《（浙江專用）2022-2023學(xué)年高中物理 第六章 萬有引力與航天 5 宇宙航行學(xué)案 新人教版必修2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《（浙江專用）2022-2023學(xué)年高中物理 第六章 萬有引力與航天 5 宇宙航行學(xué)案 新人教版必修2（15頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、（浙江專用）2022-2023學(xué)年高中物理 第六章 萬有引力與航天 5 宇宙航行學(xué)案 新人教版必修2學(xué)習(xí)目標(biāo)1.會分析人造地球衛(wèi)星的受力和運(yùn)動情況.會解決涉及人造地球衛(wèi)星運(yùn)動的較簡單的問題.2.知道三個(gè)宇宙速度的含義和數(shù)值，會推導(dǎo)第一宇宙速度.考試要求學(xué)考選考cc一、宇宙速度1.牛頓的設(shè)想：如圖1所示，把物體水平拋出，如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動，成為人造地球衛(wèi)星.圖1原理：一般情況下可認(rèn)為人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動，向心力由地球?qū)λ娜f有引力提供，即Gm，則衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行的線速度v.2.三個(gè)宇宙速度數(shù)值意義第一宇宙速度7.9 km/s衛(wèi)星在地球表面附近繞地球做勻

2、速圓周運(yùn)動的速度第二宇宙速度11.2 km/s使衛(wèi)星掙脫地球引力束縛永遠(yuǎn)離開地球的最小地面發(fā)射速度第三宇宙速度16.7 km/s使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛飛到太陽系外的最小地面發(fā)射速度二、夢想成真1.1957年10月4日蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星.2.1961年4月12日，蘇聯(lián)空軍少校加加林進(jìn)入“東方一號”載人飛船，鑄就了人類進(jìn)入太空的豐碑.3.1969年7月，美國“阿波羅11號”飛船登上月球.4.2003年10月15日，我國“神舟五號”宇宙飛船發(fā)射成功，把中國第一位航天員楊利偉送入太空.判斷下列說法的正誤.(1)在地面上發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度是7.9 km/s.()(2)人造地球衛(wèi)星的最小

3、繞行速度是7.9 km/s.()(3)在地面上發(fā)射火星探測器的速度應(yīng)為11.2 km/sv16.7 km/s.()(4)要發(fā)射離開太陽系進(jìn)入銀河系的探測器，所需發(fā)射速度至少為16.7 km/s.()(5)要發(fā)射一顆月球衛(wèi)星，在地面的發(fā)射速度應(yīng)大于16.7 km/s.()一、三個(gè)宇宙速度1.不同天體的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的決定因素是什么？答案不同.由m得，第一宇宙速度v，可以看出，第一宇宙速度的值取決于中心天體的質(zhì)量M和半徑R，與衛(wèi)星無關(guān).2.把衛(wèi)星發(fā)射到更高的軌道上需要的發(fā)射速度越大還是越?。看鸢冈酱?向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，因?yàn)榘l(fā)射衛(wèi)星要克服地球?qū)λ囊?1.

4、第一宇宙速度(1)定義：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動的繞行速度.(2)推導(dǎo)：對于近地人造衛(wèi)星，軌道半徑r近似等于地球半徑R6 400 km，衛(wèi)星在軌道處所受的萬有引力近似等于衛(wèi)星在地面上所受的重力，取g9.8 m/s2，則(3)推廣由第一宇宙速度的兩種表達(dá)式看出，第一宇宙速度的值由中心天體決定，可以說任何一顆行星都有自己的第一宇宙速度，都可以用v或v表示，式中G為引力常量，M為中心天體的質(zhì)量，g為中心天體表面的重力加速度，R為中心天體的半徑.2.第二宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，使之能夠脫離地球的引力作用，永遠(yuǎn)離開地球所必需的最小發(fā)射速度，稱為第二宇宙速度，其大小為11.2

