人教版高中物理必修2导学案（预习案 课堂探究案）6．5宇宙航行word版含答案

§6、5宇宙航行
【学习目标】
1、会推导第一宇宙速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度
2、记住三个宇宙速度的含义和数值
3、了解人造卫星的有关知识，知道近地卫星、同步卫星的特点、卫星变轨问题
【重难点】
重点：第一宇宙速度的推导过程和方法
难点：1、人造地球卫星的发射速度与运行速度的区别。
2、掌握有关人造卫星计算及计算过程中的一些代换
预习案
【自主学习】------大胆试
1、 第一宇宙速度的表达式为____________和____________，其大小为____________；第二宇宙速度的大小为____________；第三宇宙速度的大小为____________。
2、人造卫星绕地球做匀速圆周运动，则万有引力提供向心力，即：F引=F向，公式为：___________=ma=_________=_____ __=____ ___
课堂探究案
【合作探究】------我参与
探究点一、宇宙速度
1、16世纪牛顿就曾思考过这样一个问题：从地球的高山上将物体水平抛出，速度越大，落地点就 。如果抛出的速度足够大，物体就不再落回地面，它将 运动，成为一颗 。
【例题】1. 设地球质量为M，半径为R，求以多大的速度发射这个物体，物体就刚好不落回地面，成为一颗绕地球表面做匀速圆周运动的卫星呢？请你用万有引力的有关知识把它算出来，要求写出计算步骤和结果。（M= R=）。



【例题】2.宇宙第一速度的另一种推导方法：在地面附近，万有引力近似等于重力，此力提供卫星做匀速圆周运动的向心力。
【知识扩展】第一宇宙速度也叫环绕速度，是发射人造地球卫星所必须达到的最 发射速度，也是卫星在地球表面附近围绕地球做匀速圆周运动的运行速度，是人造地球卫星的最 运行速度。
2、第二宇宙速度，大小： 。意义：使卫星挣脱 的束缚，成为绕 运行的人造行星的最小发射速度，也称为逃逸速度。第三宇宙速度，大小： 。意义：使卫星挣脱 束缚的最小发射速度。
【注意】发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹不是圆，而是椭圆；发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为人造行星；如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。
针对练习1．关于第一宇宙速度，下面说法中正确的是（ ）
A．它是人造卫星绕地球运行的最小速度 B．它是人造卫星绕地球运行的最大速度
C．它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度
D．它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
探究点二、梦想成真
世界上第一颗人造地球卫星是1957年10月4日在________发射成功的；世界上第一艘载人飞船是1961年4月12日在________发送成功的；中国第一艘载人航天飞船是2003年10月15日在________发送成功的。
探究点三、人造卫星
卫星绕地球做匀速圆周运动时，是地球的引力提供向心力，卫星受到地球的引力方向指向地心，而做圆周运动的向心力方向始终指向圆心，所以卫星做圆周运动的圆心和地球的地心重合（即轨道平面过地心）。这样就存在三类人造地球卫星轨道：
（1）赤道轨道：卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方；
（2）极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空；
（3）一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。
【例题】3. 目前为止，人类发射的人造地球卫星已经有几千颗了，这些卫星运行的快慢不同。试求：
（1）求卫星运行运行的线速度与轨道半径的关系（提示：记得用黄金代换式：GM=gR2）；
（2）卫星运行的角速度与轨道半径的关系；
（3）卫星运行的周期与轨道半径的关系。

【小结】卫星运行的线速度、角速度、周期都与卫星的质量无关，仅由 决定。
【例题】4. 当卫星环绕地球表面运行时，轨道半径最小为地球半径（r=R=6400km），请计算出此时的线速度、角速度、周期分别为多少？能否发射一颗周期为80min的人造地球卫星并说明原因？

【小结】①当卫星环绕地球表面运行时线速度最 ，角速度最 ，周期最 。
②当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度 第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度 第一宇宙速度。因此第一宇宙速度既是 发射速度，也是 运行速度。
③近地卫星是指的是卫星的 等于地球的 ，卫星做匀速圆周运动的向心力是 ，它的速度为 ，它是卫星的最大 。
针对练习2．如图所示，a、b、c是地球大气层外圆轨道上的三颗卫星，a、b的质量相等且小于c的质量，则 （ ）
A．b所需的向心力最小； B．b、c的周期相同且大于a的周期；
C．b、c的向心加速度大小相等，且大于a的加速度；
D．b、c的线速度大小相等，且小于a的线速度；
探究点四、同步卫星
同步卫星，又叫通信卫星。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____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。
【例题】5.已知地球半径为R=6.4×106m，地球自转的周期为24h，地球表面的重力加速度为g=9.8m/s2，求：（1）地球同步卫星的运行速度v （2）地球同步卫星离地面的高度h


