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高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行4 宇宙航行备课课件ppt
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这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行4 宇宙航行备课课件ppt，共30页。PPT课件主要包含了第二宇宙速度，第三宇宙速度，梦想成真等内容，欢迎下载使用。
1. 了解人造卫星的有关知识；2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。
思考：地球上的物体，怎样才能离开地球进行宇宙航行呢？
思考：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2 , 地球质量M=5.89×1024kg, 地球半径R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2 )
法一：万有引力提供物体做圆周运动的向心力
法二：在地面附近，重力提供物体做圆周运动的向心力
宇宙速度1、第一宇宙速度物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。
思考：1.向高轨道发射卫星与发射近地卫星相比,哪个需要的发射速度大？为什么？2.高轨道卫星与近地卫星相比哪个运行速度大？为什么？
注意：人造卫星的发射速度与运行速度是两个不同的概念
发射速度 指被发射物体离开地面时的速度
运行速度 指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度
第一宇宙速度（ V1=7.9km/s ）
思考：卫星的 的关系
近地卫星的周期是多大？
当物体的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2km/s叫做第二宇宙速度。
当物体的速度等于或大于16.7km/s时，物体可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间。我们把16.7km/s叫做第三宇宙速度。
1957年10月4日，苏联发射第一颗人造地球卫星
1961年4月12日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，实现了人进入太空的梦想
1969年7月20日，阿波罗11号将人类送上了月球
1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空
2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功
2010年10月1日嫦娥二号顺利发射
2013年12月2日嫦娥三号探测器进入太空，当月14日成功软着陆于月球
2003年10月15日，神舟五号，杨利伟
2005年10月12日，神舟六号，费俊龙 聂海胜
2008年9月25日，神舟七号，翟志刚、刘伯明、景海鹏
2011年11月1日，神舟八号顺利升空
2012年6月16日，神州九号
2013年6月11日，神舟十号，聂海胜、张晓光、王亚平
2011年9月29日 天宫一号发射升空2011年11月，天宫一号与神舟八号飞船成功对接2012年6月18日神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器自动交会对接2013年6月13日，神舟十号飞船与天宫一号顺利自动交会对接
2016年9月15日22时04分12秒，天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心发射。2016年10月19日凌晨，神州十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。航天员景海鹏、陈东进入天宫二号。2017年9月17日15时29分，地面发送指令，天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室实施分离。2018年9月15日，天宫二号空间实验室已圆满完成2年在轨飞行和各项试验任务，天宫二号平台及装载的应用载荷功能正常、状态良好。为进一步发挥空间应用效益。2019年7月19日21时06分，天宫二号空间实验室受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层，标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。
题组一 卫星运行参量的分析与比较
题1 [多选］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∶8 B. 它们的运行线速度之比vA∶vB=4∶1C. 它们所受的向心力之比FA∶FB =4∶1 D. 它们的运行角速度之ωA∶ωB=8∶1【答案】 AD
题2［多选］“土卫5”在距离土星表面高度为h的轨道上做匀速圆周运动。已知土星半径为R，土星表面的重力加速度为g，引力常量为G，则（ ）A. “土卫5”绕土星运行的周期为 B. “土卫5”绕行的速度为 C. “土卫5”绕土星运行的角速度为 D. “土卫5”轨道处的重力加速度
题3 两颗人造卫星A、B绕地球做圆周运动的周期之比TA∶TB=1∶8，则轨道半径之比和运行速率之比分别为（ ）rA∶rB=4∶1 vA∶vB=1∶2B. rA∶rB=4∶1 vA∶vB=2∶1C. rA∶rB=1∶4 vA∶vB=2∶1D. rA∶rB=1∶4 vA∶vB=1∶2
题4［2019•天津卷第1题改编］2018年12月8日，肩负着亿万中华儿女探月飞天梦想的“嫦娥四号”探测器成功发射，“实现人类航天器首次在月球背面巡视探测，率先在月背刻上了中国足迹”。已知月球的质量为M、半径为R，探测器的质量为m，引力常量为G，“嫦娥四号”探测器围绕月球做半径为r的匀速圆周运动时，探测器的（ ） A.周期为 B.速度为 C.角速度为 D.向心加速度为
题5 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 【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 = 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
题7 已知地球两极处的重力加速度为g，赤道上的物体随地球做匀速圆周运动的向心加速度为a、周期为T，由此可知地球的第一宇宙速度为（ ）A. B. C. D.
