高中物理人教版 (新课标)必修25.宇宙航行教学设计

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第五节 宇宙航行探索：自学尝试解决下列问题对发射人造地球卫星的可行性，牛顿是如何猜想的？你从中有何启发？牛顿在思考万有引力时就曾想过，从高山上水平抛出物体，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。三个宇宙速度各是多少？有何物理意义？第一宇宙速度7.9km/s ，又叫环绕速度，是物体在地面附近绕地球作匀速圆周运动的速度。第二宇宙速度11.2km/s ，又叫脱离速度，是物体克服地球引力脱离地球绕太阳公转的速度。第三宇宙速度16.7km/s ，又叫逃逸速度，是物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的速度。第一宇宙速度是如何计算出来的？设地球的质量为M，绕地球作匀速圆周运动的飞行器的质量为m，飞行器的速度为v，它到地心的距离为r。飞行器运动所需向心力是由万有引力提供的，所以由此解出近似看作r与地球半径相等，把数据代入，可以算出v=7.9Km/s请说说人类探索宇宙奥秘的进程，你有何感想？探索宇宙奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。19世纪中叶，俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基指出，利用喷气推进的多级火箭，是实现太空飞行最有效的工具。1957年10月4日，世界上第一颗人造卫星在苏联发射成功。到今天人类已向太空发射了数以千计的包括卫星、空间站在内的航天器。1961年4月12日，苏联空军少校加加林进入了载人飞船。铸就了人类进入太空的丰碑。1969年7月16日，阿波罗11号飞船点火升空，拉开了人类登月这一伟大历史事件的帷幕。与此同时，探索太空，寻找人类知音的活动也在持续进行。“先驱者”10号、11号及“旅行者”1号和2号先后出发，进入了茫茫太空，开始了他们的探索之旅。由此可见，人类探索太空奥秘的进程是艰难的，曲折的，卓有成效的。你对我国的卫星技术了解多少？有何感想？ 中国的航空航天技术一直处于世界领先地位，1992年，中国载人航天工程正式启动，伴随着神州5号的发射成功，中国已正式启动“嫦娥工程”，开始了宇宙探索的新征程。至今已把神州六号载人宇宙飞船发射升空，是世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。要点归纳基本思想地球对人造卫星提供万有引力，充当向心力，绕地球作匀速圆周运动。宇宙速度第一宇宙速度7.9km/s第二宇宙速度11.2km/s第三宇宙速度16.7km/s第一宇宙速度的计算设地球质量M，绕地球表面作匀速圆周运动的飞行器的质量为m，速度v，地球半径R。飞行器运行所需要的向心力由万有引力提供，所以由此解出代入数据得发射速度与运行速度发射速度：将人造卫星送入预定轨道运行所必须具有的初速度。运行速度：卫星在轨道上绕地球作匀速圆周运动所具有的速度。说明：（1）由于发射过程中要克服地球的引力和阻力做功，所以发射速度大于运行速度。发射速度越大，卫星离地面越高，实际绕地球运行的速度越小。向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难得多。（2）本节中的宇宙速度是指在地球上满足不同需要的发射速度，不是运行速度。5．同步卫星所谓地球同步卫星，是相对于地面静止的，和地球具有相同周期的卫星，T=24h。同步卫星必须位于赤道正上方一定高度，具有确定的线速度和角速度。通讯卫星是同步卫星。例题探究与解答例1 我们国家在1996年成功发射了一颗实用地球同步卫星，从1999年至今已经多次将“神州”号宇宙飞船送入太空，。在某次试验中，飞船在空中飞行了36h，环绕地球24圈。那么，同步卫星与飞船在轨道上正常运行相比较（ ）A．卫星运转周期比飞船大 B．卫星运转速度比飞船大C．卫星运转加速度比飞船大 D．卫星离地高度比飞船大分析：宇宙飞船在太空环绕地球运行时，相当于地球的一颗卫星，它与同步卫星都是万有引力提供向心力。根据周期的大小可以判断以上各量的大小关系。解答：略答案：A D例2 假设地球的质量不变，半径增大到原来的2倍，那么从地球发射人造卫星的第一宇宙速度的大小应为原来的（ ）A．倍 B．倍 C．1/2倍 D．2倍分析：根据第一宇宙速度与地球半径的关系可得正确结论。解答：略答案：B例3 地球和月球的质量之比为81/1，半径之比为4/1，求在地球上和月球上发射卫星所需最小速度之比。分析：在星球表面附近，物体绕星球作圆周运动所需的向心力均来源于星球的万有引力，本题的最小速度其实就是第一宇宙速度。解答：根据第一宇宙速度的表达式得说明：本题用比例关系求解显得更简单。例4 卫星绕地球作匀速圆周运动，试估算最小周期为多少？（）分析：卫星的运行轨道半径越小，周期越小。所以卫星在近地轨道运行时周期为最小周期。解答：在地面附近，有由万有引力提供向心力，得两式联立得说明：在某些天体运动的题目中，似乎已知量不够，但巧妙的利用可以代换一些未知量。合作求解1．想一想第一宇宙速度除前面的计算方法外还可以如何计算？