2020-2021学年新教材物理人教版必修第二册教案：第7章4.宇宙航行

4．宇宙航行

学习目标：1.[科学思维]了解人造地球卫星的最初构想，会推导第一宇宙速度。 2.[科学思维]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。 3.[科学思维]了解发射速度与环绕速度的区别与联系，理解天体运动中的能量观。 4.[科学态度与责任]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。

阅读本节教材，回答第59页“问题”并梳理必要知识点。教材第59页“问题”提示：这个速度是7.9 km/s 。

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G mm 地r 2＝m v 2

r ，由此解出v ＝

Gm 地

r (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 ，算出v ＝

Gm 地

R ＝7.9 km/s ，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。

第一宇宙速度的其他三种叫法：最小发射速度、最大环绕速度、近地绕行速度。

当飞行器的速度等于或大于11.2 km/s 时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2 km/s 叫作第二宇宙速度。

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16.7 km/s ，这个速度叫作第三宇宙速度。

图解三个宇宙速度

1．同步卫星：地球同步卫星位于赤道上方高度约36 000 km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。

2．1957年10月，苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星。

1969年7月，美国“阿波罗11号”登上月球。

2003年10月15日，我国“神舟五号”把航天员杨利伟送入太空。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大。(×)

(2)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10 km/s。(×)

(3)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9 km/s。(√)

(4)同步卫星可以“静止”在北京的上空。(×)

2．中国计划于2020年发射火星探测器，探测器发射升空后首先绕太阳转动一段时间再调整轨道飞向火星。火星探测器的发射速度()

A．等于7.9 m/s

B．大于16.7 m/s

C．大于7.9 m/s且小于11.2 m/s

D．大于11.2 m/s 且小于16.7 m/s

D[第一宇宙速度为7.9 km/s，第二宇宙速度为11.2 km/s，第三宇宙速度为16.7 km/s，由题意可知：火星探测器的发射速度大于11.2 km/s且小于16.7 km/s，故D正确。]

3．关于地球同步卫星的说法正确的是()

A．所有地球同步卫星一定在赤道上空

B．不同的地球同步卫星，离地高度不同

C．不同的地球同步卫星的向心加速度大小不相等

D．所有地球同步卫星受到的向心力大小一定相等

A[地球同步卫星一定位于赤道上方，周期一定，离地面高度一定，向心加速度大小一定，A正确，B、C错误；由于F＝G

Mm

r2，所以不同的卫星质量不同，其向心力也不同，D错误。]

宇宙速度的理解与计算(教师用书独具)教材第60页“思考与讨论”答案提示：正确，在地球表面的物体所受引力

GMm

R2＝mg，得GM＝gR

2，又mg＝m

v2

R得v＝gR。

发射卫星，要有足够大的速度才行。

(1)怎样求地球的第一宇宙速度？不同星球的第一宇宙速度是否相同？

(2)把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？

提示：(1)根据G

Mm

R2＝m

v2

R，得v＝

GM

R；可见第一宇宙速度由地球的质量和半径决定；不同星球的第一宇宙速度不同。

(2)轨道越高，需要的发射速度越大。

数值意义说明

第一宇

宙速度

(环绕速

度)

7.9 km/s

物体在地球附近

绕地球做匀速圆

周运动的速度

7.9 km/s是卫星在地面附近的最小发

射速度，也是卫星环绕地球做匀速圆

周运动的最大速度，在地面附近发射

速度7.9 km/s

椭圆轨道上绕地球运动

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 ，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/s 2，则

方法一：r ≈R ―――――→万有引力提供向心力G Mm

R

2＝m v 2R ―→v ＝

GM

R ≈7.9 km/s

方法二：万有引力近似

等于卫星重力―――――→卫星重力提供向心力mg ＝m v 2

R ―→v ＝gR ≈7.9 km/s

由第一宇宙速度的计算式v ＝

GM

R 可以看出，

第一宇宙速度的值由中心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量M 和半径R ，与卫星无关。

4．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对它的引力。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