高中物理4 宇宙航行学案设计

这是一份高中物理4 宇宙航行学案设计，共16页。学案主要包含了学习目标，课堂合作探究，课堂检测，达标训练等内容，欢迎下载使用。
【学习目标】
1 知道三个宇宙速度的含义和数值，会计算第一宇宙速度．(重点)
2 掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系．(重点)
3 理解近地卫星、同步卫星的区别．(难点)
4 掌握卫星的变轨问题．(难点)
【课堂合作探究】
登月过程需要解决的问题？
（1）如何让嫦娥五号飞出地球？
（2）如何让嫦娥五号飞向月球？
（3）如何让航天器飞向宇宙？
2、（1）拿一支粉笔水平抛出，粉笔做什么运动？
（2）在相同高度使抛出时的速度更大一些，与第一次抛出有什么区别？
是否可以一直运动不掉下来？为什么会这样呢？
如图所示，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。你知道这个速度究竟有多大吗？

一、宇宙速度
1.第一宇宙速度的分析与计算
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M=6×1024kg，地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）
(1)环绕法：万有引力提供物体作圆周运动的向心力
(2)拱桥法：当支持力为0时，重力提供物体作圆周运动的向心力。
第一宇宙速度的大小：
是航天器成为卫星的 发射速度。
2.认识第二宇宙速度
理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大于 ，又小于 ，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于 时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把 叫作第二宇宙速度（逃逸速度）。
认识第三宇宙速度
达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。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（脱离速度）。
人造卫星
自首颗人造地球卫星发射后，人类已经发射数千颗人造地球卫星，目前在轨有效运行的卫星有上千颗，其中通信、导航、气象等卫星已极大地改变了人类的生活。
各种人造卫星照片
（一）人造地球卫星的轨道特点
1、卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道．
(1)卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律．
(2)卫星绕地球沿圆轨道运动时，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，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心．
(3)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(极地轨道)，也可以和赤道平面成任一角度，如图所示．

2、卫星圆轨道运动
一般卫星的运动可看作匀速圆周运动，所需要的向心力都由中心天体对它的万有引力提供，所以研究天体运动时可建立牛顿第二定律方程Geq \f(Mm,r2)＝ma，式中a是向心加速度。
（1）常用关系
①Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)＝mrω2＝mreq \f(4π2,T2)，万有引力提供卫星做圆周运动的向心力。
②mg＝Geq \f(Mm,R2)，在天体表面上物体的重力等于它受到的引力，可得gR2＝GM，该公式称为黄金代换。
（2）卫星运动的加速度、线速度、角速度和周期与轨道半径的关系
卫星的线速度v、角速度ω、周期T、向心加速度与轨道半径r的关系与推导如下：
以上结论可总结为“一定四定，越远越慢”．
3.人造地球卫星的分类
（1）近地卫星：
指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。
（2）同步卫星的“六个一定”
（3）同步卫星的用途：主要用于通信，故也称通信卫星。3颗同步卫星可实现全球覆盖,为了使同步卫星之间不相互干扰，大约3°左右才能放置一颗同步卫星，也就是说，地球上空只能放下120颗同步卫星。截止2012年，已发射100多颗。
载人航天与太空探索
1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108 min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类首次进入太空的丰碑。
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。7月20日下午10时56分，指挥长阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。”
2003年10月15日9时，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。飞船绕地球飞行14圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将11名(14人次)航天员送入太空，包括两名女航天员。
【课堂检测】
1.若取地球的第一宇宙速度为8 km/s，某行星质量是地球的6倍，半径是地球的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
2.如图所示，是同一轨道平面内的三颗人造地球卫星，下列说法正确的是( )
A.线速度vA＜vB＜vC
B.根据万有引力定律，可知FA＞FB＞FC
C.角速度ωA＞ωB＞ωC
D.向心加速度aA＜aB＜aC
3.设地球的质量为M，半径为R，自转角速度为ω，万有引力常量为G，同步卫星离地心高度为r，地表重力加速度为g，则关于同步卫星的速度v的表达式正确的是（ ）

4.如图所示，天宫二号在椭圆轨道Ⅰ的远地点开始变轨，变轨后在圆轨道Ⅱ上运行，A点离地面高度约为380km，地球同步卫星离地面高度约为36000km。若天宫二号变轨前后质量不变，则下列说法正确的是（ ）
A．天宫二号在轨道Ⅰ上运行通过近地点B时速度最小
B．天宫二号在轨道Ⅰ上的机械能小于在轨道Ⅱ上的机械能
C．天宫二号在轨道Ⅱ上运行的周期一定大于24h
D．天宫二号在轨道Ⅰ上运行通过点A时的加速度一定小于在轨道ⅡA上运行通过点时的加速度
【达标训练】
如图所示，A是地球的同步卫星．另一卫星B的圆形轨道位于赤道平面内，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．则( )
A. 由于B卫星的线速度大于A卫星的线速度，故A卫星加速有可能到达B卫星所在轨道
B. 由于B卫星的线速度大于A卫星的线速度，故B卫星减速有可能到达A卫星所在轨道
C. 若不考虑地球自转，卫星B的运行周期为2π(R+ℎ)3gR2
D. 若卫星B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)，则至少经过时间2πgR2R+ℎ3−ω0，它们第一次相距最远．
2020年6月23日，我国北斗三号最后一颗全球组网卫星发射成功，这颗卫星是地球静止轨道卫星。如图所示，在发射的过程中，卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ，然后在Q点通过改变卫星速度，让卫星进入地球同步轨道Ⅱ，则：
A. 该卫星的发射速度必定大于11. 2 km/s
B. 卫星在同步轨道Ⅱ上的运行速度小于7. 9 km/s，可以位于北京上空
C. 在轨道Ⅰ上，卫星的动能是不改变的
D. 由于稀薄大气的影响，如不加干预，在运行一段时间后，半径变小，速度变大，该卫星的动能可能会增加
我国计划2020年左右建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。如图所示，北斗卫星导航系统由5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星(离地面高度约21000 km)及其他轨道卫星共35颗组成。则( )
A. 静止轨道卫星指相对地表静止，其可定位在北京正上空
B. 中地球轨道卫星的线速度比静止轨道卫星大
C. 中地球轨道卫星周期大于24小时
D. 静止轨道卫星的发射速度小于第一宇宙速度
如图所示，A是静止在赤道上的物体，随地球自转而做匀速圆周运动；B、C是同一平面内两颗人造卫星，B位于离地高度等于地球半径的圆形轨道上，C是地球同步卫星。已知第一宇宙速度为v，物体A和卫星B、C的线速度大小分别为υA,υB,υc，周期大小分别为TA，TB ，TC，则下列关系正确的是( )
A. vA=vC=vB. vA