資源簡介

(共43張PPT)
4　宇宙航行
物理觀念 (1)知道三個宇宙速度的含義。
(2)知道同步衛星和其他衛星的區別。
(3)了解發射速度與環繞速度的區別和聯系。
科學思維 (1)會推導第一宇宙速度。
(2)會分析人造地球衛星的受力和運動情況，并能解決涉及人造地球衛星運動的問題。
科學態度與責任 了解宇宙航行的歷程和進展，感受人類對客觀世界不斷探究的精神和情感。
核心素養點擊
宇宙速度 數值 意義
第一宇宙速度 ____km/s 物體在地球表面附近繞地球做____________的速度
第二宇宙速度 ____km/s 使飛行器掙脫______引力束縛的最小地面發射速度
第三宇宙速度 ____km/s 使飛行器掙脫______引力束縛的最小地面發射速度
足夠大
人造地球衛星
7.9
7.9
11.2
16.7
勻速圓周運動
地球
太陽
√
√
×
解析：當發射的速度大于等于第二宇宙速度時，衛星會掙脫地球的引力，不再繞地球飛行。當發射的速度大于等于第三宇宙速度時，衛星會掙脫太陽的引力，飛出太陽系，故D正確。
答案：D　
二、人造地球衛星　載人航天與太空探索
1．填一填
(1)1957年10月4日，_______第一顆人造地球衛星發射成功。
(2)1970年4月24日，_____第一顆人造地球衛星“東方紅1號”發射成功。
(3)地球同步衛星
①位置：地面上方高度約________km。
②周期：與地球自轉周期______。
(4)靜止衛星：地球同步衛星的一種，其軌道平面與赤道平面成0度角，運動方向與地球自轉方向相同。因其相對地面靜止，也稱靜止衛星。
世界上
我國
36 000
相同
(5)載人航天與太空探索的主要成果
①1961年4月12日，蘇聯航天員加加林進入東方一號載人飛船，完成人類首次進入太空的旅行。
②1969年7月，美國阿波羅11號登上月球。
③2003年10月，我國神舟五號宇宙飛船把中國第一位航天員楊利偉送入太空。
④2011年11月起，神舟飛船先后與天宮一號目標飛行器、天宮二號空間實驗室成功完成交會對接試驗。
⑤2021年4月29日，具備長期自主飛行能力的天和核心艙成功發射。
⑥2022年12月2日，中國航天員乘組完成首次在軌交接，中國空間站正式開啟長期有人駐留模式。
2．判斷
(1)地球靜止衛星一定位于赤道的正上方。 ( )
(2)地球同步衛星與地球自轉的周期相同。 ( )
(3)人造地球衛星繞地球做勻速圓周運動的向心力由火箭推力提供。 ( )
(4)衛星繞地球運動的軌道半徑越大，運行速度越大。 ( )
3．選一選
(多選)下面關于靜止衛星的說法中正確的是 (　　)
A．所有地球靜止衛星都位于地球的赤道平面內
B．所有地球靜止衛星的質量都相等
C．靜止衛星運行的線速度一定小于第一宇宙速度
D．靜止衛星可以定位在北京的正上空
√
√
×
×
答案：AC　
(1)第一宇宙速度有什么意義？
(2)第二、第三宇宙速度有什么意義？
提示：(1)第一宇宙速度是人造衛星的最小發射速度，是人造衛星繞地球做勻速圓周運動的最大速度。
(2)第二宇宙速度是衛星能夠克服地球引力，永遠離開地球的最小發射速度；第三宇宙速度是物體能夠掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外的最小發射速度。　　　　
[答案]　A
答案：A　
答案：BD　
(1)所有做圓周運動的人造衛星的軌道圓心位置有什么特點？
(2)天宮二號和同步衛星的周期相比較哪個更大？
(3)天宮二號和同步衛星的線速度、角速度、加速度哪個更大？
