宇宙航行

【导学案参】
学校临清二中 学科物理
6.6 《宇宙航行》导学案
课前预习学案
一、预习目标：
预习人造卫星的发射、第一宇宙速度的计算。
二、预习内容
1、发射人造地球卫星的最初构想是什么？
2、第一宇宙速度的计算方法有几种？
3、你对我国的航空航天知识了解多少？
课内探究学案
一、学习目标
（1）知道人造地球卫星的运行原理，会运用万有引力定律和圆周运动公式分析解答有关卫星运行的原因；
（2）掌握三个宇宙速度，会推导第一宇宙速度；
（3）简单了解航天发展史。
（4）能用所学知识求解卫星基本问题。
学习重难点：
（1）第一宇宙速度的推导；
（2）人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别；
二、学习过程
1、抛物演示实验：学生观察落地点的变化，落地点为什么会变化？
2、牛顿的思考与设想：
3、问题的提出：人造卫星为什么不掉下来，人造卫星的线速度有多大。
三、方法步骤：
学生活动：分组讨论，得出结论。
1、由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转，此时月球受到的地球的引力（即重力），用来充当绕地运转的向心力，故而月球并不会落到地面上来。
2、由平抛物体的运动规律知：
x=v0t①
h= ②
联立①、②可得： x=v0
即物体飞行的水平距离和初速度v0及竖直高度h有关，在竖直高度相同的情况下，水平距离的大小只与初速度v0有关，水平初速度越大，飞行的越远。
3、当平抛的水平初速度足够大时，物体飞行的距离也很大，由于地球是一圆球体，故物体将不能再落回地面，而成为一颗绕地球运转的卫星。
学生活动：阅读课文，找出相应答案。
1、卫星绕地球运转时做匀速圆周运动，此时的动力学方程是：G
2、向高轨道发射卫星时，火箭须克服地球对它的引力而做更多的功，对火箭的要求更高一些，所以比较困难。
3、人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动时所必须具有的速度叫第一宇宙速度。
人造卫星绕地球做椭圆轨道运动时所具有的最大运转速度叫第二宇宙速度。
人造卫星挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙中去时，所必须具有的速度叫第三宇宙速度。
［例题1］“2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把我国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。”根据以上消息，近似地把飞船从发射到降落的全部运动看作绕地球的匀速圆周运动，试估算神舟五号绕地球飞行时距地面的高度（已知地球的质量为M =6.0×1024Kg，地球的半径 R =6.4×103Km）
(6700Km)
［例题2］金星的半径是地球的0.95倍，质量是地球的0.82倍，金星表面的自由落体加速度是多大？金星的第一宇宙速度是多大？
(8.9m/s2;7.34Km/s)
(四)当堂检测
1、关于宇宙速度，下列说法正确的是（ ）
A.第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的最小发射速度
B.第一宇宙速度使人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
C.第二宇宙速度使卫星在椭圆轨道上运行时的最大速度
D.第三宇宙速度时发射人造地球卫星的最小速度
2、将卫星发射至近地圆轨道1（如图所示），然后再次点火，将卫星送入同步轨道3。轨道1、2相切于Q点，2、3相切于P点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是：
A．卫星在轨道3上的速率大于轨道1上的速率。
B．卫星在轨道3上的角速度大于在轨道1上的角速度。
C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度。
D．卫星在轨道2上经过P点的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度。
五、课后练习与提高
1．利用下列哪组数据，可以计算出地球质量：（ ）
A．已知地球半径和地面重力加速度
B．已知卫星绕地球作匀速圆周运动的轨道半径和周期
C．已知月球绕地球作匀速圆周运动的周期和月球质量
D．已知同步卫星离地面高度和地球自转周期

