高中物理人教版 (2019)必修 第二册宇宙航行学案

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册宇宙航行学案，共6页。学案主要包含了活动方案，检测反馈等内容，欢迎下载使用。

1. 了解三个宇宙速度．
2. 理解卫星的轨道平面有何特点．
3. 知道卫星发射、运行、回收时所处的状态．
4. 会分析卫星的最近和最远问题．
eq \a\vs4\al(活动一：比较三个宇宙速度)
1. 牛顿的设想：如图所示，把物体水平抛出，如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星．
探究：已知G＝6.67×10-11 N·m2/kg2，地球质量M＝5.98×1024 kg，地球半径 R＝6 400 km.以多大的速度抛出物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？此时该物体即成为一颗地球人造卫星，绕地球运动的周期为多少？
2. 比较三个宇宙速度．
(1)填表．
(2)第一宇宙速度是 （选填“最小”或“最大”）发射速度，也是所有绕地球做匀速圆周运动卫星的 （选填“最小”或“最大”）速度．不同中心天体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？
(3)把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度更大还是更小？
(4)在图中的每个运动轨迹旁标出对应的速度．
3. 某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t后，物体以速率v落回手中．已知该星球的半径为R，求该星球的第一宇宙速度．
eq \a\vs4\al(活动二：研究人造地球卫星的发射、运行和回收)
1. 卫星发射和回收阶段
(1)发射→加速上升→卫星处于 （选填“超重”或“失重”）状态．
(2)回收→减速下降→卫星处于 （选填“超重”或“失重”）状态．
2. 卫星绕地球运行
(1)如图所示，圆a、b、c的圆心均在地球的自转轴线上．b、c的圆心与地心重合，d为椭圆轨道，且地心为椭圆的一个焦点．四条轨道中哪些可以作为卫星轨道？为什么？
(2)地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度，当轨道平面与赤道平面重合时，称为赤道轨道；当轨道平面与赤道平面垂直时，即通过极点，称为极地轨道．请将“赤道轨道”和“极地轨道”标到图中．
(3)当卫星沿圆轨道正常运行时：卫星只受万有引力（重力）→a＝g′→卫星处于 状态，与重力有关的现象全部消失．
(4)2013年，我国航天员王亚平在“天宫一号”上进行了首次太空授课，并开展了基础物理实验．如图所示为她在飞船内所做的单摆实验，摆球的质量为m，让其在某一位置由静止释放．设“天宫一号”绕地球做半径为r的匀速圆周运动，用R表示地球的半径，g表示地球表面的重力加速度，g′表示“天宫一号”所在处的地球引力加速度，F表示小球静止时绳对小球的拉力，下列说法正确的是( )
A. g′＝0 B. g′＝ eq \f(R2,r2)g
C. F＝mg′ D. F＝mg
3. 拉格朗日点问题
2015年，中国作家刘慈欣的小说《三体》斩获科幻文学界著名的“雨果奖”．“三体”一词是指天体力学中的一个基本模型，比如太阳、地球和月球就是一个三体系统．早在1772年，意大利数学家拉格朗日在论文《三体问题》中指出：两个质量相差悬殊的天体（如太阳和地球）所在同一平面上有5个特殊点，如图中的L1、L2、L3、L4、L5所示，人们称为拉格朗日点．若飞行器位于这些点上，会在太阳与地球共同引力作用下，可以几乎不消耗燃料而保持与地球同步绕太阳做圆周运动．若发射一颗卫星定位于拉格朗日L2点，下列说法正确的是( )
A. 该卫星绕太阳运动的向心加速度等于地球绕太阳运动的向心加速度
B. 在L1点与地球之间的连线上有一个点，飞行器经过该点时，太阳和地球对其引力的合力为零
C. 该卫星在L2点绕太阳的运行速度比地球小
D. 该卫星在L2点绕太阳运动周期和地球自转周期相等
eq \a\vs4\al(活动三：分析卫星的最近和最远问题)
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．
(1)求卫星B的运行周期；
(2)如卫星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），则至少经过多长时间，它们还能相距最近？
总结：因“低轨高速短周期”，相同时间内低轨道上的卫星比高轨道上的卫星转过的角度大．若某时刻两卫星正好同时通过地面同一点正上方，相距最近，当它们转过的角度之差满足 ω低Δt－ω高Δt＝π时，两卫星第一次相距最远；当它们转过的角度之差满足ω低Δt－ω高Δt＝2π时，两卫星再次相距最近．
1. 下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是( )
A. 第一宇宙速度v1＝7.9 km/s，第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1，小于v2
B. 中国发射的“天问一号”火星探测器，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小运行速度
2. 某星球的半径为R，在其表面上方高度为aR的位置，以初速度v0水平抛出一个金属小球，水平射程为bR，a、b均为数值极小的常数，则这个星球的第一宇宙速度为( )
A. eq \f(\r(2a),b)v0 B. eq \f(\r(b),a)v0
C. eq \f(\r(a),b)v0 D. eq \f(\r(a),2b)v0
3. 星球上的物体脱离星球引力所需的最小速度称为该星球的第二宇宙速度，星球的第二宇宙速度v2与其第一宇宙速度v1的关系是v2＝ eq \r(2)v1.已知某星球的半径为r，表面的重力加速度为地球表面重力加速度g的 eq \f(1,6)，不计其他星球的影响，则该星球的第二宇宙速度为( )
A. eq \r(gr) B. eq \r(\f(1,6)gr)
C. eq \r(\f(1,3)gr) D. eq \f(1,3)gr
4. 当人造地球卫星已进入预定轨道后，下列说法中正确的是( )
A. 卫星及卫星内的任何物体均不受重力作用
B. 卫星及卫星内的任何物体仍受重力作用，并可用弹簧测力计直接称出物体所受重力的大小
C. 如果卫星自然破裂成质量不相等的两块，则这两块仍按原来的轨道和周期运行
D. 如果在卫星内将一个物体自由释放，则卫星内观察者将可以看到物体做自由落体运动
5. 登上火星是人类的梦想．中国已发射了“天问一号”火星探测器．地球和火星公转视为匀速圆周运动，忽略行星自转影响．根据下表，火星和地球相比( )
A. 火星的公转周期较小 B. 火星做圆周运动的加速度较小
C. 火星表面的重力加速度较大 D. 火星的第一宇宙速度较大
6. 如图所示，牛顿在思考万有引力定律时就曾设想，把物体从高山上O点以不同的速度v水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远．如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星，则下列说法错误的是( )
A. 以v