人教版 (2019)必修 第二册4 宇宙航行优秀ppt课件

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1.了解人造地球卫星的最初构想,会推导第一宇宙速度。(物理观念)2.知道同步卫星和其他卫星的区别,会分析人造地球卫星的受力和运动情况并解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。(科学思维)3.了解发射速度与环绕速度的区别和联系,理解天体运动中的能量观。(科学思维)4.了解宇宙航行的历程和进展,感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。(科学态度与责任)
基础落实·必备知识全过关
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一、宇宙速度1.第一宇宙速度(1)物体绕地球速度推导:物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动,万有引力提供物体运动所需的向心力,有 ,由此解出v=　　　　(m地为地球质量,r为物体做圆周运动的轨道半径)。 (2)数值:已知地球的质量,近似用地球半径R代替r,代入数据后算出v= =　　 　,这就是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。
成为地球卫星的最小发射速度 
2.第二宇宙速度当飞行器的速度等于或大于　 　　　时,它就会克服地球的引力,永远离开地球。我们把　　 　　叫作第二宇宙速度。
脱离地球的最小发射速度 
3.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　　 　,这个速度叫作第三宇宙速度。
脱离太阳的最小发射速度 
二、人造地球卫星、载人航天与太空探索1.同步卫星:地球同步卫星位于地面上方高度约36 000 km处,周期与地球　　　　　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同。因其相对地面静止,也称　　 　　。 2.1961年4月12日,苏联航天员加加林进入东方一号载人飞船。飞船绕地球飞行一圈后重返大气层,安全降落在地面,铸就了人类首次进入太空的丰碑。1969年7月16日,美国阿波罗11号飞船点火升空,拉开人类登月的帷幕。2003年10月15日,我国神舟五号宇宙飞船把航天员　　　　　　送入太空。 
情境链接如图所示,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)你知道这些卫星是怎么上升到太空中的吗?(3)这些卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度等跟什么因素有关呢?
提示 (1)轨道平面过地心。(2)用火箭载着卫星做加速运动。(3)与轨道半径有关。
教材拓展看教材P60“思考与讨论”,同学们想一下,怎么计算第一宇宙速度?
易错辨析(1)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10 km/s。(　　)(2)第一宇宙速度是发射卫星的最小速度。(　　)(3)无论从哪个星球上发射卫星,发射速度都要大于7.9 km/s。(　　)(4)当发射速度v>7.9 km/s时,卫星将脱离地球的吸引,不再绕地球运动。(　　)
解析 卫星绕地球做圆周运动的最大速度等于第一宇宙速度7.9 km/s。
解析 不同星球的第一宇宙速度不同。
解析 使卫星脱离地球引力束缚的最小发射速度是11.2 km/s。
(5)只要运行周期是24 h的卫星都是静止卫星。(　　)(6)不是所有卫星的运行轨道都在赤道上空。(　　)
解析 除了运行周期跟地球自转周期相同外,还必须跟地球自转方向一致。
假设你拥有了能以光速奔跑的能力,根据所学物理知识分析,要以光速从北京跑到上海,可能实现吗?
要点提示 不可能实现。当人或物体的速度超过第一宇宙速度时,会脱离地球表面,即在地表运动的速度不能超过第一宇宙速度7.9 km/s。
探究点一　宇宙速度的理解与计算
1.第一宇宙速度的推导第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度,等于人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的运行速度,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,地球质量m地=5.98×1024 kg,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,则可以求出第一宇宙速度。
2.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天体决定,可以说任何一颗行星都有自己的第一宇宙速度,都应以 表示,式中G为引力常量,m0为中心天体的质量,g为中心天体表面的重力加速度,R为中心天体的半径。
特别提示　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引力做功。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
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。
【例1】 假设探月卫星嫦娥五号的轨道是圆形的,且贴近月球表面。已知
宇宙速度约为7.9 km/s,则该探月卫星绕月运行的最大速率约为(　　)A.0.4 km/sB.1.8 km/sC.11 km/sD.36 km/s
解析 星球的第一宇宙速度即为卫星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
1.(多选)(2023陕西西安高一期末)我国航天事业的快速发展,充分体现了民族智慧、经济实力、综合国力,也大大促进了我国生产力的发展。下列关于我国航天器的发射速度、绕行速度的说法正确的是(　　)A.火星探测器天问一号的发射速度大于第三宇宙速度B.探月工程中嫦娥五号的发射速度大于第二宇宙速度C.北斗卫星导航系统中地球静止轨道卫星的绕行速度小于第一宇宙速度D.中国空间站中天和核心舱的发射速度大于第一宇宙速度
解析 火星探测器并没有脱离太阳引力束缚,发射速度应该小于第三宇宙速度,故A错误;嫦娥五号没有脱离地球引力束缚,发射速度小于第二宇宙速度,故B错误;第一宇宙速度是最大的环绕速度,地球静止轨道卫星的绕行速度小于第一宇宙速度,故C正确;第一宇宙速度是最小的发射速度,天和核心舱的发射速度大于第一宇宙速度,故D正确。
地球上空分布着许多的静止卫星,在地面上的人看来,始终静止不动。请思考:
(1)这些静止卫星是否就真的静止不动呢?(2)这些静止卫星有什么共同的特点呢?
