高中物理【宇宙航行】学案及练习题学习目标要求核心素养和关键能力L知道三个宇宙速度及含义，了解卫星的分类2.会推导第一宇宙速度，掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系3.了解人类在宇宙探索方面的重要成就，培养应用物理规律造福人类的意识1.物理观念：具有与万有引力定律相关的运动与相互作用的观念2.科学态度与责任：培养探索太空、了解太空的兴趣，为我国的航天事业的成就而自豪3.关键能力：分析推理、质疑论证能力必备知识自主学 习 院-宇宙速度I.环绕速度一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,设地球的质量为，堆，卫星的质量为相，向心力由地球对它的万皿力提供，即 G?詈=/9,则卫星在轨道上运行的线速度还2.第一宇宙速度(1)定义：物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫作第一宇宙速度2)大小：v1.9 km/So3.第二宇宙速度在地面附近发射飞行器，如果速度大于Z 2 k m s,又小于U 2 k m s,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11.2 km/s时，它就会克服地球的引力,永远离开地球我们把112 km/s叫作第二宇宙速度4.第三宇宙速度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 k m/s,这个速度叫作第三宇宙速度。
二 人造地球卫星I.人造地球卫星发射1957年 10月 4 日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功1970年 4 月 2 4 日，我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功2.地球同步卫星(1)概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同固弱的卫星，叫作地球同步卫星2)地球同步卫星位于赤道上方高度约3 6 O O O k m处，周期与地球自转周期相同其中一种的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回因其相对地面静止，也称静止卫星合作探究要 点1对宇宙速度的理解探 究 导 入(1)如图所示，当物体被抛出的速度足够大时，它将围绕地球旋转而不再落回地面，成为一颗人造地球卫星使物体变为卫星的最小发射速度是多少？不同星球的最小发射速度是否相同？进入轨道(2)把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度是越大还是越小？提示：(1)使物体变为卫星的最小发射速度是7.9 k m/s；根据G攀=后 得可见第一宇宙速度由天体质量和半径决定，不同星球的最小发射速度不同2)轨道越高，需要的发射速度越大探究归纳1.第一宇宙速度的推导设地球的质量为M,卫星的质量为如卫星到地心的距离为 卫星做匀速圆周运动的线速度为方 法 一：万有引力提供向心力 G =7-f/=R=6.4 10b ml-V=-v=7.9 km sV r IM r 5.98X 1()24 kg方 法 二：重:力提供向心力A mg=-v=Ir=R=6.4 IO6 n,g=9.8 m s2v=7.9 kms2.第一宇宙速度的推广由第一宇宙速度的两种表达式可以看出，第一宇宙速度由中心星体决定，可以说任何一颗行星都有自己的第一宇宙速度，都应以。
噜 或V=疯 蓑 示,式中G 为引力常量,M 为中心星球的质量，g 为中心星球表面的重力加速度，R 为中心星球的半径3.对发射速度和环绕速度的理解（1）“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度2）“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由咨=，今 可得号，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度角 度 1对三种宇宙速度的理解典例（多选）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5=7.9 k m s,第二宇宙速度吸=11.2 k m s,则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于小于历B.我国发射的“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小行星的最小发射速度D.第一宇宙速度7.9 k i/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度 解析 根据O=怦可知，卫星的轨道半径r 越大，即距离地面越远，卫星的环绕速度越小，o=7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度，选项D 正确；实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，故卫星绕地球在圆就道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项A 错误；我国发射的“天问一号”火星探测器，仍在太阳系内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选 项 B 错误；第二宇宙速度是使物体挣脱地球束缚而成为太阳的一颗人造小行星的最小发射速度，选项C 正确。
答案 CD角度2第一宇宙速度的推导计算典例我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面已知月球的质量约为地球质量的小，月球的半径约为地球半径的o 1 4地球上的第一宇宙速度约为7.9 k m s,则该探月卫星绕月运行的最大速率约为（）A.0.4 km/s B.1.8 km/sC.11 km/s D.36 km/s 解析 星球的第一宇宙速度即为围绕星球做圆周运动的轨道半径为该星球半径时的环绕速度，由万有引力提供向心力即可得出这一最大环绕速度卫星所需的向心力由万有引力提供，则 G华=*r,得V=又 由 塞=K,故月球和地球上第一宇宙速度之比曳=京 故V月=7.9X 看km/s 1.8 k m/s,故 B 正确V疤 y V 答案 B 名师点评地球三种宇宙速度的理解(1)三种宇宙速度均指在地球上的发射速度2)第一宇宙速度是卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度，也是卫星的最小发射速度3)轨道半径越大的卫星，其最大运行速度越小，但其地面最小发射速度越大针对1.第一宇宙速度又叫作环绕速度，第二宇宙速度又叫作逃逸速度理论分析表明，逃逸速度是环绕速度的也倍，这个关系对其他天体也是成立的。
