(共43张PPT)
4 宇宙航行
物理观念 (1)知道三个宇宙速度的含义。
(2)知道同步卫星和其他卫星的区别。
(3)了解发射速度与环绕速度的区别和联系。
科学思维 (1)会推导第一宇宙速度。
(2)会分析人造地球卫星的受力和运动情况，并能解决涉及人造地球卫星运动的问题。
科学态度与责任 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。
核心素养点击
宇宙速度 数值 意义
第一宇宙速度 ____km/s 物体在地球表面附近绕地球做____________的速度
第二宇宙速度 ____km/s 使飞行器挣脱______引力束缚的最小地面发射速度
第三宇宙速度 ____km/s 使飞行器挣脱______引力束缚的最小地面发射速度
足够大
人造地球卫星
7.9
7.9
11.2
16.7
匀速圆周运动
地球
太阳
√
√
×
解析：当发射的速度大于等于第二宇宙速度时，卫星会挣脱地球的引力，不再绕地球飞行。当发射的速度大于等于第三宇宙速度时，卫星会挣脱太阳的引力，飞出太阳系，故D正确。
答案：D
二、人造地球卫星 载人航天与太空探索
1．填一填
(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
①位置：地面上方高度约________km。
②周期：与地球自转周期______。
(4)静止卫星：地球同步卫星的一种，其轨道平面与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方向相同。因其相对地面静止，也称静止卫星。
世界上
我国
36 000
相同
(5)载人航天与太空探索的主要成果
①1961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。
②1969年7月，美国阿波罗11号登上月球。
③2003年10月，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。
④2011年11月起，神舟飞船先后与天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室成功完成交会对接试验。
⑤2021年4月29日，具备长期自主飞行能力的天和核心舱成功发射。
⑥2022年12月2日，中国航天员乘组完成首次在轨交接，中国空间站正式开启长期有人驻留模式。
2．判断
(1)地球静止卫星一定位于赤道的正上方。 ( )
(2)地球同步卫星与地球自转的周期相同。 ( )
(3)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。 ( )
(4)卫星绕地球运动的轨道半径越大，运行速度越大。 ( )
3．选一选
(多选)下面关于静止卫星的说法中正确的是 ( )
A．所有地球静止卫星都位于地球的赤道平面内
B．所有地球静止卫星的质量都相等
C．静止卫星运行的线速度一定小于第一宇宙速度
D．静止卫星可以定位在北京的正上空
√
√
×
×
答案：AC
(1)第一宇宙速度有什么意义？
(2)第二、第三宇宙速度有什么意义？
提示：(1)第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，是人造卫星绕地球做匀速圆周运动的最大速度。
(2)第二宇宙速度是卫星能够克服地球引力，永远离开地球的最小发射速度；第三宇宙速度是物体能够挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最小发射速度。
[答案] A
答案：A
答案：BD
(1)所有做圆周运动的人造卫星的轨道圆心位置有什么特点？
(2)天宫二号和同步卫星的周期相比较哪个更大？
(3)天宫二号和同步卫星的线速度、角速度、加速度哪个更大？
提示：(1)所有做圆周运动的人造卫星的轨道圆心都位于地心。
(2)同步卫星的周期更大。
(3)“天宫二号”的线速度、角速度、加速度更大。
[答案] AB
答案：见解析
答案：ACD
5．已知“天和”核心舱运行轨道距地面的高度为400 km左右，地球静止卫星距地面的高度接近36 000 km。则该核心舱的 ( )
A．角速度比地球静止卫星的小
B．周期比地球静止卫星的长
C．向心加速度比地球静止卫星的大
D．线速度比地球静止卫星的小
答案：C
A．在甲抬高轨道之前，甲的线速度小于乙
B．甲可以通过增大速度来抬高轨道
C．在甲抬高轨道的过程中，月球对甲的万有引力逐渐增大
D．返回地球后，月壤样品的重量比在月球表面时大
答案：BD
探月卫星嫦娥一号、嫦娥二号均绕月球运行，请上网了解一下，嫦娥一号、嫦娥二号卫星中，哪颗卫星的运行周期更大些？