要点提示 (1)这些静止卫星都在绕地心做匀速圆周运动,地球与卫星的万有引力提供向心力。(2)卫星相对于地球静止,因此卫星绕地球运动的周期一定等于地球自转的周期。
探究点二　人造卫星问题的分析思路
1.人造地球卫星的轨道卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆轨道,但轨道平面一定过地心。(1)卫星绕地球沿椭圆轨道运动时,地心是椭圆的一个焦点,卫星的周期和半长轴的关系遵从开普勒第三定律。(2)卫星绕地球沿圆轨道运动时,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,所以地心必定是卫星圆轨道的圆心。
(3)卫星的轨道平面可以在赤道平面内,也可以和赤道平面垂直,还可以和赤道平面成任一角度,如图所示。
【例2】 (多选)北斗三号卫星导航系统由24颗中圆地球轨道卫星、3颗地球静止卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星组成。其中中圆地球轨道卫星是指距离地球表面2 000~20 000 km的地球卫星;地球静止卫星相对地面静止;倾斜地球同步轨道卫星是指轨道平面与地球赤道平面有交角,但周期等于地球自转周期的卫星。下列关于这些卫星的说法正确的是(　　)
A.地球静止卫星在轨道上正常运行时的速度等于7.9 km/sB.中圆地球轨道卫星在轨道上正常运行的向心加速度小于地球静止卫星的向心加速度C.倾斜地球同步轨道卫星在轨道上正常运行时,其轨道半径和地球静止卫星运行半径相同D.倾斜地球同步轨道卫星在某时刻通过某地的正上方,一个周期后卫星一定通过同一地点的正上方
半径和地球静止卫星运行半径相同,选项C正确;倾斜地球同步轨道卫星的周期与地球自转的周期相同,则若在某时刻通过某地的正上方,一个周期后卫星一定通过同一地点的正上方,选项D正确。
2.(多选)(2023山东潍坊高一期末)若天和核心舱绕地球飞行的轨道可视为圆轨道,轨道离地面的高度为地球半径的 ,地球半径为R,地球表面处重力加速度大小为g,忽略地球自转,则下列关于核心舱在轨运行时的说法正确的是(　　)A.线速度大于第一宇宙速度B.周期小于地球同步卫星周期
1.(三个宇宙速度的理解)(多选)下列关于三个宇宙速度的说法正确的是(　　)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v2B.天问一号火星探测器的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,绕太阳运行的最小发射速度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大运行速度
解析 根据v= 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,v1=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A错误,D正确;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绕太阳运行的最小发射速度,选项C正确。
2.(人造卫星的分析)(多选)有两颗地球卫星甲和乙,其中甲为地球静止卫星,乙的运行高度低于甲的运行高度,两卫星轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是(　　)A.甲的周期大于乙的周期B.乙的速度大于第一宇宙速度C.甲的加速度小于乙的加速度D.甲在运行时能经过北极的正上方
解析 由于卫星运行高度越大,周期越大,速度越小,所以甲的周期大于乙的周期,乙的速度小于第一宇宙速度,选项A正确,B错误;卫星越高,加速度越小,甲的加速度小于乙的加速度,选项C正确;静止卫星只能运行在赤道上方特定轨道上,甲在运行时不能经过北极的正上方,选项D错误。
3.(人造卫星的轨道分析)(多选)如图所示,关于人造卫星围绕地球做匀速圆周运动的轨道,下列说法正确的是(　　)A.卫星可能的轨道为a、b、cB.卫星可能的轨道为a、cC.静止卫星可能的轨道为a、cD.静止卫星可能的轨道为a
解析 卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必须与地心重合,所以卫星可能的轨道为a、c,选项A错误,B正确;静止卫星一定位于赤道的上方,可能的轨道为a,选项C错误,D正确。
4.(静止卫星的特点)(2023湖南永州高一期末)北斗三号卫星导航系统由若干中圆地球轨道卫星、地球静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星组成。其中中圆地球轨道卫星是指距离地球表面2 000~20 000 km的地球卫星,倾斜地球同步轨道卫星是指轨道平面与地球赤道平面有夹角,但周期等于地球自转周期的卫星。对于地球静止轨道卫星,下列说法正确的是(　　)A.离地面的高度一定相同B.地球对它们的引力一定相同C.运行的线速度大于第一宇宙速度D.通过技术改进可以使静止卫星定点在北京上空
速度,C错误;地球静止轨道卫星相对于地球某点处于静止,即它们的轨道平面必须与赤道平面重合,因此不可能使静止卫星定点在北京上空,D错误。
5.(宇宙速度的理解与计算)(2023陕西宝鸡高一期末)若不计天体的自转,天体表面上或表面附近的物体的重力等于物体所受的万有引力,这一关系常用于天体问题的相关计算。假设在月球表面h高度由静止释放一石子,测得石子在空中的运动时间为t。已知引力常量为G,月球半径为R,将月球视为均匀球体,忽略月球的自转。求:(1)月球表面的重力加速度的大小;(2)月球的密度;(3)月球的第一宇宙速度。
解析 (1)在月球表面h高度由静止释放一石子,测得石子在空中的运动时间
(3)根据万有引力提供向心力以及万有引力与重力近似相等,有