有些恒星，在核聚变反应的燃料耗尽而“死亡”后，强大的引力把其中的物质紧紧地压在一起，它的质量非常大，半径又非常小，以至于任何物质和辐射进入其中都不能逃逸，甚至光也不能逃逸，这种天体被称为黑洞已知光在真空中传播的速度为c,太阳的半径为R,太阳的逃逸速度为cR某 心 假定太阳能够收缩成半径为r的黑洞，且认为质量不变，则/应大于()A.250C.2.5 IO5B.500D.5.0 IO5解析：第一宇宙速度S=由题目所提供的信息可知，任何天体均存在其对应的逃逸速度V2=笔，太阳的半径为R,太阳的逃逸速度为患=A JUU2GM 一，假定太阳能够收缩成半径为r的黑洞，且认为质量不变，S=乃 W c,解得，2.5 X 105,故 C 正确，A、B、D 错误答 案:C要 点2 人造地球卫星探 究 导 入 在 地 球 的 周 围，有许多卫星在不同的轨道上绕地球转动请思考:(1)这些卫星运动的向心力都由什么力提供？这些卫星的轨道平面有什么特点？(2)同步卫星是否就真的静止不动？提示：(1)卫星的向心力由地球对卫星的万有引力提供，所有卫星的轨道平面都经过地心2)同步卫星在赤道平面上绕地球做匀速圆周运动，转动周期与地球的自转周期相同，T=2 4 h,相对地球静止。
探究归纳1 .人造卫星的三种轨道(1)赤道轨道：卫星轨道在赤道所在平面上，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，卫星经过两极上空3)一般轨道：卫星轨道平面和赤道平面成一定角度(不等于O或 9 0)，如图所示2 .地球同步卫星地球同步卫星位于地球赤道上方，相对于地面静止不动，其角速度跟地球自转角速度相同同步卫星广泛应用于通信，又叫同步通信卫星地球同步卫星的特点见下表：周期一定与地球自转周期相同，即 7=2 4 h =8 6 4 0 0 s角速度一定与地球自转的角速度相同高度一定卫星离地面高度=r-R-5.6 R(为恒量)Q 3.6 X 1(/k m速度大小一定O=干 t3.1 k m s(为恒量)，环绕方向与地球自转方向相同向心加速度大小一定=0.2 3 m s2轨道平面一定轨道平面与赤道平面共面典例(多选)四颗地球卫星a、b、c、d 的排列位置如图所示，其中a 是静止在地球赤道上还未发射的卫星，b 是近地轨道卫星，c 是地球同步卫星，d 是高空探测卫星四颗卫星相比较()A.a 的向心加速度最大B.相同时间内b 转过的角度最大C.C相对于b 静止D.d 的运动周期可能是26 h 解析 同步卫星的周期必须与地球自转周期相同，角速度相同，则知a 与 C的角速度相同，根据a=。
知，C的向心加速度比a 的向心加速度大，故 A 错误；由一 m2r,得(W=卫星的半径越大，角速度越小，a 和 C 的角速度相等，b 的角速度最大，在相同时间内转过的角度最大，故 B 正确；b 是近地轨道卫星，C是地球同步卫星，C 相对于地面静止，近地轨道卫星相对于地面运动，所以C 相对于b 运动，故 C 错误；由开普勒第三定律捻=Z 知，卫星的半径越大，周期越大，所以d 的运动周期大于C的周期2 4 h,有可能等于26 h,故 D 正确答案 BD 名师点评同步卫星、近地卫星和赤道上随地球自转物体的比较(1)在赤道上随地球自转做匀速圆周运动的物体是地球的一部分，它不是地球的卫星，充当向心力的是物体所受的万有引力与重力之差2)近地卫星与同步卫星的共同点是卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供；同步卫星与赤道上随地球自转物体的共同点是具有相同的角速度3)当比较近地卫星和赤道上物体的运动规律时，往往借助同步卫星这一纽带，这样会使问题迎刃而解针对2.关于“亚洲一号”地球同步通信卫星，下述说法正确的是()A.已知它的质量是1.24 3 若将它的质量增为2.84 3 其同步轨道半径变为原来的2 倍B.它的运行速度为7.9kmsC.它可以绕过北京的正上方，所以我国能利用其进行电视转播D.它距地面的高度约为地球半径的5 倍，卫星的向心加速度约为其下方地面上物体的重力加速度的表解析：同步卫星的轨道是一定的，与同步卫星的质量没有关系，故 A 错误：同步卫星的速度小于第一宇宙速度7.9km s,故 B 错误；同步卫星只能在赤道的上方，不能绕过北京，故 C 错误；由CJ=w 得。
用,则同：=:1 =白，故 D 正确答案：D3.（多选）已知地球质量为相地，半径为R,自转周期为7,地球同步卫星质量为?，引力常量为G有关同步卫星，下列表述正确的是（）A.卫星距地 面 的 高 度 为 十 禀B.卫星的运行速度小于第一宇宙速度C.卫星运行时受到的向心力大小为G爷D.卫星运行的向心加速度小于地球表面的重力加速度解析：由 G潦 奇 3=m（R+z）（竿）2得卫星距地面的高度为h=个G：；T _ R,选 项 A错误；第一宇宙速度是卫星的最小发射速度，是卫星最大的环绕速度，选 项 B 正确：同步卫星距地面有一定的高度，受到的向心力大小为G温;；2,选 项 C 错误：由 G淌 恭=m a得 卫 星 运 行 的 向 心 加 速 度 为 由G墨ng得地球表面的重力加速度为g=G m电,L _ HR2 ,则ga,选项D 正确答案：BD课堂检测素养达标一1.（多选）关于宇宙速度，下列理解正确的是（）A.第一宇宙速度s=7.9 k m s,是发射地球卫星的最小速度B.在圆轨道上运动的卫星的速度一定小于第一宇宙速度C.第二宇宙速度是飞出太阳系的最小发射速度D.我国发射的“天问一号”火星探测器，其发射速度大于第二宇宙速度解析：人造卫星在圆轨道上运行时，运行速度。
轨道半径越小，速度越大，第一宇宙速度是卫星贴着地球表面运行的速度，半径最小，故运行速度是最大的，故 B 正确；第一宇宙速度0=7.9 k m s,是近地卫星的最大环绕速度，也是人造地球卫星的最小发射速度，故 A 正确；。