新人教版高中物理必修第二冊(cè)PAGEPAGE14宇宙航行[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度，知道三個(gè)宇宙速度的含義.2.了解人造地球衛(wèi)星的歷史及現(xiàn)狀，認(rèn)識(shí)同步衛(wèi)星的特點(diǎn).3.了解人類對(duì)太空的探索歷程和我國(guó)載人航天工程的發(fā)展.一、宇宙速度1.牛頓的設(shè)想如圖1所示，把物體從高山上水平拋出，如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為人造地球衛(wèi)星.圖12.第一宇宙速度的推導(dǎo)(1)已知地球質(zhì)量m地和半徑R，物體繞地球的運(yùn)動(dòng)可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，萬(wàn)有引力提供物體運(yùn)動(dòng)所需的向心力，即eq\f(Gmm地,R2)＝meq\f(v2,R)，可得v＝eq\r(\f(Gm地,R)).(2)已知地面附近的重力加速度g和地球半徑R，由mg＝meq\f(v2,R)得：v＝eq\r(gR).(3)三個(gè)宇宙速度及含義數(shù)值意義第一宇宙速度7.9km/s物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度第二宇宙速度11.2km/s在地面附近發(fā)射飛行器使物體克服地球引力，永遠(yuǎn)離開(kāi)地球的最小地面發(fā)射速度第三宇宙速度16.7km/s在地面附近發(fā)射飛行器使物體掙脫太陽(yáng)引力束縛，飛到太陽(yáng)系外的最小地面發(fā)射速度二、人造地球衛(wèi)星1.1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功.1970年4月24日，我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號(hào)”發(fā)射成功.為我國(guó)航天事業(yè)作出特殊貢獻(xiàn)的科學(xué)家錢(qián)學(xué)森被譽(yù)為“中國(guó)航天之父”.2.地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)地球同步衛(wèi)星位于赤道上方高度約36000km處，因相對(duì)地面靜止，也稱靜止衛(wèi)星.地球同步衛(wèi)星與地球以相同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同.三、載人航天與太空探索1.1961年蘇聯(lián)宇航員加加林進(jìn)入東方一號(hào)載人飛船，鑄就了人類首次進(jìn)入太空的豐碑.2.1969年，美國(guó)阿波羅11號(hào)飛船發(fā)射升空，拉開(kāi)人類登月這一偉大歷史事件的帷幕.3.2003年10月15日9時(shí)，我國(guó)神舟五號(hào)宇宙飛船把中國(guó)第一位航天員楊利偉送入太空，截止到2017年底，我國(guó)已經(jīng)將11名航天員送入太空，包括兩名女航天員.4.2013年6月，神舟十號(hào)分別完成與天宮一號(hào)空間站的手動(dòng)和自動(dòng)交會(huì)對(duì)接；2016年10月19日，神舟十一號(hào)完成與天宮二號(hào)空間站的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接.2017年4月20日，我國(guó)發(fā)射了貨運(yùn)飛船天舟一號(hào)，入軌后與天宮二號(hào)空間站進(jìn)行自動(dòng)交會(huì)對(duì)接、自主快速交會(huì)對(duì)接等3次交會(huì)對(duì)接及多項(xiàng)實(shí)驗(yàn).1.判斷下列說(shuō)法的正誤.(1)在地面上發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度是7.9km/s.(√)(2)人造地球衛(wèi)星的最小繞行速度是7.9km/s.(×)(3)我國(guó)向月球發(fā)射的“嫦娥二號(hào)”宇宙飛船在地面附近的發(fā)射速度要大于11.2km/s.(×)(4)在地面附近發(fā)射火星探測(cè)器的速度應(yīng)為11.2km/s<<16.7km/s.(√)(5)由v＝eq\r(\f(GM,r))，高軌道衛(wèi)星運(yùn)行速度小，故發(fā)射高軌道衛(wèi)星比發(fā)射低軌道衛(wèi)星更容易.(×)2.已知火星的半徑為R，火星的質(zhì)量為m火，引力常量為G，則火星的第一宇宙速度為.答案eq\r(\f(Gm火,R))一、三個(gè)宇宙速度導(dǎo)學(xué)探究不同天體的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的決定因素是什么？答案一般不同.