针对练习3．用M表示地球通信卫星的质量，H表示它离地面的高度，R表示地球的半径，g表示地球表面处的重力加速度，表示地球自转的角速度，则通信卫星所受到的地球对它的万有引力的大小是（ ）
A. 等于0； B.等于 C.等于 D.以上结果都不对
【小结】①周期 地球自转周期；T=24h；②角速度 地球自转角速度；③轨道平面与赤道平面 ；④所有同步卫星的轨道半径都 ,他们距地面的高度 ，即他们处在 轨道上。
探究点五、卫星变轨
当卫星由于某种原因速度突然改变时（开启或关闭发动机或空气阻力作用），万有引力就不再等于向心力，卫星将做变轨运动。
【例题】6.发射地球同步卫星时，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，最后再次点火，将卫星送入圆轨道3，轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，则卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，说法正确的是（ ）
A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1的速率；
B．卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度；
C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度；
D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度；
【例题】7.如图是“嫦娥一导奔月”示意图，卫星发射后通过自 带的小型火箭多次变轨，进入地月转移轨道，最终被月球引力捕获，成为绕月卫星，并开展对月球的探测，下列说法正确的是( )
A．发射“嫦娥一号”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．在绕月圆轨道上，卫星受地球的引力大于受月球的引力
针对练习4．宇宙飞船和空间站在同一轨道上运行，若飞船与前面的空间站
对接，飞船为了追上空间站，可以采取下列方法是（ ）
A．飞船加速直到追上空间站，完成对接；
B．飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站完成对接；
C．飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接；
D．无论如何都追不上空间站；
针对练习5．我国发射“神舟”号飞船时，先将飞船发送到一个椭圆轨道上，其近地点M距地面200km，远地点N距地面340km，进入该轨道正常运行时，在M、N两点卫星速率分别为v1、v2，运行至N点时地面指挥部发出指令，点燃飞船上的发动机，使飞船在短时间内加速后进人离地面340 km的圆形轨道，开始绕地球做匀速圆周运动．这时飞船的速率为v3，如图所示．比较飞船在M、N、P三点正常运行时(不包括点火加速阶段)的速率大小和加速度大小，下列结论正确的是 ( )
A．v1>v3>v2，a1>a3>a2 B．v1>v2>v3，a1>a2=a3
C．v1>v2=v3，a1>a2>a3 D．v1>v3>v2，a1>a2=a3
【达标检测】------ 一定行（对所学内容进行巩固、深化）
1、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
2、人造地球卫星的轨道半径越大，则（ ）
A.速度越小，周期越小 B.速度越小，周期越大
C.速度越大，周期越小 D.速度越大，周期越大
3、有两颗质量相同的人造卫星A、B，其轨道半径分别为RA、RB，RA∶RB＝1∶4，那么下列判断中正确的有( )
A．它们的运行周期之比TA∶TB＝1∶4 B．它们的运行线速度之比vA∶vB＝4∶1
C．它们所受的向心力之比FA∶FB ＝4∶1 D．它们的运行角速度之比ωA∶ωB＝8∶1
4、“探路者”号宇宙飞船在宇宙深处飞行过程中，发现A、B两颗天体各有一颗靠近表面飞行的卫星，并测得两颗卫星的周期相等，以下判断错误的是（ ）
A．天体A、B表面的重力加速度与它们的半径成正比
B．两颗卫星的线速度一定相等
C．天体A、B的质量可能相等 D．天体A、B的密度一定相等
5、关于人造地球卫星及其中物体的超重、失重问题，下面说法正确的是（ ）
A、在发射过程中向上加速时产生超重现象；
B、在降落时向下减速产生超重现象；
C、进入轨道时做匀速圆周运动，产生失重现象；
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、两个质量相等的人造地球卫星a、b绕地球运行的轨道半径ra=2rb，下列说法中正确的是：( )
A、由公式F=可知，卫星a的向心力是b的1/2，
B、由公式F=G可知，卫星a的向心力是b的1/4，
C、由公式F=m可知，卫星a的向心力是b的2倍，
D、以上说法都不对。
7、据报道，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”绕月飞行器的圆形轨道距月球表面分别约为200Km和100Km，运动速率分别为v1和v2，那么v1和v2的比值为（月球半径取1700Km）（ ）
A． B． C． D．
8、地球半径为R，地面附近的重力加速度为g，人造卫星在离地面高度为h处的重力加速度的表达式是：（ ）
A．????????? B． ????????C．?? D．

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。



10、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？





11、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。



★12、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。




b