提示：(1)所有做圓周運動的人造衛星的軌道圓心都位于地心。
(2)同步衛星的周期更大。
(3)“天宮二號”的線速度、角速度、加速度更大。　　　　
[答案]　AB
答案：見解析
答案：ACD　
5．已知“天和”核心艙運行軌道距地面的高度為400 km左右，地球靜止衛星距地面的高度接近36 000 km。則該核心艙的 (　　)
A．角速度比地球靜止衛星的小
B．周期比地球靜止衛星的長
C．向心加速度比地球靜止衛星的大
D．線速度比地球靜止衛星的小
答案：C
A．在甲抬高軌道之前，甲的線速度小于乙
B．甲可以通過增大速度來抬高軌道
C．在甲抬高軌道的過程中，月球對甲的萬有引力逐漸增大
D．返回地球后，月壤樣品的重量比在月球表面時大
答案：BD　
探月衛星嫦娥一號、嫦娥二號均繞月球運行，請上網了解一下，嫦娥一號、嫦娥二號衛星中，哪顆衛星的運行周期更大些？
嫦娥四號探測器能用打開降落傘的方法在月球背面實現軟著陸嗎？為什么？
提示：因為嫦娥一號離月球表面200 km，嫦娥二號離月球表面100 km，所以 嫦娥一號的運行周期更大些。
嫦娥四號探測器不能應用降落傘實現軟著陸，因為月球表面沒有空氣。
答案：D　
答案：C　課時跟蹤檢測（十三） 宇宙航行
組—重基礎·體現綜合
1．2023年9月21日下午，“天宮課堂”第四課開講，向同學們播下夢想和科學的種子。若請你推薦授課實驗內容，以下實驗可以在空間站完成的是(　　)
A．用天平稱量物體的質量
B．研究自由落體運動實驗
C．進行平拋運動的研究實驗
D．用橡皮筋和彈簧秤完成力的合成實驗
解析：選D　由于在空間站中處于完全失重狀態，則與重力有關的實驗都不能進行，即不能用天平稱量物體的質量，也不能研究自由落體運動實驗，不能進行平拋運動的研究實驗等；但是可以用橡皮筋和彈簧秤完成力的合成實驗，故選D。
2．(2023·江蘇高考)設想將來發射一顆人造衛星，能在月球繞地球運動的軌道上穩定運行，該軌道可視為圓軌道。該衛星與月球相比，一定相等的是(　　)
A．質量
B．向心力大小
C．向心加速度大小
D．受到地球的萬有引力大小
解析：選C　根據G＝ma，可得a＝，因該衛星與月球的軌道半徑相同，可知向心加速度大小相同；因該衛星的質量與月球質量不一定相等，則向心力大小以及受到地球的萬有引力大小均不一定相等。故選C。
3．靜止衛星相對地面靜止不動，猶如懸在高空中，下列說法正確的是(　　)
A．靜止衛星處于平衡狀態
B．靜止衛星的速率是唯一的
C．不同靜止衛星的軌道半徑都相同，且一定在赤道的正上方，它們以第一宇宙速度運行
D．它們可在我國北京上空運行，故用于我國的電視廣播
解析：選B　根據靜止衛星的特點知B正確，C、D錯誤。靜止衛星在萬有引力作用下，繞地心做圓周運動，不是處于平衡狀態，故A錯誤。
4．(2023·廣東1月學考)中國空間站運行軌道近似為圓形。為補充物資，貨運飛船需定期與空間站交會對接，對接后形成的組合體仍在原軌道運行。與對接前的空間站相比，組合體運行(　　)
A．周期變大　　　　 B．線速度變大
C．向心加速度變大 D．所需的向心力變大
解析：選D　與對接前的空間站相比，組合體運行的軌道半徑不變，根據
F向＝G＝m＝mr＝mω2r＝ma，可得
T＝2π ，v＝，a＝，可知組合體運行的周期、線速度和向心加速度都不變，因組合體的質量變大，則所需的向心力變大。故選D。
5．如圖所示，設行星繞太陽的運動是勻速圓周運動，金星自身的半徑是火星的n倍，質量為火星的k倍，不考慮行星自轉的影響，則(　　)
