人教版（2019）高中物理 必修第二册7.4 宇宙航行学案（word含答案）

4．宇宙航行
学习目标 (1)了解人造地球卫星的最初构想，会推导第一宇宙速度． (2)知道同步卫星和其他卫星的区别，会分析人造地球卫星的受力和运动情况并解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题． (3)了解发射速度与环绕速度的区别和联系，理解天体运动中的能量观． (4)了解宇宙航行的历程和进展，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感．
必备知识·自主学习——突出基础性　素养夯基
一、宇宙速度
1.人造地球卫星的发射原理
(1)牛顿的设想：在高山上水平抛出一个物体，当初速度足够大时，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：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做________运动，向心力由地球对它的________提供，即G＝________，则卫星在轨道上运行的线速度v＝.
2．宇宙速度
(1)第一宇宙速度
①定义：物体在地球附近绕地球做________运动的速度，叫作第一宇宙速度(first cosmic velocity).
②大小：________ km/s
(2)第二宇宙速度
当飞行器的速度等于或大于11.2 km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球．我们把11.2 km/s叫作第二宇宙速度(second cosmic velocity).
(3)第三宇宙速度
在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于16.7 km/s，这个速度叫作第三宇宙速度(third cosmic velocity).
理解：牛顿的设想
平抛物体水平初速度逐渐增大，物体的落地点将越来越远，若抛出物体的水平初速度足够大，物体将绕地球运动并成为地球的一颗卫星．
图解：三个宇宙速度
二、人造地球卫星
1.卫星的发射
(1)1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功．
(2)1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功，开创了中国航天史的新纪元．
(3)目前在轨有效运行的卫星有上千颗，其中的通信、导航、气象等卫星已极大地改变了人类的生活．
2．同步卫星的特点
地球同步卫星位于赤道上方高度约________处，周期与地球自转周期________，其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方向________．因其相对地面静止，也称________卫星．
拓展1：
不同高度处人造地球卫星的环绕速度及周期如表所示：
高度/km 环绕速度/(km·s－1) 周期
0 7.9 84 min
36 000(同步轨道) 3.1 23小时56分
380 000(月球轨道) 0.97 27天
拓展2：
三、载人航天与太空探索
1．1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了________载人飞船．
2．1969年7月16日9时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕．
3.2003年10月15日9时，我国________宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空．
4．在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将________航天员送入太空，包括两名女航天员．
5．2013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．
6．2016年10月19日，神舟十一号完成与________空间实验室的自动交会对接．
7．2017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实验室进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接及多项实验．
8．2019年1月3日，中国的“嫦娥四号”探测器成功完成世界首次在月球背面软着陆．并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，揭开了古老月背的神秘面纱．
9．2020年5月8日，我国新一代载人飞船试验船返回舱在预定区域成功着陆，试验取得圆满成功．
10．2020年12月17日凌晨，中国的“嫦娥五号”返回器在内蒙古成功着陆，标志着我国首次月球采样返回任务圆满完成．
飞向太空的桥梁—火箭
在现代技术条件下，一级火箭的最终速度还达不到发射人造卫星所需要的速度，发射卫星要用多级火箭．所谓多级火箭，就是用几个火箭连接而成的火箭组合，一般用三级，如图甲所示．火箭起飞时，第一级火箭“点火”，推动各级火箭一起前进，当这一级的燃料燃尽后，第二级火箭开始工作，并自动脱掉第一级火箭的外壳；第二级火箭在第一级火箭基础上进一步加速，以此类推，最终达到所需要的速度，如图乙所示．
【思考辨析】　判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”．
(1)在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9 km/s.(　　)
(2)如果在地面发射卫星的速度大于11.2 km/s，卫星会永远离开地球．(　　)
(3)要发射一颗人造月球卫星，在地面的发射速度应大于16.7 km/s.(　　)
(4)地球同步卫星一定位于赤道的正上方．(　　)
(5)地球同步卫星与地球自转的周期相同．(　　)
(6)人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由火箭推力提供．(　　)
(7)卫星绕地球运动的轨道半径越大，运行速度越大．(　　)
关键能力·合作探究——突出综合性　素养形成
探究点一　宇宙速度
导学探究
发射卫星，要有足够大的速度才行，请思考：
(1)不同星球的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的决定因素是什么？
(2)人造地球卫星离地面越高，其线速度越小，那么发射起来是不是越容易？
探究总结
1.第一宇宙速度(环绕速度)：人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度，也是人造地球卫星的最小发射速度．
2．第二宇宙速度(脱离速度)：在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳运动的人造行星或绕其他行星运动的人造卫星所必需的最小发射速度11.2 km/s.
