學校臨清二中 學科物理
6.6 《宇宙航行》導學案
課前預習學案
一、預習目標：
預習人造衛(wèi)星的發(fā)射、第一宇宙速度的計算。
二、預習內(nèi)容
1、發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最初構想是什么？
2、第一宇宙速度的計算方法有幾種？
3、你對我國的航空航天知識了解多少？
課內(nèi)探究學案
一、學習目標
（1）知道人造地球衛(wèi)星的運行原理，會運用萬有引力定律和圓周運動公式分析解答有關衛(wèi)星運行的原因；
（2）掌握三個宇宙速度，會推導第一宇宙速度；
（3）簡單了解航天發(fā)展史。
（4）能用所學知識求解衛(wèi)星基本問題。
學習重難點：
（1）第一宇宙速度的推導；
（2）人造衛(wèi)星運轉(zhuǎn)的環(huán)行速度與衛(wèi)星發(fā)射速度的區(qū)別；
二、學習過程
1、拋物演示實驗：學生觀察落地點的變化，落地點為什么會變化？
2、牛頓的思考與設想：
3、問題的提出：人造衛(wèi)星為什么不掉下來，人造衛(wèi)星的線速度有多大。
三、方法步驟：
學生活動：分組討論，得出結論。
1、由于月球在繞地球沿近似圓周的軌道運轉(zhuǎn)，此時月球受到的地球的引力（即重力），用來充當繞地運轉(zhuǎn)的向心力，故而月球并不會落到地面上來。
2、由平拋物體的運動規(guī)律知：
x=v0t①
h= ②
聯(lián)立①、②可得： x=v0
即物體飛行的水平距離和初速度v0及豎直高度h有關，在豎直高度相同的情況下，水平距離的大小只與初速度v0有關，水平初速度越大，飛行的越遠。
3、當平拋的水平初速度足夠大時，物體飛行的距離也很大，由于地球是一圓球體，故物體將不能再落回地面，而成為一顆繞地球運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星。
學生活動：閱讀課文，找出相應答案。
1、衛(wèi)星繞地球運轉(zhuǎn)時做勻速圓周運動，此時的動力學方程是：G
2、向高軌道發(fā)射衛(wèi)星時，火箭須克服地球?qū)λ囊Χ龈嗟墓�，對火箭的要求更高一些，所以比較困難。
3、人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動時所必須具有的速度叫第一宇宙速度。
人造衛(wèi)星繞地球做橢圓軌道運動時所具有的最大運轉(zhuǎn)速度叫第二宇宙速度。
人造衛(wèi)星掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙中去時，所必須具有的速度叫第三宇宙速度。
［例題1］“2003年10月15日9時，我國神舟五號宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，把我國第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后，于10月16日6時23分安全降落在內(nèi)蒙古主著陸場�！备鶕�(jù)以上消息，近似地把飛船從發(fā)射到降落的全部運動看作繞地球的勻速圓周運動，試估算神舟五號繞地球飛行時距地面的高度（已知地球的質(zhì)量為M =6.0×1024Kg，地球的半徑 R =6.4×103Km）
(6700Km)
［例題2］金星的半徑是地球的0.95倍，質(zhì)量是地球的0.82倍，金星表面的自由落體加速度是多大？金星的第一宇宙速度是多大？
(8.9m/s2;7.34Km/s)
(四)當堂檢測
1、關于宇宙速度，下列說法正確的是（ ）
A.第一宇宙速度是能使人造地球衛(wèi)星飛行的最小發(fā)射速度
B.第一宇宙速度使人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度
C.第二宇宙速度使衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時的最大速度
D.第三宇宙速度時發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度
2、將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1（如圖所示），然后再次點火，將衛(wèi)星送入同步軌道3。軌道1、2相切于Q點，2、3相切于P點，則當衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運行時，以下說法正確的是：
A．衛(wèi)星在軌道3上的速率大于軌道1上的速率。
B．衛(wèi)星在軌道3上的角速度大于在軌道1上的角速度。
C．衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點時的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過Q點時的加速度。
D．衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過P點時的加速度。
五、課后練習與提高
1．利用下列哪組數(shù)據(jù)，可以計算出地球質(zhì)量：（ ）
A．已知地球半徑和地面重力加速度
B．已知衛(wèi)星繞地球作勻速圓周運動的軌道半徑和周期
C．已知月球繞地球作勻速圓周運動的周期和月球質(zhì)量
D．已知同步衛(wèi)星離地面高度和地球自轉(zhuǎn)周期
2．“探路者”號宇宙飛船在宇宙深處飛行過程中，發(fā)現(xiàn)A、B兩顆天體各有一顆靠近表面飛行的衛(wèi)星，并測得兩顆衛(wèi)星的周期相等，以下判斷錯誤的是