由eq\f(GMm,R2)＝meq\f(v2,R)得，第一宇宙速度v＝eq\r(\f(GM,R))，可以看出，第一宇宙速度的值取決于中心天體的質(zhì)量M和半徑R，與衛(wèi)星無(wú)關(guān).知識(shí)深化1.第一宇宙速度(1)兩個(gè)表達(dá)式思路一：萬(wàn)有引力提供向心力，由Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(v2,R)得v＝eq\r(\f(GM,R))思路二：重力提供向心力，由mg＝meq\f(v2,R)得v＝eq\r(gR)(2)含義①近地衛(wèi)星的圓軌道運(yùn)行速度，大小為7.9km/s，也是衛(wèi)星圓軌道的最大運(yùn)行速度.②人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，需要更多能量.2.第二宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，使之能夠克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開(kāi)地球所需的最小發(fā)射速度，其大小為11.2km/s.當(dāng)發(fā)射速度7.9km/s<v0<11.2km/s時(shí)，物體繞地球運(yùn)行的軌跡是橢圓，且在軌道不同點(diǎn)速度大小一般不同.3.第三宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，使之能夠掙脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系外的最小發(fā)射速度，其大小為16.7km/s.(2019·天津一中期末)我國(guó)發(fā)射了一顆繞月運(yùn)行的探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”.設(shè)該衛(wèi)星的軌道是圓形的，且貼近月球表面.已知月球的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的eq\f(1,81)，月球的半徑約為地球半徑的eq\f(1,4)，地球的第一宇宙速度約為7.9km/s，則該探月衛(wèi)星繞月運(yùn)行的最大速率約為()A.0.4km/s B.1.8km/sC.11km/s D.36km/s答案B解析由Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(v2,R)得，v＝eq\r(\f(GM,R))又eq\f(M月,M地)＝eq\f(1,81)，eq\f(R月,R地)＝eq\f(1,4)故月球和地球的第一宇宙速度之比eq\f(v月,v地)＝eq\r(\f(M月,M地)·\f(R地,R月))＝eq\r(\f(1,81)×\f(4,1))＝eq\f(2,9)故v月＝7.9×eq\f(2,9)km/s≈1.8km/s，因此B項(xiàng)正確.(2019·湘潭一中期末)某人在一星球上以速率v豎直上拋一物體，經(jīng)時(shí)間t后，物體以速率v落回手中.已知該星球的半徑為R，求該星球的第一宇宙速度.(物體只受星球的引力，忽略星球自轉(zhuǎn)的影響)答案eq\r(\f(2vR,t))解析根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可得，該星球表面的重力加速度為g0＝eq\f(2v,t)，該星球的第一宇宙速度即衛(wèi)星在其表面附近繞其做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度大小，由mg0＝eq\f(mv\o\al(2,1),R)得，該星球的第一宇宙速度為v1＝eq\r(g0R)＝eq\r(\f(2vR,t)).二、人造地球衛(wèi)星1.人造地球衛(wèi)星(1)衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)(如同步軌道)，可以通過(guò)兩極上空(極地軌道)，也可以和赤道平面成任意角度，如圖2所示.圖2(2)因?yàn)榈厍驅(qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力提供了衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，所以地心必定是衛(wèi)星圓軌道的圓心.2.近地衛(wèi)星(1)v1＝7.9km/s；T＝eq\f(2πR,v1)≈85min.(2)7.9km/s和85min分別是人造地球衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大線速度和最小周期.3.同步衛(wèi)星(1)“同步”的含義就是和地面保持相對(duì)靜止，所以其周期等于地球自轉(zhuǎn)周期.(2)特點(diǎn)①定周期：所有同步衛(wèi)星周期均為T(mén)＝24h.②定軌道：同步衛(wèi)星軌道必須在地球赤道的正上方，運(yùn)轉(zhuǎn)方向必須跟地球自轉(zhuǎn)方向一致，即由西向東.