嫦娥四号探测器能用打开降落伞的方法在月球背面实现软着陆吗？为什么？
提示：因为嫦娥一号离月球表面200 km，嫦娥二号离月球表面100 km，所以 嫦娥一号的运行周期更大些。
嫦娥四号探测器不能应用降落伞实现软着陆，因为月球表面没有空气。
答案：D
答案：C 课时跟踪检测（十三） 宇宙航行
组—重基础·体现综合
1．2023年9月21日下午，“天宫课堂”第四课开讲，向同学们播下梦想和科学的种子。若请你推荐授课实验内容，以下实验可以在空间站完成的是( )
A．用天平称量物体的质量
B．研究自由落体运动实验
C．进行平抛运动的研究实验
D．用橡皮筋和弹簧秤完成力的合成实验
解析：选D 由于在空间站中处于完全失重状态，则与重力有关的实验都不能进行，即不能用天平称量物体的质量，也不能研究自由落体运动实验，不能进行平抛运动的研究实验等；但是可以用橡皮筋和弹簧秤完成力的合成实验，故选D。
2．(2023·江苏高考)设想将来发射一颗人造卫星，能在月球绕地球运动的轨道上稳定运行，该轨道可视为圆轨道。该卫星与月球相比，一定相等的是( )
A．质量
B．向心力大小
C．向心加速度大小
D．受到地球的万有引力大小
解析：选C 根据G＝ma，可得a＝，因该卫星与月球的轨道半径相同，可知向心加速度大小相同；因该卫星的质量与月球质量不一定相等，则向心力大小以及受到地球的万有引力大小均不一定相等。故选C。
3．静止卫星相对地面静止不动，犹如悬在高空中，下列说法正确的是( )
A．静止卫星处于平衡状态
B．静止卫星的速率是唯一的
C．不同静止卫星的轨道半径都相同，且一定在赤道的正上方，它们以第一宇宙速度运行
D．它们可在我国北京上空运行，故用于我国的电视广播
解析：选B 根据静止卫星的特点知B正确，C、D错误。静止卫星在万有引力作用下，绕地心做圆周运动，不是处于平衡状态，故A错误。
4．(2023·广东1月学考)中国空间站运行轨道近似为圆形。为补充物资，货运飞船需定期与空间站交会对接，对接后形成的组合体仍在原轨道运行。与对接前的空间站相比，组合体运行( )
A．周期变大 B．线速度变大
C．向心加速度变大 D．所需的向心力变大
解析：选D 与对接前的空间站相比，组合体运行的轨道半径不变，根据
F向＝G＝m＝mr＝mω2r＝ma，可得
T＝2π ，v＝，a＝，可知组合体运行的周期、线速度和向心加速度都不变，因组合体的质量变大，则所需的向心力变大。故选D。
5．如图所示，设行星绕太阳的运动是匀速圆周运动，金星自身的半径是火星的n倍，质量为火星的k倍，不考虑行星自转的影响，则( )
A．金星表面的重力加速度是火星的倍
B．金星的“第一宇宙速度”是火星的 倍
C．金星绕太阳运动的加速度比火星小
D．金星绕太阳运动的周期比火星大
解析：选B 由“黄金代换”GM＝gR2，可知g＝，所以＝＝，故A错误；由“第一宇宙速度”的定义可知＝，得v＝ ，所以＝＝ ，故B正确；由＝ma＝mr知，轨道半径越大，加速度越小，周期越大，即金星做圆周运动的加速度较大，周期较小，故C、D错误。
6．如图所示，在同一轨道平面上的三颗人造地球卫星A、B、C，在某一时刻恰好在同一直线上，下列说法正确的是( )
A．根据v＝，可知三颗卫星的线速度vA＜vB＜vC
B．根据万有引力定律，可知三颗卫星受到的万有引力FA＞FB＞FC
C．三颗卫星的向心加速度aA＞aB＞aC
D．三颗卫星运行的角速度ωA＜ωB＜ωC
解析：选C 由G＝m得v＝ ，vA＞vB＞vC，故A错误；卫星受的万有引力F＝G，但三颗卫星的质量关系不知道，它们受到的万有引力大小不能比较，故B错误；由G＝ma得a＝，aA＞aB＞aC，故C正确；由G＝mrω2得ω＝，ωA>ωB>ωC，故D错误。
7．我国玉兔号月球车被顺利送到月球表面，并发回大量图片和信息。若该月球车在地球表面的重力为G1，在月球表面的重力为G2。已知地球半径为R1，月球半径为R2，地球表面处的重力加速度为g1，则( )
A．玉兔号月球车在地球表面与月球表面的质量之比为
B．地球的质量与月球的质量之比为
C．地球表面处的重力加速度与月球表面处的重力加速度之比为
D．地球的第一宇宙速度与月球的第一宇宙速度之比为
解析：选D 玉兔号月球车无论在月球表面还是地球表面，其质量都不会变化，所以“玉兔号”月球车在地球表面与月球表面的质量之比为1∶1，故A错；在地球表面月球车受到重力G1＝mg1，在月球表面月球车受到重力G2＝mg2，可得地球表面处的重力加速度与月球表面处的重力加速度之比＝，故C错；物体在星球表面的万有引力近似等于重力，即G1＝，G2＝，可得＝，故B错；星球的第一宇宙速度等于该星球近地卫星的线速度，即v＝，据此可得v1＝、v2＝，可得地球的第一宇宙速度与月球的第一宇宙速度之比＝＝，故D正确。