5、 km/s.7.9 km/sv0T2，B項(xiàng)正確；在Q點(diǎn)從軌道1到軌道2需要做離心運(yùn)動，故需要加速.所以在Q點(diǎn)v2Qv1Q，C項(xiàng)錯誤.在同一點(diǎn)P，由ma知，衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點(diǎn)的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過P點(diǎn)的加速度，D項(xiàng)錯誤.【考點(diǎn)】衛(wèi)星、飛船的對接和變軌問題【題點(diǎn)】衛(wèi)星、飛船的對接和變軌問題判斷衛(wèi)星變軌時(shí)速度、加速度變化情況的思路：(1)判斷衛(wèi)星在不同圓軌道的運(yùn)行速度大小時(shí)，可根據(jù)“越遠(yuǎn)越慢”的規(guī)律判斷.(2)判斷衛(wèi)星在同一橢圓軌道上不同點(diǎn)的速度大小時(shí)，可根據(jù)開普勒第二定律判斷，即離中心天體越遠(yuǎn)，速度越小.(3)判斷衛(wèi)星由圓軌道進(jìn)入橢圓軌道或由橢圓軌道進(jìn)入圓軌道時(shí)的速度大小如何變化時(shí)，可根

6、據(jù)離心運(yùn)動或近心運(yùn)動的條件進(jìn)行分析.(4)判斷衛(wèi)星的加速度大小時(shí)，可根據(jù)aG判斷.1.(對宇宙速度的理解)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v17.9 km/s，第二宇宙速度v211.2 km/s，則人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)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)行的人造行星的最小發(fā)射速度D.第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動的最小運(yùn)行速度答案C解析根據(jù)v可知，衛(wèi)星的軌道半徑r越大，即距離地面越遠(yuǎn)，衛(wèi)星的環(huán)繞速度越小，v17

7、.9 km/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，D錯誤；實(shí)際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，故衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度都小于第一宇宙速度，選項(xiàng)A錯誤；美國發(fā)射的“鳳凰號”火星探測衛(wèi)星，仍在太陽系內(nèi)，所以其發(fā)射速度小于第三宇宙速度，選項(xiàng)B錯誤；第二宇宙速度是使物體掙脫地球引力束縛而成為繞太陽運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度，選項(xiàng)C正確.2.(第一宇宙速度的計(jì)算)若取地球的第一宇宙速度為8 km/s，某行星的質(zhì)量是地球質(zhì)量的6倍，半徑是地球半徑的1.5倍，此行星的第一宇宙速度約為()A.16 km/s B.32 km/sC.4 km/s D.2 km/s答案A【考點(diǎn)】第一

8、宇宙速度的計(jì)算【題點(diǎn)】用萬有引力提供向心力求解第一宇宙速度3.(對同步衛(wèi)星的認(rèn)識)(2018浙江省名校協(xié)作體第二學(xué)期考試)如圖6所示，中國計(jì)劃2020年左右建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由5顆靜止軌道同步衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星(離地高度約21 000 km)及其他軌道衛(wèi)星共35顆組成.則()圖6A.靜止軌道衛(wèi)星指相對地表靜止，其可定位在北京正上空B.中地球軌道衛(wèi)星比同步衛(wèi)星運(yùn)行速度更快C.中地球軌道衛(wèi)星周期大于24小時(shí)D.靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)射速度小于第一宇宙速度答案B解析靜止軌道衛(wèi)星即同步衛(wèi)星，離地面高度約36 000 km，周期為24 h，它的軌道半徑比中地球軌道衛(wèi)星的大

9、，故靜止軌道衛(wèi)星的線速度比中地球軌道衛(wèi)星小，周期比中地球軌道衛(wèi)星大，B正確，C錯誤.靜止軌道衛(wèi)星只能定位在赤道上空，A項(xiàng)錯誤.第一宇宙速度是近地衛(wèi)星的發(fā)射速度，靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)射速度大于第一宇宙速度，D錯誤.4.(對衛(wèi)星的認(rèn)識)(2017浙江11月選考科目考試)如圖7所示是小明同學(xué)畫的人造地球衛(wèi)星軌道的示意圖，則衛(wèi)星()圖7A.在a軌道運(yùn)行的周期為24 hB.在b軌道運(yùn)行的速度始終不變C.在c軌道運(yùn)行的速度大小始終不變D.在c軌道運(yùn)行時(shí)受到的地球引力大小是變化的答案D解析a軌道的半徑不確定，無法確定周期，選項(xiàng)A錯誤；b軌道上的衛(wèi)星的速度方向不斷變化，所以速度不斷變化，選項(xiàng)B錯誤；地球在c軌道的