③定高度：由Geq\f(mM,R＋h2)＝meq\f(4π2,T2)(R＋h)可得，同步衛(wèi)星離地面高度為h＝eq\r(3,\f(GMT2,4π2))－R≈3.58×104km≈6R.④定速度：由于同步衛(wèi)星高度確定，則其軌道半徑確定，因此線速度、角速度大小均不變.⑤定加速度：由于同步衛(wèi)星高度確定，則其軌道半徑確定，因此向心加速度大小也不變.(多選)“靜止”在赤道上空的地球同步氣象衛(wèi)星把廣闊視野內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)發(fā)回地面，為天氣預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確、全面和及時(shí)的氣象資料.設(shè)地球同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的n倍，下列說(shuō)法中正確的是()A.同步衛(wèi)星距地面的高度是地球半徑的(n－1)倍B.同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度是第一宇宙速度的eq\r(\f(1,n))C.同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度是地球赤道上物體隨地球自轉(zhuǎn)獲得的速度的eq\f(1,n)D.同步衛(wèi)星的向心加速度是地球表面重力加速度的eq\f(1,n)(忽略地球的自轉(zhuǎn))答案AB解析地球同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的n倍，所以同步衛(wèi)星距地面的高度是地球半徑的(n－1)倍，A正確；由萬(wàn)有引力提供向心力即eq\f(GMm,r2)＝eq\f(mv2,r)，得v＝eq\r(\f(GM,r))，r＝nR，第一宇宙速度v′＝eq\r(\f(GM,R))，所以同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度是第一宇宙速度的eq\r(\f(1,n))，B正確；同步衛(wèi)星與地球赤道上的物體具有相同的角速度，根據(jù)v＝rω知，同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度是地球赤道上物體隨地球自轉(zhuǎn)獲得的速度的n倍，C錯(cuò)誤；根據(jù)eq\f(GMm,r2)＝ma，得a＝eq\f(GM,r2)＝eq\f(GM,n2R2)，則同步衛(wèi)星的向心加速度是地球表面重力加速度的eq\f(1,n2)，D錯(cuò)誤.如圖3所示，中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).其中有靜止軌道同步衛(wèi)星和中地球軌道衛(wèi)星.已知中地球軌道衛(wèi)星的軌道高度為5000～15000km，則下列說(shuō)法正確的是()圖3A.中地球軌道衛(wèi)星的線速度小于靜止軌道同步衛(wèi)星的線速度B.上述兩種衛(wèi)星的運(yùn)行速度可能大于7.9km/sC.中地球軌道衛(wèi)星繞地球一圈的時(shí)間小于24小時(shí)D.靜止軌道同步衛(wèi)星可以定位于北京的上空答案C三、同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、赤道上物體的比較如圖4所示，A為地面上的待發(fā)射衛(wèi)星，B為近地圓軌道衛(wèi)星，C為地球同步衛(wèi)星.三顆衛(wèi)星質(zhì)量相同，三顆衛(wèi)星的線速度大小分別為vA、vB、vC，角速度大小分別為ωA、ωB、ωC，周期分別為T(mén)A、TB、TC，向心加速度大小分別為aA、aB、aC，則()圖4A.ωA＝ωC<ωBB.TA＝TC<TBC.vA＝vC<vBD.aA＝aC>aB答案A解析同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步，故TA＝TC，ωA＝ωC，由v＝ωr及a＝ω2r得vC>vA，aC>aA對(duì)同步衛(wèi)星和近地衛(wèi)星，根據(jù)eq\f(GMm,r2)＝meq\f(v2,r)＝mω2r＝meq\f(4π2,T2)r＝man，知vB>vC，ωB>ωC，TB<TC，aB>aC.故可知vB>vC>vA，ωB>ωC＝ωA，TB<TC＝TA，aB>aC>aA.選項(xiàng)A正確，B、C、D錯(cuò)誤.同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、赤道上物體的比較1.同步衛(wèi)星和近地衛(wèi)星都是萬(wàn)有引力提供向心力，即都滿足eq\f(GMm,r2)＝meq\f(v2,r)＝mω2r＝meq\f(4π2,T2)r＝man.由上式比較各運(yùn)動(dòng)量的大小關(guān)系，即r越大，v、ω、an越小，T越大.2.同步衛(wèi)星和赤道上物體都做周期和角速度相同的圓周運(yùn)動(dòng).