2．“探路者”号宇宙飞船在宇宙深处飞行过程中，发现A、B两颗天体各有一颗靠近表面飞行的卫星，并测得两颗卫星的周期相等，以下判断错误的是
A．天体A、B表面的重力加速度与它们的半径成正比
B．两颗卫星的线速度一定相等
C．天体A、B的质量可能相等
D．天体A、B的密度一定相等
3．已知某天体的第一宇宙速度为8 km/s，则高度为该天体半径的宇宙飞船的运行速度为
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，我国的“神舟”四号飞船在酒泉载人航天发射场发射升空，按预定计划在太空飞行了6天零18个小时，环绕地球108圈后，在内蒙古中部地区准确着陆，圆满完成了空间科学和技术试验任务，为最终实现载人飞行奠定了坚实基础.若地球的质量、半径和引力常量G均已知，根据以上数据可估算出“神舟”四号飞船的
A.离地高度 B.环绕速度
C.发射速度 D.所受的向心力
5．（1998年全国卷）宇航员站在某一星球表面上的某高处，沿水平方向抛出一小球。经过时间t，小球落到星球表面，测得抛出点与落地点之间的距离为L。若抛出时的初速度增大到2倍，则抛出点与落地点之间的距离为 L。已知两落地点在同一水平面上，该星球的半径为R，万有引力常数为G。求该星球的质量M。
6．（2004年全国理综第23题，16分）在勇气号火星探测器着陆的最后阶段，着陆器降落到火星表面上，再经过多次弹跳才停下来。假设着陆器第一次落到火星表面弹起后，到达最高点时高度为h，速度方向是水平的，速度大小为v0，求它第二次落到火星表面时速度的大小，计算时不计火星大气阻力。已知火星的一个卫星的圆轨道的半径为r，周期为T。火星可视为半径为r0的均匀球体。

参考答案：
1．A B 2．B 3．C 4．AB
5．解析：设抛出点的高度为h，第一次平抛的水平射程为x，则有
x +y =L （1）
由平抛运动的规律得知，当初速度增大到2倍，其水平射程也增大到2x，可得
(2x) +h =( L) （2）
由以上两式解得h= （3）
设该星球上的重力加速度为g，由平抛运动的规律得h= gt （4）
由万有引力定律与牛顿第二定律得 （式中m为小球的质量） （5）
联立以上各式得： 。
点评：显然，在本题的求解过程中，必须将自己置身于该星球上，其实最简单的办法是把地球当作该星球是很容易身临其境的了。
6．以g＇表示火星表面附近的重力加速度，M表示火星的质量，m表示火星的卫星的质量，m＇表示火星表面出某一物体的质量，由万有引力定律和牛顿第二定律，有
①
②
设v表示着陆器第二次落到火星表面时的速度，它的竖直分量为v1，水平分量仍为v0，有
③
④
由以上各式解得
⑤

阅读资料
从1970年4月24日我国成功发射第一颗卫星到2003年10月，我国已成功发射了近百颗国产卫星、6艘飞船、27颗国外卫星。
具体如下:
中国共发射了三代通信卫星。第一代通信卫星是1984年发射的2颗通信卫星和1986年2月1日发射的东方红二号实用型通信广播卫星。第二代通信卫星是1988年3月7日、1988年12月22日、1990年2月4日和1991年11月28日发射的载有4台C波段转发器的东方红二号甲通信卫星。第三代通信卫星是1997年5月12日发射的东方红三号地球静止轨道通信卫星

中国共发射了三代通信卫星。第一代通信卫星是1984年发射的2颗通信卫星和1986年2月1日发射的东方红二号实用型通信广播卫星。第二代通信卫星是1988年3月7日、1988年12月22日、1990年2月4日和1991年11月28日发射的载有4台C波段转发器的东方红二号甲通信卫星。第三代通信卫星是1997年5月12日发射的东方红三号地球静止轨道通信卫星

1.我国第一颗通信卫星是1984年1月29日发射的，它取得了部分成功。这是一颗试验通信卫星
2.我国已经发射风云气象卫星系列包括风云一号太阳同步轨道气象卫星和风云二号地球静止轨道气象卫星两大类。风云一号和风云二号分别进行过4次和3次发射，在我国天气预报和气象研究方面发挥了重要作用。
3.我国已经发射的空间物理探测卫星，主要是“实践” 卫星系列。1971年3月3日成功发射了实践一号卫星。1981年9月20日一箭三星成功发射了实践二号、实践二号A和实践二号B。1994年2月8日成功发射了实践四号卫星。
4.我国的实践科学探测卫星共发射了八颗卫星，分别是：1971年3月发射的实践一号；1981年9月20日用一箭三星发射的实践二号、实践二号甲、实践二号乙；1994年2月8日发射的实践四号；1999年5月10日发射的实践五号。2004年9月9日发射的实践六号A星和B星
5.从1999年10月到2003年10月，我国共发射了3颗地球资源卫星

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