3．第三宇宙速度(逃逸速度)：在地面上发射物体，使之脱离太阳的引力作用，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度．
4．在地面的发射速度7.9 km/s＜v＜11.2 km/s时，物体的运行轨迹不是圆，而是椭圆．
典例示范
题型一　对宇宙速度的理解
【例1】　(多选)下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是(　　)
A．人造地球卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度7.9 km/s≤v<11.2 km/s
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
题型二　第一宇宙速度的计算
【例2】　若取地球的第一宇宙速度为8 km/s，某行星的质量是地球质量的6倍，半径是地球半径的1.5倍，此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
练1　已知火星的质量约为地球质量的，火星的半径约为地球半径的.下列关于火星探测器的说法正确的是(　　)
A．发射速度只要高于第一宇宙速度即可
B．发射速度只有达到第三宇宙速度才可以
C．发射速度不能低于第二宇宙速度
D．火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的
练2　(多选)2020年12月1日23时11分，在经历了为期一周的地月转移、近月制动、环月飞行之旅后，嫦娥五号探测器在月球表面预定的区域软着陆．若嫦娥五号在环月飞行时绕月球做匀速圆周运动，已知嫦娥五号距月球表面高度为h，运动周期为T，月球半径为R，引力常量为G，忽略月球自转，则下列说法正确的是(　　)
A．嫦娥五号绕月球做匀速圆周运动时的线速度大小为
B．月球表面重力加速度大小为
C．月球的第一宇宙速度为
D．月球的平均密度为
探究点二　人造卫星的运行规律
导学探究
在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动．请思考：
(1)这些卫星运动的向心力都是由什么力提供的？这些卫星的轨道平面有什么特点？
(2)这些卫星的线速度、角速度、周期跟什么因素有关呢？
探究总结
1.卫星运动遵循的规律：所有卫星都在以地心为圆心的圆轨道或以地心为一个焦点的椭圆轨道上，人造地球卫星的轨道一般有三种，如图所示．
2．卫星轨道的圆心：卫星绕地球沿圆形轨道运动时，因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以地心是卫星圆轨道的圆心．
3．卫星的轨道：卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，可以通过两极上空(极地卫星)，也可以和赤道平面成任意角度．
典例示范
题型一　人造卫星运行参量的比较与计算
【例3】　(多选)如图所示，a、b、c是地球大气层外圈圆形轨道上运动的三颗卫星，a和b质量相等，且小于c的质量，则(　　)
A．b所需向心力最小
B．b、c的周期相等且大于a的周期
C．b、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度
D．b、c的线速度大小相等，且小于a的线速度
题型二　同步卫星
【例4】　北斗问天，国之夙愿．我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星，其轨道半径约为地球半径的7倍．与近地轨道卫星相比，地球静止轨道卫星(　　)
A．周期大 B．线速度大
C．角速度大 D．加速度大
练3　(多选)如图是地球的四颗不同的卫星，它们均做匀速圆周运动，以下说法正确的是(　　)
A．四颗卫星的轨道平面必过地心