题8 2015年12月29日，“高分四号”卫星升空。这是我国“高分”专项首颗高轨道、高分辨率的光学遥感卫星，也是世界上空间分辨率很高、幅宽很大的地球同步轨道遥感卫星。下列关于“高分四号”地球同步卫星的说法中正确的是（ ）A.该卫星定点在北京上空B.该卫星定点在赤道上空C.它的高度和速度是一定的，但周期可以是地球自转周期的整数倍D.它的周期和地球自转周期相同，但高度和速度可以选择，高度增大，速度减小【解析】A错，B对：“高分四号”地球同步卫星相对地面静止不动，所以必须定点在赤道上空。C、D错：因为地球同步卫星要和地球自转同步，即它们的周期T与角速度相同，根据 =mω2r= ，可知ω一定，则r一定，且v也是确定的。【答案】 B
题9 如图所示，我国自主研发的北斗卫星导航系统由多颗卫星组成，包括分布于a类型轨道的同步轨道卫星、分布于b类型轨道的倾斜轨道卫星（与同步卫星轨道半径相同，轨道倾角55°）和分布于c类型轨道的中轨道卫星，中轨道卫星在3个互成120°的轨道面上做圆周运动。下列说法正确的是（ ） A.a类型轨道上的卫星相对于地面静止且处于平衡状态B.a类型轨道上的卫星运行速率等于b类型轨道上卫星的运行速率C.b类型轨道上的卫星也与地球保持相对静止D.三类卫星相比，c类型轨道上的卫星的向心加速度最小
题10［多选］已知地球赤道上的物体随地球自转的线速度大小为v1、向心加速度大小为a1，近地卫星的线速度大小为v2、向心加速度大小为a2，地球同步卫星的线速度大小为v3、向心加速度大小为a3。设近地卫星距地面的高度不计，同步卫星距地面的高度约为地球半径的6倍，则以下结论正确的是（ ）A. = B. = C. D.
题11 ［多选］如图所示，若关闭动力的航天飞机在月球引力作用下向月球靠近，并将与空间站在B处对接，已知空间站绕月球做匀速圆周运动的轨道半径为r，周期为T，万有引力常量为G，下列说法中正确的是（ ）A. 图中航天飞机正加速飞向B处B. 航天飞机在B处由椭圆轨道进入空间站轨道时必须点火减速C. 根据题中条件可以算出月球质量D. 根据题中条件可以算出空间站受到月球引力的大小【解析】A对：航天飞机在飞向B处的过程中，受到的引力方向和飞行方向之间的夹角是锐角，使航天飞机加速。B对：由运动的可逆性知，航天飞机在B处要先减速才能由椭圆轨道进入空间站轨道。C对：设绕月球飞行的空间站质量为m，据 = 可以算出月球质量M。D错：空间站的质量未知，不能计算出空间站受到的月球引力大小。【答案】 ABC
题12［多选］如图所示，某次发射同步卫星时，先进入一个近地的圆轨道，然后在P点经极短时间点火变速后进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P点，远地点为同步轨道上的Q点），到达远地点时再次经极短时间点火变速后，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在P点经极短时间变速后的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在Q点经极短时间变速后进入同步轨道后的速率为v4。下列关系正确的是（ ） A. v1
题组五 双星及多星问题
题14 经长期观测，人们在宇宙中已经发现了“双星系统”，“双星系统”由两颗相距较近的恒星组成，每颗恒星的直径远小于两个星体之间的距离，而且双星系统一般远离其他天体。如图所示，两颗星球组成的双星，在相互之间的万有引力作用下，绕连线上的O点做周期相同的匀速圆周运动。观测得两颗星之间的距离为L，质量之比为m1∶m2=3∶2。则可知（ ） A.m1、m2做圆周运动的角速度之比为2∶3B.m1、m2做圆周运动的线速度之比为3∶2C.m1做圆周运动的半径为 D.m2做圆周运动的半径为。 【答案】 C
题15 ［多选］天文观测中观测到有三颗星球位于边长为l的等边三角形三个顶点上（如图6-5-7所示），并沿等边三角形的外接圆做周期为T的匀速圆周运动。已知引力常量为G，不计其他星球对它们的影响，关于这个三星系统，下列说法正确的是（ ） A.三颗星的质量可能不相等B.某颗星的质量为 C.它们的线速度大小均为 D.它们两两之间的万有引力大小为
题16 现代观测表明，由于引力的作用，恒星有“聚焦”的特点，众多的恒星组成不同层次的恒星系统，最简单的恒星系统是两颗互相绕转的双星。它们以两者连线上的某点为圆心做匀速圆周运动，这样就不至于由于万有引力的作用而吸引在一起。如图所示，设某双星系统中的两星S1、S2的质量分别为m和2m，两星间距为L，在相互间万有引力的作用下，绕它们连线上的某点O转动。已知引力常量为G。求：（1）S1、S2两星之间的万有引力大小；（2）S2星到O点的距离；（3）它们运动的周期。
1. 了解人造卫星的有关知识；2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。
思考：地球上的物体，怎样才能离开地球进行宇宙航行呢？
思考：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2 , 地球质量M=5.89×1024kg, 地球半径R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2 )
法一：万有引力提供物体做圆周运动的向心力
法二：在地面附近，重力提供物体做圆周运动的向心力