10、其中一個(gè)焦點(diǎn)上，因此在近地點(diǎn)時(shí)衛(wèi)星速度要快，遠(yuǎn)地點(diǎn)速度要慢，選項(xiàng)C錯誤；在c軌道上，衛(wèi)星離地球的距離不斷變化，所以根據(jù)F可以看出衛(wèi)星受地球的引力大小不斷變化，D正確.5.(衛(wèi)星的變軌問題)(2018臺州中學(xué)第四次統(tǒng)練)如圖8所示，2017年6月19日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射“中星9A”廣播電視直播衛(wèi)星，按預(yù)定計(jì)劃，“中星9A”應(yīng)該首先被送入近地點(diǎn)約為200公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)約為3.6萬公里的轉(zhuǎn)移軌道(橢圓)，然后通過在遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌，進(jìn)入最終同步軌道(圓形).但是由于火箭故障，衛(wèi)星實(shí)際入軌后初始軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)只有1.6萬公里.科技人員沒有放棄，通過精心操作，利用衛(wèi)星自帶燃料在近地點(diǎn)點(diǎn)火，盡量抬高遠(yuǎn)地點(diǎn)的

11、高度，經(jīng)過10次軌道調(diào)整，終于在7月5日成功定點(diǎn)于預(yù)定軌道.下列說法正確的是()圖8A.“中星9A”發(fā)射失利原因可能是發(fā)射速度沒有達(dá)到7.9 km/sB.衛(wèi)星在軌道經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)和在軌道經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)速度相同C.衛(wèi)星在軌道經(jīng)過Q點(diǎn)的加速度大于它經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的加速度D.衛(wèi)星從軌道的P點(diǎn)進(jìn)入軌道后速度增加答案D解析“中星9A”已經(jīng)成功發(fā)射至遠(yuǎn)地點(diǎn)1.6萬公里的橢圓軌道上.其發(fā)射速度大于第一宇宙速度，A項(xiàng)錯誤；在Q點(diǎn)從軌道到軌道要加速，所以vv，B項(xiàng)錯誤；由a知aPaQ，C項(xiàng)錯誤；在P點(diǎn)從軌道進(jìn)入軌道要加速，D項(xiàng)正確.一、選擇題考點(diǎn)一宇宙速度的理解及第一宇宙速度的計(jì)算1.2013年6月11日17時(shí)38分，“神

12、舟十號”飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，航天員王亞平進(jìn)行了首次太空授課.在飛船進(jìn)入離地面343 km的圓形軌道環(huán)繞地球飛行時(shí)，它的線速度大小()A.等于7.9 km/sB.介于7.9 km/s和11.2 km/s之間C.小于7.9 km/sD.介于7.9 km/s和16.7 km/s之間答案C解析衛(wèi)星在圓形軌道上運(yùn)行的速度v.由于軌道半徑r地球半徑R，所以v 7.9 km/s，C正確.【考點(diǎn)】三個(gè)宇宙速度的理解【題點(diǎn)】三個(gè)宇宙速度的理解2.中俄曾聯(lián)合實(shí)施探測火星計(jì)劃，由中國負(fù)責(zé)研制的“螢火一號”火星探測器與俄羅斯研制的“福布斯土壤”火星探測器一起由俄羅斯“天頂”運(yùn)載火箭發(fā)射前往火星.由于火箭故