A．金星表面的重力加速度是火星的倍
B．金星的“第一宇宙速度”是火星的 倍
C．金星繞太陽運動的加速度比火星小
D．金星繞太陽運動的周期比火星大
解析：選B　由“黃金代換”GM＝gR2，可知g＝，所以＝＝，故A錯誤；由“第一宇宙速度”的定義可知＝，得v＝ ，所以＝＝ ，故B正確；由＝ma＝mr知，軌道半徑越大，加速度越小，周期越大，即金星做圓周運動的加速度較大，周期較小，故C、D錯誤。
6．如圖所示，在同一軌道平面上的三顆人造地球衛星A、B、C，在某一時刻恰好在同一直線上，下列說法正確的是(　　)
A．根據v＝，可知三顆衛星的線速度vA＜vB＜vC
B．根據萬有引力定律，可知三顆衛星受到的萬有引力FA＞FB＞FC　
C．三顆衛星的向心加速度aA＞aB＞aC
D．三顆衛星運行的角速度ωA＜ωB＜ωC
解析：選C　由G＝m得v＝ ，vA＞vB＞vC，故A錯誤；衛星受的萬有引力F＝G，但三顆衛星的質量關系不知道，它們受到的萬有引力大小不能比較，故B錯誤；由G＝ma得a＝，aA＞aB＞aC，故C正確；由G＝mrω2得ω＝，ωA>ωB>ωC，故D錯誤。
7．我國玉兔號月球車被順利送到月球表面，并發回大量圖片和信息。若該月球車在地球表面的重力為G1，在月球表面的重力為G2。已知地球半徑為R1，月球半徑為R2，地球表面處的重力加速度為g1，則(　　)
A．玉兔號月球車在地球表面與月球表面的質量之比為
B．地球的質量與月球的質量之比為
C．地球表面處的重力加速度與月球表面處的重力加速度之比為
D．地球的第一宇宙速度與月球的第一宇宙速度之比為
解析：選D　玉兔號月球車無論在月球表面還是地球表面，其質量都不會變化，所以“玉兔號”月球車在地球表面與月球表面的質量之比為1∶1，故A錯；在地球表面月球車受到重力G1＝mg1，在月球表面月球車受到重力G2＝mg2，可得地球表面處的重力加速度與月球表面處的重力加速度之比＝，故C錯；物體在星球表面的萬有引力近似等于重力，即G1＝，G2＝，可得＝，故B錯；星球的第一宇宙速度等于該星球近地衛星的線速度，即v＝，據此可得v1＝、v2＝，可得地球的第一宇宙速度與月球的第一宇宙速度之比＝＝，故D正確。
8．(2023·浙江6月選考)木星的衛星中，木衛一、木衛二、木衛三做圓周運動的周期之比為1∶2∶4。木衛三周期為T，公轉軌道半徑是月球繞地球軌道半徑r的n倍。月球繞地球公轉周期為T0，則(　　)
A．木衛一軌道半徑為r
B．木衛二軌道半徑為r
C．周期T與T0之比為n
D．木星質量與地球質量之比為n3
解析：選D　根據題意可得，木衛三的軌道半徑為r3＝nr，根據萬有引力提供向心力得G＝mR，可得R＝，木衛一、木衛二、木衛三做圓周運動的周期之比為1∶2∶4，可得木衛一軌道半徑為r1＝，木衛二軌道半徑為r2＝，故A、B錯誤；木衛三圍繞的中心天體是木星，月球圍繞的中心天體是地球，根據題意無法求出周期T與T0之比，故C錯誤；根據萬有引力提供向心力，分別有G＝mnr，G＝m月r，聯立可得＝n3，故D正確。
9．木星的衛星之一叫艾奧，它上面的珞珈火山噴出的巖塊初速度為18 m/s時，上升高度可達90 m。已知艾奧的半徑為R＝1 800 km，引力常量G＝6.67×10－11 N·m2/kg2，忽略艾奧的自轉及巖塊運動過程中受到稀薄氣體的阻力，求：
(1)艾奧的質量；
(2)艾奧的第一宇宙速度。
解析：(1)巖塊做豎直上拋運動有：－v02＝－2gh
代入數據解得：g＝1.8 m/s2
忽略艾奧的自轉，則有：G＝mg