宇宙速度1、第一宇宙速度物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。
思考：1.向高轨道发射卫星与发射近地卫星相比,哪个需要的发射速度大？为什么？2.高轨道卫星与近地卫星相比哪个运行速度大？为什么？
注意：人造卫星的发射速度与运行速度是两个不同的概念
发射速度 指被发射物体离开地面时的速度
运行速度 指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度
第一宇宙速度（ V1=7.9km/s ）
思考：卫星的 的关系
近地卫星的周期是多大？
当物体的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2km/s叫做第二宇宙速度。
当物体的速度等于或大于16.7km/s时，物体可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间。我们把16.7km/s叫做第三宇宙速度。
1957年10月4日，苏联发射第一颗人造地球卫星
1961年4月12日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，实现了人进入太空的梦想
1969年7月20日，阿波罗11号将人类送上了月球
1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空
2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功
2010年10月1日嫦娥二号顺利发射
2013年12月2日嫦娥三号探测器进入太空，当月14日成功软着陆于月球
2003年10月15日，神舟五号，杨利伟
2005年10月12日，神舟六号，费俊龙 聂海胜
2008年9月25日，神舟七号，翟志刚、刘伯明、景海鹏
2011年11月1日，神舟八号顺利升空
2012年6月16日，神州九号
2013年6月11日，神舟十号，聂海胜、张晓光、王亚平
2011年9月29日 天宫一号发射升空2011年11月，天宫一号与神舟八号飞船成功对接2012年6月18日神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器自动交会对接2013年6月13日，神舟十号飞船与天宫一号顺利自动交会对接
2016年9月15日22时04分12秒，天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心发射。2016年10月19日凌晨，神州十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。航天员景海鹏、陈东进入天宫二号。2017年9月17日15时29分，地面发送指令，天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室实施分离。2018年9月15日，天宫二号空间实验室已圆满完成2年在轨飞行和各项试验任务，天宫二号平台及装载的应用载荷功能正常、状态良好。为进一步发挥空间应用效益。2019年7月19日21时06分，天宫二号空间实验室受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层，标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。
题组一 卫星运行参量的分析与比较
题1 [多选］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∶8 B. 它们的运行线速度之比vA∶vB=4∶1C. 它们所受的向心力之比FA∶FB =4∶1 D. 它们的运行角速度之ωA∶ωB=8∶1【答案】 AD
题2［多选］“土卫5”在距离土星表面高度为h的轨道上做匀速圆周运动。已知土星半径为R，土星表面的重力加速度为g，引力常量为G，则（ ）A. “土卫5”绕土星运行的周期为 B. “土卫5”绕行的速度为 C. “土卫5”绕土星运行的角速度为 D. “土卫5”轨道处的重力加速度
题3 两颗人造卫星A、B绕地球做圆周运动的周期之比TA∶TB=1∶8，则轨道半径之比和运行速率之比分别为（ ）rA∶rB=4∶1 vA∶vB=1∶2B. rA∶rB=4∶1 vA∶vB=2∶1C. rA∶rB=1∶4 vA∶vB=2∶1D. rA∶rB=1∶4 vA∶vB=1∶2
题4［2019•天津卷第1题改编］2018年12月8日，肩负着亿万中华儿女探月飞天梦想的“嫦娥四号”探测器成功发射，“实现人类航天器首次在月球背面巡视探测，率先在月背刻上了中国足迹”。已知月球的质量为M、半径为R，探测器的质量为m，引力常量为G，“嫦娥四号”探测器围绕月球做半径为r的匀速圆周运动时，探测器的（ ） A.周期为 B.速度为 C.角速度为 D.向心加速度为
题5 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 【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 = 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
题7 已知地球两极处的重力加速度为g，赤道上的物体随地球做匀速圆周运动的向心加速度为a、周期为T，由此可知地球的第一宇宙速度为（ ）A. B. C. D.