因此要通過(guò)v＝ωr，an＝ω2r比較兩者的線速度和向心加速度的大小.針對(duì)訓(xùn)練(2018·四川涼山州木里中學(xué)高一下期中)如圖5所示，A是地球赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體，其向心加速度大小為a1，線速度大小為v1；B是繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的近地衛(wèi)星，其向心加速度大小為a2，線速度大小為v2；C是地球同步衛(wèi)星，其軌道半徑為r.已知地球半徑為R，下列關(guān)于A、B的向心加速度和線速度的大小關(guān)系正確的是()圖5A.eq\f(a1,a2)＝eq\f(R2,r2) B.eq\f(a1,a2)＝eq\f(R3,r3)C.eq\f(v1,v2)＝eq\r(\f(R,r)) D.v1＝v2答案B解析設(shè)同步衛(wèi)星C的向心加速度大小為a3，線速度大小為v3.赤道上的物體A和同步衛(wèi)星C的運(yùn)行周期相同，根據(jù)a＝eq\f(4π2r,T2)可知eq\f(a1,a3)＝eq\f(R,r)，根據(jù)v＝eq\f(2πr,T)可知eq\f(v1,v3)＝eq\f(R,r)；對(duì)于近地衛(wèi)星B和同步衛(wèi)星C，根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力有Geq\f(mM,r2)＝ma＝meq\f(v2,r)，可得a＝eq\f(GM,r2)，v＝eq\r(\f(GM,r))，則有eq\f(a2,a3)＝eq\f(r2,R2)，eq\f(v2,v3)＝eq\r(\f(r,R))，所以eq\f(a1,a2)＝eq\f(R3,r3)，eq\f(v1,v2)＝eq\r(\f(R3,r3))，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤.1.(對(duì)宇宙速度的理解)(多選)(2019·巴蜀中學(xué)期末)下列關(guān)于三種宇宙速度的說(shuō)法中正確的是()A.人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度大于或等于7.9km/s、小于11.2km/sB.火星探測(cè)衛(wèi)星的發(fā)射速度大于16.7km/sC.第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛，成為繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度答案CD解析根據(jù)v＝eq\r(\f(GM,r))可知，衛(wèi)星的軌道半徑r越大，即距離地面越遠(yuǎn)，衛(wèi)星的環(huán)繞速度越小，7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度，選項(xiàng)D正確；實(shí)際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，故衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度都小于第一宇宙速度，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；火星探測(cè)衛(wèi)星仍在太陽(yáng)系內(nèi)，所以其發(fā)射速度小于第三宇宙速度，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；第二宇宙速度是使物體掙脫地球引力束縛而成為太陽(yáng)的一顆人造行星的最小發(fā)射速度，選項(xiàng)C正確.2.(對(duì)同步衛(wèi)星的認(rèn)識(shí))(多選)(2019·海師附中期中)下列關(guān)于同步通信衛(wèi)星的說(shuō)法正確的是()A.各國(guó)發(fā)射的地球同步衛(wèi)星的高度和速率都是相等的B.同步通信衛(wèi)星的角速度雖已確定，但高度和速率可以選擇，高度增加，速率增大，高度降低，速率減小，仍同步C.我國(guó)發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星的周期是114min，它的高度比同步衛(wèi)星低D.同步通信衛(wèi)星的速率比我國(guó)發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星速率小答案ACD3.(同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、赤道上物體的比較)(多選)如圖6所示，同步衛(wèi)星與地心的距離為r，運(yùn)行速率為v1，向心加速度為a1，地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2，第一宇宙速度為v2，地球半徑為R，則下列關(guān)系式正確的是()圖6A.eq\f(a1,a2)＝eq\f(r,R