B．近地卫星的周期可以大于24小时
C．同步卫星可以和月亮一样高
D．理论上极地卫星可以和同步卫星一样高
练4　如图所示，卫星a、b、c沿圆形轨道绕地球运行．a是极地轨道卫星，在地球两极上空约1 000 km处运行；b是低轨道卫星，距地球表面高度与a相等；c是地球同步卫星，则(　　)
A．a、b的周期比c的大 B．a、b的向心力一定相等
C．a、b的速度大小相等 D．a、b的向心加速度比c的小
课堂小结
随堂演练·达标自测——突出创新性　素养达标
1.(多选)关于人造卫星，下列说法中正确的是(　　)
A．人造卫星环绕地球运行的速度可能为5.0 km/s
B．人造卫星环绕地球运行的速度可能为7.9 km/s
C．人造卫星环绕地球运行的周期可能为80 min
D．人造卫星环绕地球运行的周期可能为200 min
2．关于地球同步卫星，下列说法正确的是(　　)
A．它处于平衡状态且具有一定的高度
B．它的向心加速度等于9.8 m/s2
C．它的周期是24 h，且轨道平面与赤道平面重合
D．它绕行的速度大于7.9 km/s
3．“嫦娥五号”探测器自动完成月面样品采集，并从月球起飞，返回地球．若已知月球半径为R，“嫦娥五号”在距月球表面为R的圆轨道上飞行，周期为T，万有引力常量为G，下列说法正确的是(　　)
A．月球的质量为
B．月球表面的重力加速度为
C．月球的密度为
D．月球第一宇宙速度为
4．三颗人造地球卫星A、B、C在同一平面内沿不同的轨道绕地球做匀速圆周运动，且绕行方向相同，已知RA5．2021年2月24日，我国首次火星探测任务“天问一号”火星探测器成功实施第三次近火制动，进入距火星最近280 km、最远5.9×104 km、环绕一周需2个火星日的火星停泊轨道上，将在该轨道上运行约3个月后择机实施火星着陆．假设探测器着陆火星后，测得火星赤道上一质量为m的物块受到的重力为F，已知火星的半径为R，自转周期为T，引力常量为G，则(　　)
A．火星赤道表面处的重力加速度为g火＝
B．火星的质量为
C．火星的第一宇宙速度为
D．火星的密度为
4．宇宙航行
必备知识·自主学习
一、
1．(2)匀速圆周　万有引力　
2．(1)①匀速圆周　②7.9
二、
2．36 000 km　相同　相同　静止
三、
1．东方一号
3．神舟五号
4．11名
5．天宫一号
6．天宫二号
7．天舟一号
思考辨析
答案：(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√　(6)×　(7)×
关键能力·合作探究
探究点一
提示：(1)不同，根据G＝m得v＝，可见第一宇宙速度由星球的质量和半径决定．
(2)不是．近地卫星最“容易”发射，离地面越高的卫星，越难发射．
【例1】　【解析】　v1＝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，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项A错误，D正确；美国发射的凤凰号火星探测卫星，仍在太阳系内，其发射速度小于第三宇宙速度，选项B错误；第二宇宙速度是使物体挣脱地球束缚而成为太阳的一颗人造小行星的最小发射速度，选项C正确．
【答案】　CD
【例2】　【解析】　第一宇宙速度是行星表面卫星的环绕速度，对于卫星，其轨道半径近似等于星球半径，所受万有引力提供其做匀速圆周运动的向心力，根据万有引力定律和牛顿第二定律得G＝m，解得v＝.因为该行星的质量M′是地球质量M的6倍，半径R′是地球半径R的1.5倍，则＝＝＝2，故v′＝2v＝2×8 km/s＝16 km/s，A正确．
【答案】　A
练1　解析：A、B错，C对：火星探测器前往火星，脱离地球引力束缚，还在太阳系内，发射速度应大于第二宇宙速度，可以小于第三宇宙速度．D错：由G＝m得，v＝，已知火星的质量约为地球质量的，火星的半径约为地球半径的，可得火星的第一宇宙速度与地球第一宇宙速度之比＝＝＝.