代入數據解得：M＝8.7×1022 kg。
(2)某衛星在艾奧表面繞其做圓周運動時G＝m，解得：v＝
代入數據解得：v＝1.8×103 m/s。
答案：：(1)8.7×1022 kg　(2)1.8×103 m/s
組—重應用·體現創新
10．(2024·河北高考)(多選)2024年3月20日，鵲橋二號中繼星成功發射升空，為嫦娥六號在月球背面的探月任務提供地月間中繼通信。鵲橋二號采用周期為24 h的環月橢圓凍結軌道(如圖)，近月點A距月心約為2.0×103 km，遠月點B距月心約為1.8×104 km，CD為橢圓軌道的短軸，下列說法正確的是(　　)
A．鵲橋二號從C經B到D的運動時間為12 h
B．鵲橋二號在A、B兩點的加速度大小之比約為81∶1
C．鵲橋二號在C、D兩點的速度方向垂直于其與月心的連線
D．鵲橋二號在地球表面附近的發射速度大于7.9 km/s 且小于11.2 km/s
解析：選BD　鵲橋二號圍繞月球做橢圓運動，根據開普勒第二定律可知，從A→C→B做減速運動，從B→D→A做加速運動，則從C→B→D的運動時間大于半個周期，即大于12 h，故A錯誤；鵲橋二號在A點根據牛頓第二定律有G＝maA，同理在B點有G＝maB，代入題中數據聯立解得aA∶aB＝81∶1，故B正確；由于鵲橋二號做曲線運動，則可知鵲橋二號速度方向應為軌道的切線方向，則可知鵲橋二號在C、D兩點的速度方向不可能垂直于其與月心的連線，故C錯誤；由于鵲橋二號環繞月球運動，而月球為地球的“衛星”，則鵲橋二號未脫離地球的束縛，故鵲橋二號的發射速度應大于地球的第一宇宙速度7.9 km/s，小于地球的第二宇宙速度11.2 km/s，故D正確。
11．(2024·濟南高一檢測)如圖所示是一人造地球衛星軌道示意圖，其中圓軌道a、c、d的圓心均與地心重合，a與赤道平面重合，b與某一緯線圈共面，c經過地球兩極正上空。下列說法正確的是(　　)
A．a、b、c、d都有可能是衛星的軌道
B．軌道a上衛星的線速度大于7.9 km/s
C．軌道c上衛星的運行周期可能與地球自轉周期相同
D．僅根據軌道d上衛星的軌道半徑、角速度和引力常量，不能求出地球質量
解析：選C　衛星繞地球做勻速圓周運動，地球對衛星的引力提供向心力，可知地心為衛星的圓軌道圓心，故b不可能是衛星的軌道，A錯誤；第一宇宙速度7.9 km/s是衛星繞地球做勻速圓周運動的最大線速度，故軌道a上衛星的線速度小于7.9 km/s，B錯誤；如果軌道c的半徑等于地球同步衛星的軌道半徑，則軌道c上的衛星是地球的同步衛星，即軌道c上的衛星運行周期等于地球自轉周期，C正確；根據萬有引力提供物體運動所需的向心力，有＝mω2r，可得M＝，根據軌道d上衛星的軌道半徑、角速度和引力常量，可以求出地球質量，D錯誤。
12.如圖所示，A是地球靜止軌道衛星，另一個衛星B的圓軌道位于赤道平面內，距離地面高度為h。已知地球半徑為R，地球自轉角速度為ω0，地球表面的重力加速度為g，O為地球中心。
(1)衛星B的運行周期是多少？
(2)如果衛星B的繞行方向與地球自轉方向相同，某時刻A、B兩衛星相距最近(O、B、A在同一直線上)，求至少再經過多長時間，它們再一次相距最近？
解析：(1)由萬有引力定律和向心力公式得
G＝m(R＋h)①
G＝mg②
聯立①②解得TB＝2π。③
(2)由題意得(ωB－ω0)t＝2π④
由③得ωB＝⑤
代入④得t＝。
答案：(1)2π　(2)
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