13、障未能成功，若發(fā)射成功，且已知火星的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的，火星的半徑約為地球半徑的.下列關(guān)于火星探測器的說法中正確的是()A.發(fā)射速度只要大于第一宇宙速度即可B.發(fā)射速度只有達(dá)到第三宇宙速度才可以C.發(fā)射速度應(yīng)大于16.7 km/sD.火星探測器環(huán)繞火星運(yùn)行的最大速度約為地球第一宇宙速度的答案D解析火星探測器前往火星，脫離地球引力束縛，還在太陽系內(nèi)，發(fā)射速度應(yīng)大于第二宇宙速度、小于第三宇宙速度，選項(xiàng)A、B、C錯誤；由m得，v.已知火星的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的，火星的半徑約為地球半徑的，可得火星的第一宇宙速度與地球第一宇宙速度之比，選項(xiàng)D正確.【考點(diǎn)】第一宇宙速度的計(jì)算【題點(diǎn)】用萬有引力提供向心力求解

14、第一宇宙速度3.一顆人造地球衛(wèi)星以初速度v發(fā)射后，可繞地球做勻速圓周運(yùn)動，若使發(fā)射速度增大為2v，則該衛(wèi)星可能()繞地球做勻速圓周運(yùn)動繞地球運(yùn)動，軌道變?yōu)闄E圓不繞地球運(yùn)動，成為太陽的人造行星掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙A. B.C. D.答案C解析以初速度v發(fā)射后能成為人造地球衛(wèi)星，可知發(fā)射速度v一定大于或等于第一宇宙速度7.9 km/s，當(dāng)以2v速度發(fā)射時(shí)，發(fā)射速度一定大于或等于15.8 km/s，已超過了第二宇宙速度11.2 km/s，也可能超過第三宇宙速度16.7 km/s，所以此衛(wèi)星不再繞地球運(yùn)行，可能繞太陽運(yùn)行，或者飛到太陽系以外的宇宙，故選項(xiàng)C正確.【考點(diǎn)】三個(gè)宇宙速度

15、的理解【題點(diǎn)】三個(gè)宇宙速度的理解4.已知某星球的平均密度是地球的n倍，半徑是地球的k倍，地球的第一宇宙速度為v，則該星球的第一宇宙速度為()A.v B.kvC.nk D.答案B解析由Gm，得v，將Mr3代入，可得vr，所以該星球的第一宇宙速度是地球第一宇宙速度的k倍，選項(xiàng)B正確.考點(diǎn)二人造衛(wèi)星同步衛(wèi)星5.下列關(guān)于我國發(fā)射的“亞洲一號”地球同步通信衛(wèi)星的說法，正確的是()A.若其質(zhì)量加倍，則軌道半徑也要加倍B.它在北京上空運(yùn)行，故可用于我國的電視廣播C.它以第一宇宙速度運(yùn)行D.它運(yùn)行的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同答案D解析由Gm得r，可知軌道半徑與衛(wèi)星質(zhì)量無關(guān)，A錯；同步衛(wèi)星的軌道平面必須與赤道平

16、面重合，即在赤道上空運(yùn)行，不能在北京上空運(yùn)行，B錯；第一宇宙速度是衛(wèi)星在最低圓軌道上運(yùn)行的速度，而同步衛(wèi)星在高軌道上運(yùn)行，其運(yùn)行速度小于第一宇宙速度，C錯；所謂“同步”就是衛(wèi)星保持與赤道上某一點(diǎn)相對靜止，所以同步衛(wèi)星的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同，D對.6.我國“中星11號”商業(yè)通信衛(wèi)星是一顆同步衛(wèi)星，它定點(diǎn)于東經(jīng)98.2度的赤道上空，關(guān)于這顆衛(wèi)星的說法正確的是()A.運(yùn)行速度大于7.9 km/sB.離地面高度一定，相對地面靜止C.繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球運(yùn)行的角速度小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答案B解析“中星11號”是地球同步衛(wèi)星，距地面有一定的高度，運(yùn)行速度要

17、小于7.9 km/s，A錯.其位置在赤道上空，高度一定，且相對地面靜止，B正確.其運(yùn)行周期為24小時(shí)，小于月球的繞行周期，由知，其繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球運(yùn)行的角速度大，C錯.同步衛(wèi)星與靜止在赤道表面的物體具有相同的角速度，但半徑不同，由anr2知，同步衛(wèi)星的向心加速度大，D錯.綜上分析，正確選項(xiàng)為B.7.(2018桐鄉(xiāng)市選考基礎(chǔ)測試)中國“快遞小哥”天舟一號于2017年4月20日成功發(fā)射.天舟一號與天宮二號對接后(如圖1所示)，其中一項(xiàng)任務(wù)是為天宮二號補(bǔ)加推進(jìn)劑，另一項(xiàng)任務(wù)是將天宮二號推至更高軌道運(yùn)行.若天舟一號與天宮二號繞地球做勻速圓周運(yùn)動，下列說法正確的是()圖1A.天舟一號對接時(shí)