A．天體A、B表面的重力加速度與它們的半徑成正比
B．兩顆衛(wèi)星的線速度一定相等
C．天體A、B的質(zhì)量可能相等
D．天體A、B的密度一定相等
3．已知某天體的第一宇宙速度為8 km/s，則高度為該天體半徑的宇宙飛船的運行速度為
A．2 km/s B．4 km/s
C．4 km/s D．8 km/s
4．2002年12月30日凌晨，我國的“神舟”四號飛船在酒泉載人航天發(fā)射場發(fā)射升空，按預定計劃在太空飛行了6天零18個小時，環(huán)繞地球108圈后，在內(nèi)蒙古中部地區(qū)準確著陸，圓滿完成了空間科學和技術試驗任務，為最終實現(xiàn)載人飛行奠定了堅實基礎.若地球的質(zhì)量、半徑和引力常量G均已知，根據(jù)以上數(shù)據(jù)可估算出“神舟”四號飛船的
A.離地高度 B.環(huán)繞速度
C.發(fā)射速度 D.所受的向心力
5．（1998年全國卷）宇航員站在某一星球表面上的某高處，沿水平方向拋出一小球。經(jīng)過時間t，小球落到星球表面，測得拋出點與落地點之間的距離為L。若拋出時的初速度增大到2倍，則拋出點與落地點之間的距離為 L。已知兩落地點在同一水平面上，該星球的半徑為R，萬有引力常數(shù)為G。求該星球的質(zhì)量M。
6．（2004年全國理綜第23題，16分）在勇氣號火星探測器著陸的最后階段，著陸器降落到火星表面上，再經(jīng)過多次彈跳才停下來。假設著陸器第一次落到火星表面彈起后，到達最高點時高度為h，速度方向是水平的，速度大小為v0，求它第二次落到火星表面時速度的大小，計算時不計火星大氣阻力。已知火星的一個衛(wèi)星的圓軌道的半徑為r，周期為T�；鹦强梢暈榘霃綖閞0的均勻球體。
參考答案：
1．A B 2．B 3．C 4．AB
5．解析：設拋出點的高度為h，第一次平拋的水平射程為x，則有
x +y =L （1）
由平拋運動的規(guī)律得知，當初速度增大到2倍，其水平射程也增大到2x，可得
(2x) +h =( L) （2）
由以上兩式解得h= （3）
設該星球上的重力加速度為g，由平拋運動的規(guī)律得h= gt （4）
由萬有引力定律與牛頓第二定律得 （式中m為小球的質(zhì)量） （5）
聯(lián)立以上各式得： 。
點評：顯然，在本題的求解過程中，必須將自己置身于該星球上，其實最簡單的辦法是把地球當作該星球是很容易身臨其境的了。
6．以g＇表示火星表面附近的重力加速度，M表示火星的質(zhì)量，m表示火星的衛(wèi)星的質(zhì)量，m＇表示火星表面出某一物體的質(zhì)量，由萬有引力定律和牛頓第二定律，有
①
②
設v表示著陸器第二次落到火星表面時的速度，它的豎直分量為v1，水平分量仍為v0，有
③
④
由以上各式解得
⑤
閱讀資料
從1970年4月24日我國成功發(fā)射第一顆衛(wèi)星到2003年10月，我國已成功發(fā)射了近百顆國產(chǎn)衛(wèi)星、6艘飛船、27顆國外衛(wèi)星。
具體如下:
中國共發(fā)射了三代通信衛(wèi)星。第一代通信衛(wèi)星是1984年發(fā)射的2顆通信衛(wèi)星和1986年2月1日發(fā)射的東方紅二號實用型通信廣播衛(wèi)星。第二代通信衛(wèi)星是1988年3月7日、1988年12月22日、1990年2月4日和1991年11月28日發(fā)射的載有4臺C波段轉(zhuǎn)發(fā)器的東方紅二號甲通信衛(wèi)星。第三代通信衛(wèi)星是1997年5月12日發(fā)射的東方紅三號地球靜止軌道通信衛(wèi)星
中國共發(fā)射了三代通信衛(wèi)星。第一代通信衛(wèi)星是1984年發(fā)射的2顆通信衛(wèi)星和1986年2月1日發(fā)射的東方紅二號實用型通信廣播衛(wèi)星。第二代通信衛(wèi)星是1988年3月7日、1988年12月22日、1990年2月4日和1991年11月28日發(fā)射的載有4臺C波段轉(zhuǎn)發(fā)器的東方紅二號甲通信衛(wèi)星。第三代通信衛(wèi)星是1997年5月12日發(fā)射的東方紅三號地球靜止軌道通信衛(wèi)星
1.我國第一顆通信衛(wèi)星是1984年1月29日發(fā)射的，它取得了部分成功。這是一顆試驗通信衛(wèi)星
2.我國已經(jīng)發(fā)射風云氣象衛(wèi)星系列包括風云一號太陽同步軌道氣象衛(wèi)星和風云二號地球靜止軌道氣象衛(wèi)星兩大類。風云一號和風云二號分別進行過4次和3次發(fā)射，在我國天氣預報和氣象研究方面發(fā)揮了重要作用。
3.我國已經(jīng)發(fā)射的空間物理探測衛(wèi)星，主要是“實踐” 衛(wèi)星系列。1971年3月3日成功發(fā)射了實踐一號衛(wèi)星。1981年9月20日一箭三星成功發(fā)射了實踐二號、實踐二號A和實踐二號B。1994年2月8日成功發(fā)射了實踐四號衛(wèi)星。
4.我國的實踐科學探測衛(wèi)星共發(fā)射了八顆衛(wèi)星，分別是：1971年3月發(fā)射的實踐一號；1981年9月20日用一箭三星發(fā)射的實踐二號、實踐二號甲、實踐二號乙；1994年2月8日發(fā)射的實踐四號；1999年5月10日發(fā)射的實踐五號。2004年9月9日發(fā)射的實踐六號A星和B星
5.從1999年10月到2003年10月，我國共發(fā)射了3顆地球資源衛(wèi)星
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