第七章萬有引力與宇宙航行學習目標1.結合圓周運動知識和萬有引力定律,理解第一宇宙速度,了解第二宇宙速度和第三宇宙速度,會計算人造衛星的環繞速度,培養應用物理知識解決實際問題的能力.2.通過分析人造衛星的運行特點,理解近地衛星、同步衛星和其他衛星的區別.建構人造衛星發射和運行的空間模型,會分析衛星變軌問題,理解天體運動中的能量觀.3.通過了解宇宙航行的歷程和進展,以及我國在衛星發射和載人航天取得的成就,感受人類對客觀世界不斷探索的精神和情感.4宇宙航行知識點一

宇宙速度1.牛頓曾設想:從高山上水平拋出一個物體,當拋出的速度足夠大時,物體就不會落回地面,將成為環繞地球運動的人造地球衛星,如圖所示.據此思考以下問題:(2)物體繞地球做圓周運動的向心力由什么力來提供?是否需要考慮太陽對它的引力?答案:由地球對物體的萬有引力提供.不需要.答案:當拋出速度較小時,物體做平拋運動.當拋出速度足夠大時,物體不再落回地面,而是環繞地球運動.(1)當拋出速度較小時,物體做什么運動?當拋出速度足夠大物體不落回地面時,物體做什么運動?(3)試推導物體緊貼地面圍繞地球做勻速圓周運動的速度大小.已知地球半徑R=6400km,地球質量m地=5.98×1024kg,引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2.

2.閱讀教材,完成下面的表格.宇宙速度數值含義第一宇宙速度①7.9km/s物體在地球附近繞地球做勻速圓周運動的速度第二宇宙速度②11.2km/s當飛行器的發射速度v≥③11.2km/s時,它就會克服地球的引力,永遠離開地球第三宇宙速度④16.7km/s當飛行器的發射速度v≥⑤16.7km/s時,它就能掙脫太陽引力的束縛,飛到太陽系外知識點二人造地球衛星迄今為止,人類已經發射了數千顆人造地球衛星,目前在軌有效運行的衛星有上千顆,其中的通信、導航、氣象等衛星已極大地改變了人類的生活.閱讀教材,完成下列問題.1.

年10月4日,世界上第一顆人造地球衛星發射成功.2.1970年4月24日,我國第一顆人造地球衛星——

(名稱)發射成功,開創了中國航天史的新紀元.1957東方紅1號3.為我國航天事業做出特殊貢獻,被譽為“中國航天之父”的科學家是

.4.地球同步衛星位于赤道上方高度約

處,因相對地面靜止,也稱靜止衛星.地球同步衛星的轉動方向與地球自轉方向

(選填“相同”或“不相同”),周期與地球自轉周期

(選填“相同”或“不相同”).

錢學森36000km相同相同知識點三載人航天與太空探索人類一直有“飛天”的夢想,萬有引力定律的發現,不僅破解了天上行星的運行規律,也為人類開辟了上天的理論之路.閱讀教材,完成下列問題.1.1961年4月12日,蘇聯航天員

進入“東方一號”載人飛船,飛船繞地球飛行一圈,然后安全降落在地面,鑄就了人類首次進入太空的豐碑.2.1969年7月16日,運載“

”飛船的“土星5號”火箭點火升空,7月20日下午飛船登上月球.加加林阿波羅11號3.2003年10月15日9時,我國“

”宇宙飛船把中國第一位航天員

送入太空,截至2017年底,我國已將

名(14人次)航天員送入太空.4.2013年6月,“神舟十號”分別完成與“

”空間實驗室的手動和自動交會對接;2016年10月19日,“神舟十一號”完成與“

”空間實驗室的自動交會對接.2017年4月20日,我國又發射了貨運飛船“

”.神舟五號楊利偉11天宮一號天宮二號天舟一號小試身手判斷下列說法的正誤并和同學交流(正確的打“√”,錯誤的打“×”).1.第一宇宙速度是能使衛星進入近地圓形軌道的最小發射速度.(

)2.人造地球衛星的最小繞行速度是7.9km/s.(

)3.如果在地面發射衛星的速度大于11.2km/s,衛星會永遠離開地球.(

)4.要發射一顆人造月球衛星,在地面的發射速度應大于16.7km/s.(

)5.繞地球做圓周運動的人造衛星的速度可以是10km/s.(

)6.無論從哪個星球上發射衛星,發射速度都要大于7.9km/s.(

)√××××√探究一宇宙速度問題情境1.已知地球的質量為m地=5.98×1024kg,近地衛星繞地球做勻速圓周運動的軌道半徑等于地球半徑r=R=6.4×106m,地球表面附近的重力加速度g取9.8m/s2.請用兩種方法推導地球的第一宇宙速度,并比較兩種方法計算的結果.

2.如圖所示,地球的兩顆衛星均繞地球做勻速圓周運動.(1)環繞速度是衛星在進入運行軌道后繞地球做圓周運動的線速度.試比較P、Q兩顆衛星環繞速度的大小,并與第一宇宙速度做比較.

(2)發射速度是衛星在地面附近離開發射裝置的初速度,一旦發射后再無能量補充.試比較發射P、Q兩顆衛星需要的發射速度哪個大,并與第一宇宙速度比較.答案:因為發射衛星要克服地球對它的引力做功,向高軌道發射衛星比向低軌道發射衛星需要的能量大,所以發射衛星Q需要的發射速度更大.由于近地軌道最低,其需要的發射速度最小,故P、Q的發射速度均大于第一宇宙速度,第一宇宙速度是地球衛星最小的發射速度.3.不同天體的第一宇宙速度大小是否相等?第一宇宙速度的決定因素是什么?