18、的速度大于7.9 km/sB.補(bǔ)加推進(jìn)劑后，天宮二號受到的地球引力減小C.補(bǔ)加推進(jìn)劑后，天宮二號運(yùn)行的周期減小D.天宮二號在高軌道運(yùn)行時(shí)的速度比低軌道小答案D8.(2018溫州市六校協(xié)作體高三上學(xué)期期末聯(lián)考)2017年11月15日，我國第二代極軌氣象衛(wèi)星“風(fēng)云三號D”成功發(fā)射，順利進(jìn)入預(yù)定軌道.極軌氣象衛(wèi)星圍繞地球南北兩極運(yùn)行，其軌道在地球上空6501 500 km之間，低于地球靜止軌道衛(wèi)星(高度約為36 000 km)，可以實(shí)現(xiàn)全球觀測.有關(guān)“風(fēng)云三號D”，下列說法中正確的是()A.“風(fēng)云三號D”軌道平面為赤道平面B.“風(fēng)云三號D”的發(fā)射速度可能小于7.9 km/sC.“風(fēng)云三號D”的周期小

19、于地球靜止軌道衛(wèi)星的周期D.“風(fēng)云三號D”的加速度小于地球靜止軌道衛(wèi)星的加速度答案C考點(diǎn)三衛(wèi)星的變軌問題9.如圖2所示，航天飛機(jī)在完成太空任務(wù)后，在A點(diǎn)從圓形軌道進(jìn)入橢圓軌道，B為軌道上的近地點(diǎn)，關(guān)于航天飛機(jī)的運(yùn)動，下列說法中正確的有()圖2A.在軌道上經(jīng)過A的速度大于經(jīng)過B的速度B.在軌道上經(jīng)過A的速度大于在軌道上經(jīng)過A的速度C.在軌道上運(yùn)動的周期小于在軌道上運(yùn)動的周期D.在軌道上經(jīng)過A的加速度小于在軌道上經(jīng)過A的加速度答案C【考點(diǎn)】衛(wèi)星、飛船的對接和變軌問題【題點(diǎn)】衛(wèi)星、飛船的發(fā)射和變軌問題二、非選擇題10.(第一宇宙速度的計(jì)算)宇航員在月球上做自由落體實(shí)驗(yàn)，將某物體由距月球表面高h(yuǎn)處由靜

20、止釋放，經(jīng)時(shí)間t后物體落到月球表面(設(shè)月球半徑為R).根據(jù)上述信息計(jì)算月球的第一宇宙速度.答案解析設(shè)月球表面的重力加速度為g，由物體“自由落體”可得hgt2由第一宇宙速度等于近月環(huán)繞速度可得Gm在月球表面mgG由得：v.11.(人造衛(wèi)星的運(yùn)動參量)據(jù)報(bào)道：某國發(fā)射了一顆質(zhì)量為100 kg、周期為1 h的人造環(huán)月衛(wèi)星，一位同學(xué)記不住引力常量G的數(shù)值，且手邊沒有可查找的資料，但他記得月球半徑為地球半徑的，月球表面重力加速度為地球表面重力加速度的，經(jīng)過推理，他認(rèn)定該報(bào)道是則假新聞，試寫出他的論證方案.(地球半徑約為6.4103 km，g地取9.8 m/s2)答案見解析解析對環(huán)月衛(wèi)星，根據(jù)萬有引力定律和牛頓第二定律得mr，解得T2 則rR月時(shí)，T有最小值，又g月故Tmin222代入數(shù)據(jù)解得Tmin1.73 h環(huán)月衛(wèi)星最小周期為1.73 h，故該報(bào)道是則假新聞.