答案：C
练2　解析：嫦娥五号绕月球做匀速圆周运动时的线速度大小v＝，选项A错误；根据牛顿第二定律知＝m(R＋h)，而＝mg月，可得月球表面重力加速度大小g月＝，选项B错误；根据mg月＝可得月球的第一宇宙速度v1＝，选项C正确；由于M＝＝πR3·ρ，可得月球的平均密度为ρ＝，选项D正确．
答案：CD
探究点二
　提示：(1)卫星的向心力是由地球与卫星的万有引力提供，故所有卫星的轨道平面都经过地心．
(2)由G＝m＝mω2r＝mr可知，卫星的线速度、角速度、周期等与其轨道半径有关．
【例3】　【解析】　A对：因卫星运动的向心力是由它们所受的万有引力提供，由 F向＝知，b所受的引力最小．B对：由＝mrω2＝mr得T＝2π，即r越大，T越大，所以b、c的周期相等且大于a的周期．C错：由＝ma得a＝，即a∝，所以b、c的向心加速度大小相等且小于a的向心加速度．D对：由＝得v＝，即v∝，所以b、c的线速度大小相等且小于a的线速度．
【答案】　ABD
【例4】　【解析】　由万有引力提供向心力，可得G＝m，解得线速度v＝，由于地球静止轨道卫星的轨道半径大于近地轨道卫星的轨道半径，所以地球静止轨道卫星的线速度较小，选项B错误；由万有引力提供向心力，可得G＝mr，解得周期T＝2π，所以地球静止轨道卫星的周期较大，选项A正确；由ω＝，可知地球静止轨道卫星的角速度较小，选项C错误；由万有引力提供向心力，可得G＝ma，解得加速度a＝G，所以地球静止轨道卫星的加速度较小，选项D错误．
【答案】　A
练3　解析：由于万有引力充当向心力，所以四颗卫星的轨道平面必过地心，故A正确；同步卫星的周期是24小时，近地卫星的周期小于24小时，故B错误；月亮的周期是27天，同步卫星周期是24小时，轨道高度不同，故C错误；理论上极地卫星可以和同步卫星一样高，故D正确．
答案：AD
练4　解析：卫星环绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供其做圆周运动的向心力，由公式G＝mr得T＝2π，则a、b的周期比c的小，A错误；由于a、b的质量关系未知，则a、b的向心力大小无法确定，B错误；由公式G＝m得v＝，a、b的速度大小相等，C正确；由公式G＝ma得a＝G，a、b的向心加速度比c的向心加速度大，D错误．
答案：C
随堂演练·达标自测
1．解析：人造地球卫星环绕地球的运行速度随环绕半径的增大而减小，最大是7.9 km/s，故A、B正确；人造卫星环绕地球运行的周期随半径的减小而减小，由T＝可知近地卫星的轨道半径最小(近似等于地球半径)，所以近地卫星的周期最小，近地卫星的最小周期约为85 min，故C错误、D正确．
答案：ABD
2．解析：地球同步卫星即地球同步轨道卫星，又称地球静止轨道卫星，是运行在地球同步轨道上的人造卫星，同步卫星的周期必须与地球自转周期相同，所以同步卫星是相对地球静止的卫星，因做圆周运动，所以不可能处于平衡状态，故A错误；地球表面向心加速度a＝＝9.8 m/s2，设同步卫星离地面的高度为h，则a′＝<9.8 m/s2，故B错误；它的周期是24 h，且轨道平面与赤道平面重合，故C正确；地球同步卫星在轨道上的绕行速度小于7.9 km/s，故D错误．
答案：C
3．解析：“嫦娥五号”探测器在距月球表面为R的轨道上运行，万有引力提供向心力，有G＝m2R，得月球质量为M＝，A错误；月球密度ρ＝＝＝，C错误；对月球表面的物体m′，有G＝m′g，得月球表面的重力加速度g＝＝，B正确；设月球第一宇宙速度为v，则G＝m，得v＝＝，D错误．
答案：B
4．解析：根据万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，有G＝mω2r＝mr，可得T＝2π ，则轨道半径越大，周期越长，角速度越小，相同的时间内转过的角度越小．因为RAωB>ωC，在卫星A转过的T时间内，三颗卫星转过的角度关系为θA>θB>θC，B正确，A、C、D错误．
答案：B
5．解析：根据F＝mg火，可得火星赤道表面处的重力加速度为g火＝，故A正确；在火星表面赤道处有G－F＝mω2R，又ω＝，解得M＝，故B错误；由于是火星的自转角速度，所以表示火星表面赤道上随火星自转的物块的线速度，不是火星的第一宇宙速度，故C错误；M＝＝πR3ρ，解得火星的密度为ρ＝，故D错误．
答案：A