题8 2015年12月29日，“高分四号”卫星升空。这是我国“高分”专项首颗高轨道、高分辨率的光学遥感卫星，也是世界上空间分辨率很高、幅宽很大的地球同步轨道遥感卫星。下列关于“高分四号”地球同步卫星的说法中正确的是（ ）A.该卫星定点在北京上空B.该卫星定点在赤道上空C.它的高度和速度是一定的，但周期可以是地球自转周期的整数倍D.它的周期和地球自转周期相同，但高度和速度可以选择，高度增大，速度减小【解析】A错，B对：“高分四号”地球同步卫星相对地面静止不动，所以必须定点在赤道上空。C、D错：因为地球同步卫星要和地球自转同步，即它们的周期T与角速度相同，根据 =mω2r= ，可知ω一定，则r一定，且v也是确定的。【答案】 B
题9 如图所示，我国自主研发的北斗卫星导航系统由多颗卫星组成，包括分布于a类型轨道的同步轨道卫星、分布于b类型轨道的倾斜轨道卫星（与同步卫星轨道半径相同，轨道倾角55°）和分布于c类型轨道的中轨道卫星，中轨道卫星在3个互成120°的轨道面上做圆周运动。下列说法正确的是（ ） A.a类型轨道上的卫星相对于地面静止且处于平衡状态B.a类型轨道上的卫星运行速率等于b类型轨道上卫星的运行速率C.b类型轨道上的卫星也与地球保持相对静止D.三类卫星相比，c类型轨道上的卫星的向心加速度最小
题10［多选］已知地球赤道上的物体随地球自转的线速度大小为v1、向心加速度大小为a1，近地卫星的线速度大小为v2、向心加速度大小为a2，地球同步卫星的线速度大小为v3、向心加速度大小为a3。设近地卫星距地面的高度不计，同步卫星距地面的高度约为地球半径的6倍，则以下结论正确的是（ ）A. = B. = C. D.
题11 ［多选］如图所示，若关闭动力的航天飞机在月球引力作用下向月球靠近，并将与空间站在B处对接，已知空间站绕月球做匀速圆周运动的轨道半径为r，周期为T，万有引力常量为G，下列说法中正确的是（ ）A. 图中航天飞机正加速飞向B处B. 航天飞机在B处由椭圆轨道进入空间站轨道时必须点火减速C. 根据题中条件可以算出月球质量D. 根据题中条件可以算出空间站受到月球引力的大小【解析】A对：航天飞机在飞向B处的过程中，受到的引力方向和飞行方向之间的夹角是锐角，使航天飞机加速。B对：由运动的可逆性知，航天飞机在B处要先减速才能由椭圆轨道进入空间站轨道。C对：设绕月球飞行的空间站质量为m，据 = 可以算出月球质量M。D错：空间站的质量未知，不能计算出空间站受到的月球引力大小。【答案】 ABC
题12［多选］如图所示，某次发射同步卫星时，先进入一个近地的圆轨道，然后在P点经极短时间点火变速后进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P点，远地点为同步轨道上的Q点），到达远地点时再次经极短时间点火变速后，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在P点经极短时间变速后的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在Q点经极短时间变速后进入同步轨道后的速率为v4。下列关系正确的是（ ） A. v1
题组五 双星及多星问题
题14 经长期观测，人们在宇宙中已经发现了“双星系统”，“双星系统”由两颗相距较近的恒星组成，每颗恒星的直径远小于两个星体之间的距离，而且双星系统一般远离其他天体。如图所示，两颗星球组成的双星，在相互之间的万有引力作用下，绕连线上的O点做周期相同的匀速圆周运动。观测得两颗星之间的距离为L，质量之比为m1∶m2=3∶2。则可知（ ） A.m1、m2做圆周运动的角速度之比为2∶3B.m1、m2做圆周运动的线速度之比为3∶2C.m1做圆周运动的半径为 D.m2做圆周运动的半径为。 【答案】 C
题15 ［多选］天文观测中观测到有三颗星球位于边长为l的等边三角形三个顶点上（如图6-5-7所示），并沿等边三角形的外接圆做周期为T的匀速圆周运动。已知引力常量为G，不计其他星球对它们的影响，关于这个三星系统，下列说法正确的是（ ） A.三颗星的质量可能不相等B.某颗星的质量为 C.它们的线速度大小均为 D.它们两两之间的万有引力大小为
题16 现代观测表明，由于引力的作用，恒星有“聚焦”的特点，众多的恒星组成不同层次的恒星系统，最简单的恒星系统是两颗互相绕转的双星。它们以两者连线上的某点为圆心做匀速圆周运动，这样就不至于由于万有引力的作用而吸引在一起。如图所示，设某双星系统中的两星S1、S2的质量分别为m和2m，两星间距为L，在相互间万有引力的作用下，绕它们连线上的某点O转动。已知引力常量为G。求：（1）S1、S2两星之间的万有引力大小；（2）S2星到O点的距离；（3）它们运动的周期。
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