高中物理粤教版 (2019)必修 第二册第四节 宇宙速度与航天多媒体教学ppt课件

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必备知识·自主预习储备
2．第二宇宙速度航天器一旦发射速度大于等于______________，航天器就会挣脱地球的引力，不再绕地球运行，而是绕太阳运动或飞向其他行星。因此人们将_________________称为第二宇宙速度，又叫逃逸速度。3．第三宇宙速度如果要使航天器挣脱太阳的引力，飞出太阳系，其发射速度至少要达到_________________，这一速度称为第三宇宙速度。提醒　第一宇宙速度是最大环绕速度也是最小发射速度。
v＝11.2 km/s
v＝16.7 km/s
体验1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大。(　　)(2)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是 10 km/s。(　　)(3)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是 7.9 km/s。(　　)
知识点二　人造卫星与遨游太空1．同步卫星地球同步卫星指与地球相对静止的卫星。这种卫星的轨道平面与______平面重合，并且位于赤道上空______的高度上。地心位于卫星轨道的圆心。“同步”的意思是卫星运动与地球自转的________和方向相同，周期是________。
2．遨游太空1957年10月4日，苏联发射了第一颗______________。1969年7月20日，美国发射“阿波罗11号”宇宙飞船，实现人类第一次______。2003年10月15日，中国“神舟五号”飞船成功发射，把我国第一位宇航员________送入太空。思考　不同国家发射的地球同步卫星离地面高度是否相同？提示：相同。
体验2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)同步卫星可以“静止”在北京的上空。(　　)(2)所有同步卫星的离地高度都相同。(　　)(3)不同国家发射的同步卫星具有不同的轨道。(　　)体验3：填空假设地球的质量不变，而地球的半径增大到原来半径的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______倍。
关键能力·情境探究达成
考点1　宇宙速度的理解与计算
如图所示，在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动。(1)这些卫星的轨道平面有什么特点？(2)这些卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度的大小等跟什么因素有关呢？提示：(1)轨道平面过地心。(2)与轨道半径有关。
考点1　宇宙速度的理解与计算1．宇宙速度(1)三个宇宙速度v1、v2、v3
(2)宇宙速度均指发射速度，卫星的运行速度一定不大于其发射速度。(3)第一宇宙速度的其他三种叫法：最小发射速度、最大环绕速度、近地绕行速度。
2．第一宇宙速度的推导(1)推导：对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径R＝6 400 km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力( g取9.8 m/s2)，则方法一：
角度1　宇宙速度的理解【典例1】　牛顿曾提出过一个著名的思想实验：如图所示，从高山上水平抛出一个物体，当抛出的速度足够大时，物体将环绕地球不停地转动而不会掉下来。据此思考并讨论以下问题：
(1)当抛出速度较小时，物体做什么运动？当物体刚好不落回地面时，物体做什么运动？当抛出速度非常大时，物体还能落回地球吗？
[解析]　当抛出速度较小时，物体做平抛运动。当物体刚好不落回地面时，物体做匀速圆周运动。当抛出速度非常大时，物体会挣脱地球的引力，不能落回地球。
[答案]　平抛运动　匀速圆周运动　不能　
(2)已知地球的质量为m地，地球半径为R，引力常量为G，若物体紧贴地面飞行而不落回地面，其速度大小为多少？
(3)已知地球半径R＝6 400 km，地球表面的重力加速度g＝10 m/s2，则物体紧贴地球表面做圆周运动的速度多大？地球的第一宇宙速度为多少？
[答案]　8 km/s　7.9 km/s。
