率 B.卫星在轨道3上的周期大于在轨道2上的周期 C.卫星在轨道1上经过Q 点时的速率大于它在轨道2上经过Q 点时的速率 D.卫星在轨道2上经过P 点时的加速度小于它在轨道3上经过P 点时的加速度 答案 B 解析 卫星在圆轨道上做匀速圆周运动时有： G Mm r 2＝m v 2 r ，可得v ＝GM r 因为r 1＜r 3，所以v 1＞v 3，A 项错误； 由开普勒第三定律知T 3>T 2，B 项正确； 在Q 点从轨道1到轨道2需要做离心运动，故需要加速， 所以在Q 点v 2Q >v 1Q ，C 项错误； 在同一点P ，由 GMm r 2 ＝ma n 知，卫星在轨道2上经过P 点的加速度等于它在轨道3上经过P 点四川省射洪县高一物理新人教版必修二教案《宇宙航行》(1)
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