過程建構1.第一宇宙速度(又叫環繞速度).v1=7.9km/s,就是近地衛星環繞地球做勻速圓周運動的線速度,也是衛星的最小發射速度.計算方法如下:方法一方法二任何天體都有自己的第一宇宙速度.2.第二宇宙速度(又叫脫離速度).v2=11.2km/s,就是衛星掙脫地球的引力需要的最小發射速度.當7.9km/s≤v發<11.2km/s時,衛星繞地球運動,且發射速度越大,衛星的軌道越高,繞行速度越小.3.第三宇宙速度(又叫逃逸速度).v3=16.7km/s,當11.2km/s≤v發<16.7km/s時,衛星繞太陽運轉,成為太陽系的一顆“小行星”.4.所有的人造地球衛星都滿足7.9km/s≤v發<11.2km/s,v環≤7.9km/s.【典例1】某人在一星球上以速率v豎直上拋一物體,經時間t后,物體以速率v落回手中.已知該星球的半徑為R,求該星球上的第一宇宙速度.

探究二人造地球衛星問題情境在地球的周圍,有許多衛星在不同的軌道上繞地球轉動,如圖所示.甲乙1.這些衛星運動的向心力都是由什么力提供的?這些衛星的軌道平面有什么特點?答案:衛星運動的向心力由地球對衛星的萬有引力提供,所有衛星的軌道平面都經過地心.2.這些衛星的線速度、角速度、周期跟什么因素有關呢?

3.為什么發射速度越大,運行速度反而更小呢?這是否違反了能量守恒定律?

過程建構1.地球人造衛星軌道特點.人造衛星的軌道可以是橢圓軌道,也可以是圓軌道.圓軌道的圓心都在地心,橢圓軌道其中一個焦點在地心.2.三類人造地球衛星軌道.(1)赤道軌道:衛星軌道在赤道平面,衛星始終處于赤道上方.(2)極地軌道:衛星軌道平面與赤道平面垂直,衛星通過兩極上空.(3)一般軌道:衛星軌道和赤道成任一角度.【典例2】圖中所示的軌道不可能是衛星繞地球運行的軌道的是(

)A.1

B.2

C.3

D.4解析:1是赤道軌道,2是極地軌道,3是一般軌道,4的圓心不在地心上,故4不可能是衛星繞地球運行的軌道.答案:D探究三地球同步衛星問題情境地球同步衛星是指相對于地面靜止的人造衛星,又叫作通信衛星,地球上空分布著許多的同步衛星,如圖所示.在地面上的人看來,它們始終靜止不動.甲乙1.這些同步衛星是否真的靜止不動呢?答案:這些地球同步衛星都在繞地心做勻速圓周運動,且轉動方向與地球自轉方向相同,周期與地球自轉周期相同,所以相對地球靜止.2.這些同步衛星有什么共同的特點呢?

過程建構同步衛星的特點——六個“一定”.

答案:AC赤道上隨地球自轉的物體、近地衛星、同步衛星的比較比較項是不是衛星向心力情況軌道半徑周期線速度赤道上隨地球自轉的物體不是萬有引力的一部分提供向心力地球半徑24h約0.47km/s近地衛星是萬有引力全部提供向心力

地球半徑85min7.9km/s同步衛星是萬有引力全部提供向心力

約4.2×104km24h3.1km/s課堂評價答案:CD1.(多選)下列關于三種宇宙速度的說法正確的是 (

)A.第一宇宙速度v1=7.9km/s,第二宇宙速度v2=11.2km/s,人造衛星繞地球在圓軌道上運行時的速度大于等于v1,小于v2B.美國發射的鳳凰號火星探測衛星,其發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小行星的最小發射速度D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球衛星繞地球做圓周運動的最大運行速度答案:A2.已知地球的質量約為火星質量的10倍,地球的半徑約為火星半徑的2倍,地球的第一宇宙速度為7.9km/s,則航天器在火星表面附近繞火星做勻速圓周運動的速率約為(

)A.3.5km/s

B.5.0km/sC.17.7km/s

D.35.2km/s3.(2022·廣東廣州)2022年6月5日10時44分10秒,航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲乘坐“神舟十四號”載人飛船從酒泉衛星發射中心升空,飛船采取徑向對接方式與天宮空間站實現對接.在對接過程中,神舟飛船軌道半徑緩慢增大,可近似地看成在不同軌道上做穩定的圓周運動.關于對接過程中的“神州十四號”,下列選項正確的是()A.飛船中的航天員處于完全失重狀態,因此萬有引力等于0B.飛船飛行速度大于第二宇宙速度C.飛船運行周期變小D.飛船的加速度變小答案:D4.如圖所示,A、B均為地球同步衛星,衛星A的質量大于衛星B的質量.下列說法正確的是(

)答案:BA.衛星A、B的線速度大小都是11.2km/sB.衛星A、B的運行軌道一定都在赤道正上空C.衛星A、B受到的萬有引力大小相等D.衛星A、B的周期與地球繞太陽公轉周期相同學科素養培優模型建構——衛星的變軌問題1.衛星從圓軌道Ⅰ轉移到圓軌道Ⅲ需要經過如下過程,如圖所示.

【典例】如圖所示,某次發射同步衛星的過程如下:先將衛星發射至