易错警示　处理有关三个宇宙速度的问题时，关键要理解和把握以下两点：(1)发射速度是指被发射物体在地面附近离开发射装置时的速度，要发射一颗人造卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。因此，第一宇宙速度又是最小的发射速度。卫星离地面越高，卫星的发射速度越大。贴近地球表面的卫星(近地卫星)的发射速度最小，其运行速度等于第一宇宙速度。近地卫星可认为v发＝v运，其他较高的卫星则有v发>v运。
(2)宇宙速度是指在地球上满足不同要求的发射速度，不能理解成运行速度；当16.7 km/s>v≥11.2 km/s时，卫星脱离地球引力的束缚，成为太阳系的一颗“小行星”；当v≥16.7 km/s时，卫星挣脱太阳的引力，逃到太阳系以外的宇宙空间。
[跟进训练]1．(角度1)以下关于宇宙速度的说法中正确的是(　　)A．第一宇宙速度是人造地球卫星在圆轨道运行时的最大速度B．第一宇宙速度是人造地球卫星在圆轨道运行时的最小速度C．人造地球卫星在圆轨道运行时的速度可以等于第二宇宙速度D．地球上的物体无论具有多大的速度都不可能脱离太阳的束缚
2．(角度2)已知地球的质量约为火星质量的10倍，地球的半径约为火星半径的2倍，则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为(　　)A．3.5 km/s　B．5.0 km/sC．17.7 km/sD．35.2 km/s
考点2　人造地球卫星1．人造地球卫星轨道特点(1)卫星运动遵循的规律：卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心在椭圆的一个焦点上，卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。
(2)卫星轨道的圆心：卫星绕地球沿圆形轨道运动时，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，所以地心是卫星圆轨道的圆心。(3)卫星的轨道：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(极地卫星)，也可以和赤道平面成任意角度。
2．地球同步卫星(1)地球同步卫星：位于地球赤道上空，相对于地面静止不动，它的角速度跟地球自转的角速度相同，广泛应用于通信，又叫作同步通信卫星。
(2)地球同步卫星的特点
规律方法　解决同步卫星问题的技巧(1)同步卫星与一般的卫星遵循同样的规律，所以解决一般卫星问题的思路、公式均可运用在同步卫星问题的解答中。(2)同步卫星同时又具备自身的特殊性，即有确定的周期、角速度、加速度、线速度、高度、轨道半径、轨道平面。
[跟进训练]3．某颗北斗导航卫星属于地球静止轨道卫星(即卫星相对于地面静止)。则此卫星的(　　)
A．线速度大于第一宇宙速度B．周期小于同步卫星的周期C．角速度大于月球绕地球运行的角速度D．向心加速度大于地面的重力加速度
学习效果·随堂评估自测
1．在地球上以速度v发射一颗卫星，其刚好在地面附近绕地球做匀速圆周运动。关于该卫星，下列说法正确的是(　　)A．发射速度v的大小可能是9 km/sB．若发射速度v提高到10 km/s，该卫星绕地球运行的轨迹为椭圆C．若发射速度提高到2v，该卫星将绕地球在更高的椭圆轨道上运行D．若发射速度提高到2v，该卫星将挣脱太阳引力的束缚
B　[当发射速度介于7.9 km/s和11.2 km/s之间时，卫星绕地球运行的轨迹为椭圆，故A错误，B正确；由题意可知卫星发射速度v＝7.9 km/s，若发射速度提高到2v，即15.8 km/s，其介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之间，该卫星将会挣脱地球的束缚，不会在更高的椭圆轨道上运动，但不会挣脱太阳引力的束缚，故C、D错误。]
2．我国首次火星探测任务被命名为“天问一号”。已知火星质量约为地球质量的10%，半径约为地球半径的50%，下列说法正确的是(　　)A．火星探测器的发射速度应大于地球的第二宇宙速度B．火星探测器的发射速度应介于地球的第一和第二宇宙速度之间C．火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度D．火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度
4．(新情境题，以发射卫星为背景考查宇宙速度)2021年1月20日，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，成功将“天通一号01星”卫星发射升空，卫星进入预定轨道。“天通一号01星”卫星是一颗用于广播和通信的地球静止轨道通信卫星，离地面的高度大约为地球半径的6倍。问题：“天通一号01星”卫星的运行速度与第一宇宙速度之比大约为多少？