8．(2023·浙江6月选考)木星的卫星中，木卫一、木卫二、木卫三做圆周运动的周期之比为1∶2∶4。木卫三周期为T，公转轨道半径是月球绕地球轨道半径r的n倍。月球绕地球公转周期为T0，则( )
A．木卫一轨道半径为r
B．木卫二轨道半径为r
C．周期T与T0之比为n
D．木星质量与地球质量之比为n3
解析：选D 根据题意可得，木卫三的轨道半径为r3＝nr，根据万有引力提供向心力得G＝mR，可得R＝，木卫一、木卫二、木卫三做圆周运动的周期之比为1∶2∶4，可得木卫一轨道半径为r1＝，木卫二轨道半径为r2＝，故A、B错误；木卫三围绕的中心天体是木星，月球围绕的中心天体是地球，根据题意无法求出周期T与T0之比，故C错误；根据万有引力提供向心力，分别有G＝mnr，G＝m月r，联立可得＝n3，故D正确。
9．木星的卫星之一叫艾奥，它上面的珞珈火山喷出的岩块初速度为18 m/s时，上升高度可达90 m。已知艾奥的半径为R＝1 800 km，引力常量G＝6.67×10－11 N·m2/kg2，忽略艾奥的自转及岩块运动过程中受到稀薄气体的阻力，求：
(1)艾奥的质量；
(2)艾奥的第一宇宙速度。
解析：(1)岩块做竖直上抛运动有：－v02＝－2gh
代入数据解得：g＝1.8 m/s2
忽略艾奥的自转，则有：G＝mg
代入数据解得：M＝8.7×1022 kg。
(2)某卫星在艾奥表面绕其做圆周运动时G＝m，解得：v＝
代入数据解得：v＝1.8×103 m/s。
答案：：(1)8.7×1022 kg (2)1.8×103 m/s
组—重应用·体现创新
10．(2024·河北高考)(多选)2024年3月20日，鹊桥二号中继星成功发射升空，为嫦娥六号在月球背面的探月任务提供地月间中继通信。鹊桥二号采用周期为24 h的环月椭圆冻结轨道(如图)，近月点A距月心约为2.0×103 km，远月点B距月心约为1.8×104 km，CD为椭圆轨道的短轴，下列说法正确的是( )
A．鹊桥二号从C经B到D的运动时间为12 h
B．鹊桥二号在A、B两点的加速度大小之比约为81∶1
C．鹊桥二号在C、D两点的速度方向垂直于其与月心的连线
D．鹊桥二号在地球表面附近的发射速度大于7.9 km/s 且小于11.2 km/s
解析：选BD 鹊桥二号围绕月球做椭圆运动，根据开普勒第二定律可知，从A→C→B做减速运动，从B→D→A做加速运动，则从C→B→D的运动时间大于半个周期，即大于12 h，故A错误；鹊桥二号在A点根据牛顿第二定律有G＝maA，同理在B点有G＝maB，代入题中数据联立解得aA∶aB＝81∶1，故B正确；由于鹊桥二号做曲线运动，则可知鹊桥二号速度方向应为轨道的切线方向，则可知鹊桥二号在C、D两点的速度方向不可能垂直于其与月心的连线，故C错误；由于鹊桥二号环绕月球运动，而月球为地球的“卫星”，则鹊桥二号未脱离地球的束缚，故鹊桥二号的发射速度应大于地球的第一宇宙速度7.9 km/s，小于地球的第二宇宙速度11.2 km/s，故D正确。
11．(2024·济南高一检测)如图所示是一人造地球卫星轨道示意图，其中圆轨道a、c、d的圆心均与地心重合，a与赤道平面重合，b与某一纬线圈共面，c经过地球两极正上空。下列说法正确的是( )
A．a、b、c、d都有可能是卫星的轨道
B．轨道a上卫星的线速度大于7.9 km/s
C．轨道c上卫星的运行周期可能与地球自转周期相同
D．仅根据轨道d上卫星的轨道半径、角速度和引力常量，不能求出地球质量
解析：选C 卫星绕地球做匀速圆周运动，地球对卫星的引力提供向心力，可知地心为卫星的圆轨道圆心，故b不可能是卫星的轨道，A错误；第一宇宙速度7.9 km/s是卫星绕地球做匀速圆周运动的最大线速度，故轨道a上卫星的线速度小于7.9 km/s，B错误；如果轨道c的半径等于地球同步卫星的轨道半径，则轨道c上的卫星是地球的同步卫星，即轨道c上的卫星运行周期等于地球自转周期，C正确；根据万有引力提供物体运动所需的向心力，有＝mω2r，可得M＝，根据轨道d上卫星的轨道半径、角速度和引力常量，可以求出地球质量，D错误。
12.如图所示，A是地球静止轨道卫星，另一个卫星B的圆轨道位于赤道平面内，距离地面高度为h。已知地球半径为R，地球自转角速度为ω0，地球表面的重力加速度为g，O为地球中心。
(1)卫星B的运行周期是多少？
(2)如果卫星B的绕行方向与地球自转方向相同，某时刻A、B两卫星相距最近(O、B、A在同一直线上)，求至少再经过多长时间，它们再一次相距最近？
解析：(1)由万有引力定律和向心力公式得
G＝m(R＋h)①
G＝mg②
联立①②解得TB＝2π。③
(2)由题意得(ωB－ω0)t＝2π④
由③得ωB＝⑤
代入④得t＝。
答案：(1)2π (2)
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