根据近地卫星所在处重力加速度近似等于地面加速度，有得代入数值得2．请你推导计算地球同步卫星的运行高度、线速度和角速度。由和得由和得由和得3．你能想象出双星的模型吗？双星是两个天体依靠相互间的万有引力分别给对方提供向心力，绕一点作匀速圆周运动，具有相同的周期和角速度。轨道半径和线速度都与质量成反比。4．你对黑洞的了解有多少？你是怎么认为的？黑洞是指逃逸速度超过光速的天体，它的质量很大，体积很小，是不发光的天体。5．人造卫星在地面发射时应朝哪个方向发射？为什么？由于考虑到地球在不停的自转，地球表面上的物体都具有一个随地球自转的线速度，且越靠近赤道，这个线速度越大，所以为了利用能量，卫星自西向东发射。6．同步卫星为什么要定点在赤道上方？所谓地球同步卫星，是相对于地面静止的，和地球自转有相同周期的卫星。假如同步卫星不是定点在赤道正上方，那么地球对它的引力将有一个分力提供向心力，另一个奋力将使卫星轨道靠向赤道。故只有在赤道上空，同步卫星才可能稳定的运行。7．至少几颗同步卫星才能覆盖全球？如图所示，一颗同步卫星能覆盖赤道的范围是弧AB，由图可知代入数值求得所以弧AB所对应的圆心角因此要覆盖整个赤道至少需要卫星数去n=3实际应用时，是将三颗同步卫星对称的分布在赤道上方。跟踪练习1．关于地球的第一宇宙速度，下列说法中正确的是（ ）A．它是人造地球卫星绕地球运行的最小速度B．它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度C．它是能使卫星进入近地轨道的最小发射速度D．它是能使卫星进入轨道的最大发射速度 分析：注意理解发射速度和运行速度答案：BC2．一宇航员在一星球上以速度v0竖直上抛一物体，经t秒落回手中，已知该星球半径为R，则该星球的第一宇宙速度是（ ）A． B． C． D．分析：由竖直上抛运动求得该星球表面的重力加速度，根据第一宇宙速度的表达式可得正确答案。答案：B3．人造地球卫星中的物体处于失重状态，是指物体（ ）A．不受地球引力的作用 B．受到的合力为零C．对支持它的物体没有压力 D．地球的吸引力和向心力平衡分析：注意理解超重和失重以及完全失重的概念。答案：C4．关于地球同步卫星，它们一定具有相同的（ ）A．质量 B．高度 C．向心力 D．周期分析：考察对同步卫星的理解。答案：BD5．人造地球卫星绕地球作匀速圆周运动，其轨道半径为R，线速度为v，周期为T，要使卫星周期变成2T，可能的办法是（ ）A．R不变，使线速度变为v/2 B．v不变，使轨道半径变为2RC．轨道半径变为 D．速度、轨道半径都加倍分析：根据天体运动规律分析求得。答案：C6．从1999年至2005年，在五年多的时间内，我国已成功发射了六艘“神舟”号宇宙飞船，并实现中国两次载人航天飞行，标志着我国载人航天事业取得了新进展．若飞船在绕地球的轨道上作匀速圆周运动，则运行速度v的大小( )A．v＜7.9km/s B．v＝7.9km/sC．7.9km/s＜v＜11.2km/s D．v＝11.2km/s分析：注意理解运行速度和发射速度的关系。答案：A7．我们的银河系的恒星中大约有四分之一是双星．某双星由质量不等的星体S1和S2构成，两星在相互之间的万有引力作用下绕两者连线上某一定点Ｃ做匀速圆周运动．由天文观察测得其运动周期为Ｔ．S1到Ｃ点的距离为r1,S1和S2的距离为r，已知引力常量为Ｇ．由此可求出s2的质量为( )　　　　　　　　　分析：本题考察对双星的认识和掌握。因为双星具有相同的周期和角速度，所以可得答案：D8．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．在降落过程中向下减速时产生超重现象C．进入轨道时作匀速圆周运动，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分析：考察对超重和失重的理解。答案：ABC9．两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。分析：注意公式的正确使用。答案：B10．同步卫星是指相对于地球不动的人造地球卫星，则下面说法正确的是（ ）A．它可以在地面上任一点的正上方，且离地心的距离可按需要选择不同的数值 B．它可以在地面上任一点的正上方，但离地心的距离是一定的C．它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要选择不同的数值D．它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的 分析：考察对同步卫星的认识。答案：D11．“神舟六号”载人飞船升空后，在离地面高h的轨道上做匀速圆周运动，已知地球半径为R，地球表面处的重力加速度为g，宇航员站在飞船舱底静止不动时，求： （1）宇航员对舱底的压力，简要说明理由； （2）宇航员运动的加速度大小。解答：（1）宇航员对舱底的压力为零，因为地球对宇航员的万有引力恰好提供了宇航员随飞船绕地球作匀速圆周运动所需的向心力，宇航员处于完全失重状态。（2）在地球表面，有对宇宙飞船在轨道上有联立解得12．某中子星的质量大约为，它的半径才不过，求：， （1）此中子星表面处的自由落体加速度？（2）贴近中子星表面，沿圆轨道运动的小卫星的环绕速度？（,解答：（1）由得代入数值解得（2）由得代入数值得