高中物理6.5宇宙航行导学案新人教版必修2(1)

§ 6.5宇宙航行

学习目标

1. 了解卫星的发射运行等情况 .了解飞船飞入太空的情况.

2. 知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度• 3•激情投入、交流、讨论，知道三个宇宙速度的含义

，会推导第一宇宙速度

学习重点：知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度 学习难点：推导第一宇宙速度 预习案

1 •第一宇宙速度的推导

方法一：设地球质量为 M 半径为R,绕地球做匀速圆周运动的飞行器的质量为

m 飞行器的速度(第

一宇宙速度)为 V 。，飞行器运动所需的向心力是由万有引力提供的，近地卫星在“地面附近”飞行，可以

用地球半径R 代表卫星到地心的距离，所以 ，；，由此解出v

方法二：物体在地球表面受到的引力可以近似认为等于重力，所以

关于第一宇宙速度有三种说法：第一宇宙速度是发射人造地球卫星所必须达到的最小速度，是近地卫 星的环绕速度，是地球卫星的最大运行速度。

另外第一宇宙速度是卫星相对于地心的线速度。地面上发射卫星时的发射速度，是卫星获得的相对地 面的速度与地球自转速度的合速度。所以赤道上自西向东发射卫星可以节省一定的能量。

2•第二宇宙速度，是飞行器克服地球的引力，离开地球束缚的速度，是在地球上发射绕太阳运行或飞 到其他行星上去的飞行器的最小发射速度。其值为：

________ 。第三

厂、

宇宙速度，是在地面附近发射一个物体，使它挣脱太阳引力的束缚， • .「■

飞到太阳系外，必须达到的速度。其值是 _____________ 。

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3 •人造地球卫星

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(1)人造地球卫星的轨道和运行速度

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卫星地球做匀速圆周运动时，是地球的引力提供向心力，卫星受 「一「CM

到地球的引力方向指向地心，而做圆周运动的向心力方向始终指向圆 =

_

/

心，所以卫星圆周运动的圆心和地球的地心重合。这样就存在三类人 ……)

造地球卫星轨道：①赤道轨道，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于

'

赤道上方；②极地轨道，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空；③一般轨道，卫星轨道和赤 道成一定角度。

对于卫星的速度要区分发射速度和运行速度，发射速度是指将卫星发射到空中的过程中，在地面上卫 星必需获得的速度，等于第一宇宙速度，卫星能在地面附近绕地球做匀速圆周运动，大于第一宇宙速度而 小于第二宇宙速度时，卫星做以地球为焦点的椭圆轨道运动。运行速度是指卫星在正常轨道上运动时的速

卫星的运行速度越小。实际上卫星从发射到正常运行中间经历了一个调整、变轨的复杂过程。

4•同步卫星，是指相对于地面静止的卫星。同步卫星必定位于赤道轨道，周期等于地球自转周期。知 道了同步卫星的周期，就可以根据万有引力定律、牛顿第二定律和圆周运动向心加速度知识，计算同步卫 星的高度、速度等有关数据。

'■，解得v =

度，如果卫星做圆周运动，根据万有引力提供向心力 ————

』

<

―得 y r ,可见，轨道半径越大,

5.人造地球卫星内的物体也受到地球的引力，卫星内物体受到地球的引力正好提供物体做圆周运动的 向心力，物体处于完全失重状态。

探究案：

探究一：人造地球卫星的应用主要有哪些？ 返回式遥感卫星、通信卫星、气象卫星

探究二：什么是黑洞？

如果星球的密度很大，它的质量很大而半径又很小，它表面的逃逸速度很大，连光都不能逃逸，那么 即使它确实在发光，光也不能进入太空，我们就看不到它。这种天体称为黑洞。

探究三：用万有引力定律处理天体问题的主要解题思路？

解题思路：用万有引力定律处理天体问题，主要有两条解题思路： （1）在地面附近把万有引力看成等于 物体受的重力，即F 引=mg ，主要用于计算涉及重力加速度的问题；

（2）把天体的运动看成是匀速圆周运 动，且

F 引二F 向心，主要用于计算天体质量、密度以及讨论卫星的速度、角速度、周期随轨道的变化而变 化等问题。

能力训练案

例1:无人飞船“神舟二号”曾在离地面高度

H =3.4 X 105m 的圆轨道上运行了 47h ，求这段时间里它绕地

球多少周？（地球半径 R =6.37 X 106m 重力加速度g =9.8m/s 2）

解析：47h 内“神舟二号”绕地球运行多少周，也就是说

47h 有几个周期，本题关键是求“神舟二号”

的运行周期。可以根据万有引力提供向心力这个思路来求周期

T 。

设“神舟二号”的质量为

m 它在地面上的重力近似等于它受地球的万有引力，有

宀 Mm

4?F ” 小

G ---------- 寸-称—T

+

在空中运行时有

「二.

;

于二吨也摩①

解得： ' ■- =5474s=1.52h

47h 内绕地球运行的圈数

答：47h 内“神舟二号”绕地球运行的圈数为

31周。

拓展：本题主要综合应用万有引力定律，牛顿第二定律, 物体在地球表面的重力近似看作物体受到的万有引力，由

和向心力公式，求圆周运动周期。其中又将

mM

tng = Cr —厂

°

''得到代换式：」比一二”。向心加

1亦和纺F

速度的表达式

• 可根据具体问题选用。

6

例2:已知地球半径 F =6.4 X 10 m 地球质量M =6.0 24

2

10 kg ，地面附近的重力加速度 g =9.8m/s ，第一宇

鹉

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