人教版 (2019)必修 第二册4 宇宙航行导学案

这是一份人教版 (2019)必修 第二册4 宇宙航行导学案，共6页。学案主要包含了学习目标，学习重难点，预习新知，重难探究，巩固训练等内容，欢迎下载使用。
【学习目标】
（一）学习目标
1.会推导第一宇宙速度，知道三个宇宙速度的含义.
2.了解人造地球卫星的历史及现状，认识同步卫星的特点.
3.了解人类对太空的探索历程和我国载人航天工程的发展.
【学习重难点】
（一）学习重难点
重点：第一宇宙速度的推导过程和方法，了解第一宇宙速度的应用领域。
难点：1.人造地球卫星的发射速度与运行速度的区别。
2.掌握有关人造卫星的计算及计算过程中的一些代换。
【预习新知】
（一）宇宙速度
宇宙速度
1.牛顿的设想
如图所示，把物体从高山上水平抛出，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.
2.第一宇宙速度的推导
(1)已知地球质量m地和半径R，物体绕地球的运动可视为匀速圆周运动，万有引力提供物体运动所需的向心力，即，可得。
(2)已知地面附近的重力加速度g和地球半径R，由mg＝得：.
(3)三个宇宙速度及含义
（一）人造地球卫星
人造地球卫星
1.1957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24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功.为我国航天事业作出特殊贡献的科学家钱学森被誉为“中国航天之父”.
2.地球同步卫星的特点
地球同步卫星位于赤道上方高度约36000km处，因相对地面静止，也称静止卫星.地球同步卫星与地球以相同的角速度转动，周期与地球自转周期相同.
（一）载人航天与太空探索
载人航天与太空探索
(1)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，铸就了人类进入太空的丰碑。
(2)1969年7月，美国阿波罗11号飞船登上月球。
(3)2003年10月15日，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。
【重难探究】
（一）重难探究
【探究一】宇宙速度
一、宇宙速度
1.第一宇宙速度：人造地球卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度叫作第一宇宙速度，也叫作地面附近的环绕速度，v1=7.9km/s。它是近地卫星的最大运行速度，也是人造卫星的最小发射速度。
2.第二宇宙速度：使物体挣脱地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造卫星或飞到其他行星上去的最小发射速度，v2=11.2km/s。
3.第三宇宙速度：使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳以外的宇宙空间去的最小发射速度，v3=16.7km/s。
二、发射速度
1.定义：卫星在地面附近离开发射装置的初速度
2.取值范围及运行状态：
(1) v发= v1=7.9km/s,人造卫星只能“贴着”地面近地运行。
(2) v发> v1=7.9km/s,可以使卫星在距地面较高的轨道上运行。
(3) v1＜v发＜v2，即7.9km/s＜v发＜11.2m/s，一般情况下人造地球卫星的发射速度。
三、运行速度
1.定义：卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。
2.大小：对于人造地球卫星，由可得，该速度指的是人造地球卫星在轨道上运行的环绕速度，其大小随轨道的半径r增大而减小
3.注意：（1）当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度；（2）当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。
【探究二】两种卫星
一、人造地球卫星
1.定义：在地球上以一定初速度将物体发射出去，物体将不再落回地面，而是绕地球运行，就成了地球的卫星。
2.分类：近地卫星、中轨道卫星、高轨道卫星、地球同步卫星、极地卫星等。
3.三个“近似”：
(1)近地卫星贴近地球表面运行，可近似认为它做匀速圆周运动的半径等于地球半径。
(2)在地球表面随地球一起自转的物体可近似认为地球对它的万有引力等于重力。
(3)天体的运动轨道可近似看成圆轨道，万有引力提供向心力。
4.四个等式：
(1)运行速度：，可得。故h增大时，v变小。
(2)角速度：，可得。故h增大时，ω变小。
(3)周期：，可得。故h增大时，T也增大。
(4)向心加速度：，可得。故h增大时，a减小。
二、地球同步卫星
1.定义：在赤道平面内，以和地球自转角速度相同的角速度绕地球运行的卫星。
2.五个一定
（1）周期T一定：与地球的自转周期(24h)相等，角速度ω也等于地球自转的角速度。
（2）轨道一定：所有同步卫星的运行方向与地球的自转方向一致，轨道平面与赤道平面重合。
（3）运行速度v大小一定：所有同步卫星绕地球运行的线速度大小一定，均为3.08km/s。
（4）离地高度h一定：所有同步卫星的轨道半径均相同，其离地高度约为3.6×104km。
（5）向心加速度an大小一定：所有同步卫星绕地球运行的向心加速度大小都相等，约为0.22m/s2。
注：所有国家发射的同步卫星的轨道都与赤道为同心圆，它们都在同一轨道上运动且都相对静止。
【巩固训练】
（一）巩固训练
1.载着登陆舱的探测器经过多次变轨后登陆火星的轨迹如图，其中轨道Ⅰ、Ⅲ为椭圆，轨道Ⅱ为圆。探测器经轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ运动在Q点登陆火星，O点是轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的交点，轨道上的O、P、Q三点与火星中心在同一直线上，O、Q两点分别是椭圆轨道Ⅲ的远火星点和近火星点。已知火星的半径为R，，探测器在轨道Ⅱ上经过O点的速度为v。下列说法正确的有( )
A.在相等时间内，轨道Ⅰ上探测器与火星中心的连线扫过的面积与轨道Ⅱ上探测器与火星中心的连线扫过的面积相等
B.探测器在轨道Ⅰ运动时，经过O点的速度大于
C.探测器在轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ运动时，经过O点的加速度均等于
D.在轨道Ⅱ上第一次由O点到P点与在轨道Ⅲ上第一次由O点到Q点的时间之比是
参考答案
1.答案：BC
解析：A.根据开普勒第二定律，在同一轨道上探测器与火星中心的连线在相同时间内扫过的相等的面积，在两个不同的轨道上，不具备上述关系，即在相等时间内，轨道Ⅰ上探测器与火星中心的连线扫过的面积与轨道Ⅱ上探测器与火星中心的连线扫过的面积不相等，故A错误；
B.探测器在轨道Ⅰ运动时，经过O点减速变轨到轨道Ⅱ，则在轨道Ⅰ运动时经过O点的速度大于v，故B正确；
C.轨道Ⅱ是圆轨道，半径为3R，经过O点的速度为v，根据圆周运动的规律可知，探测器经过O点的加速度
轨道Ⅱ和轨道Ⅲ上运行经过O点时万有引力相同，天体运行时仅受万有引力作用，由
可知，在O点时加速度相等，故C正确；
D.轨道Ⅲ的半长轴为2R，根据开普勒第三定律可知
解得
故D错误。
故选BC。

数值
意义
第一宇
宙速度
7.9km/s
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度
第二宇
宙速度
11.2km/s
在地面附近发射飞行器使物体克服地球引力，永远离开地球的最小地面发射速度
第三宇
宙速度
16.7km/s
在地面附近发射飞行器使物体挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外的最小地面发射速度