2014-2015学年高中物理(人教版)必修二6-5 宇宙航行 经典力学的局限性 课后巩固提高

人教版高中物理必修二目录篇一：人教版高中物理必修二目录人教版高中物理必修二目录第五章曲线运动1.曲线运动曲线运动的位移曲线运动的速度运动描述的实例物体做曲线运动的条件2.平抛运动平抛运动的速度平抛运动的位移一般的抛体运动3.实验：研究平抛运动4.圆周运动线速度角速度角速度的单位线速度与角速度的关系5.向心加速度6.向心力向心力变速圆周运动和一般的曲线运动7.生活中的圆周运动铁路的弯道拱形桥航天器中的失重现象离心运动第六章万有引力与航天1.行星的运动2.太阳与行星间的引力太阳对行星的引力行星对太阳的引力太阳与行星间的引力3.万有引力定律月——地检验万有引力定律引力常量4.万有引力理论的成就“科学真是迷人”计算天体的质量发现未知天体5.宇宙航行宇宙速度梦想成真6.经典力学的局限性从低速到高速从宏观到微观从弱引力到强引力第七章机械能守恒定律1.追寻守恒量——能量2.功功正功和负功3.功率功率功率与速度4.重力势能重力做的功重力势能重力势能的相对性势能是系统所共有的5.探究弹性势能的表达式6.实验：探究功与速度变化的关系探究的思路操作与作图技巧数据的处理7.动能和动能定理动能的表达式动能定理8.机械能守恒定律动能与势能的相互转化机械能守恒定律9.实验：验证机械能守恒定律实验方法要注意的问题速度的测量10.能量守恒定律与能源能量守恒定律能量和能量耗散篇二：高中物理必修一和二目录篇三：人教版高中物理书目录(全)人教版高中物理必修一目录第一章运动的描述 1. 质点参考系和坐标系物体与质点参考系坐标系2. 时间和位移时刻和时间间隔路程和位移矢量和标量 3. 运动快慢的描述——速度坐标与坐标的变化量速度平均速度和瞬时速度 4. 实验：用打点计时器测速度电磁打点计时器电火花计时器练习使用打点计时器用打点计时器测量瞬时速度用图像表示速度5. 速度变化快慢的描述——加速度加速度加速度方向与速度方向的关系第二章匀变速直线运动的探究1.实验：探究小车速度随时间变化的规律进行实验处理数据做出速度——时间图象2.匀变速直线运动的速度与时间的关系匀变速直线运动速度与时间的关系式3.匀变速直线运动的位移与时间的关系匀速直线运动的位移匀变速直线运动的位移用图象表示位移4.匀变速直线运动的速度与位移之间的关系5.自由落体运动自由落体运动自由落体加速度6.伽利略对自由落体运动的研究绵延两千多年的错误逻辑的力量猜想与假设实验验证第三章相互作用 1.重力基本相互作用力和力的图示重力四种基本相互作用2.弹力弹性形变和弹力几种弹力3.摩擦力静摩擦力滑动摩擦力4.力的合成力的合成共点力5.力的分解力的分解矢量相加的法则第四章牛顿运动定律 1.牛顿第一定律理想实验的魅力牛顿物理学的基石——惯性定律惯性与质量 2.实验：探究加速度与力、质量的关系加速度与力的关系加速度与质量的关系制定实验方案时的两个问题怎样由实验结果得出结论3.牛顿第二定律牛顿第二定律力的单位4.力学单位制5.牛顿第三定律作用力与反作用力牛顿第三定律物体的受力分析6.用牛顿运动定律解决问题（一）从受力确定运动情况从运动情况确定受力7.用牛顿运动定律解决问题（二）共点力的平衡条件超重和失重从动力学看自由落体人教版高中物理必修二目录第五章曲线运动 1.曲线运动曲线运动的位移曲线运动的速度运动描述的实例物体做曲线运动的条件2.平抛运动平抛运动的速度平抛运动的位移一般的抛体运动3.实验：研究平抛运动4.圆周运动线速度角速度角速度的单位线速度与角速度的关系5.向心加速度6.向心力向心力变速圆周运动和一般的曲线运动7.生活中的圆周运动铁路的弯道拱形桥航天器中的失重现象离心运动第六章万有引力与航天1.行星的运动2.太阳与行星间的引力太阳对行星的引力行星对太阳的引力太阳与行星间的引力3.万有引力定律月——地检验万有引力定律引力常量4.万有引力理论的成就“科学真是迷人”计算天体的质量发现未知天体5.宇宙航行宇宙速度梦想成真6.经典力学的局限性从低速到高速从宏观到微观从弱引力到强引力第七章机械能守恒定律1.追寻守恒量——能量2.功功正功和负功3.功率功率功率与速度 4.重力势能重力做的功重力势能重力势能的相对性势能是系统所共有的5.探究弹性势能的表达式6.实验：探究功与速度变化的关系探究的思路操作与作图技巧数据的处理7.动能和动能定理动能的表达式动能定理8.机械能守恒定律动能与势能的相互转化机械能守恒定律9.实验：验证机械能守恒定律实验方法要注意的问题速度的测量10.能量守恒定律与能源能量守恒定律。

人教版高中物理必修2第6章第5节宇宙航行【知识与技能】（1）了解人造卫星的有关知识；（2）知道三个宇宙速度的含义，会推导笫一宇宙速度。

【过程与方法】通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力。

【情感态度与价值观】（1）通过介绍我国在卫星发射方面的情况.激发学生的爱国热情；（2）感知人类探索宇宙的梦想.促使学生树立献身科学的人生价值观。

【教学重难点】（1）第一宇宙速度的推导。

（2）运行速率、角速度、周期和向心加与轨道半径之间的关系。

【教学过程】★重难点一、人造地球卫星★1.牛顿的设想如图所示，当物体的初速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落冋地球表面，成为一颗绕地球转动的人造地球卫星。

2.原理一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，向心力由地球对它的万有引力提供，即GMm _ mv_则卫星在轨道上运行的线速度尸寸竿★重难点二、宇宙速度*一、对第一宇宙速度的理解1.第一宇宙速度第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的速度，即近地卫星的环绕速度。

2.决定因素由第一宇宙速度的汁算式尸寸伴可以看出，第一宇宙速度的值由屮心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量M和半径与卫星无关。

3.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，近地卫星的轨道半径最小，由晋=応可得尸字轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。

二、人造地球卫星1.卫星的轨道⑴卫星绕地球运动的轨道对以是椭圆轨道，也对以是圆轨道。

(2)卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心是椭圆的一个焦点，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。

课题：§6.5 宇宙航行
一、教材分析
《宇宙航行》为人教版必修2第六章第五节。

本节介绍了人造卫星的发射原理，推导了地球第一宇宙速度,并介绍了第二、第三宇宙速度以及人类探索太空的历程。

人造卫星是万有引力定律在航天领域方面的应用，通过本节的学习学生可以初步了解航天知识。

通过梳理我国在航天领域取得的成就以激发学生探索太空的兴趣，促进学生增强民族自信心和自豪感。

二、教学目标
1.知识与技能：
（1）了解人造卫星的有关知识
（2）知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度
（3）了解人类探索太空的历程
2.过程与方法：
（1）体验建模的过程与方法
（2）学习科学的思维方法
3.情感态度与价值观：
通过梳理我国在航天领域取得的成就以激发学生探索太空的兴趣，促进学生增强民族自信心和自豪感
三、教学重点
第一宇宙速度的概念及其推导
四、教学难点
对第一宇宙速度的理解
五、教学方法
通过讲解与探究相结合的方法组织教学
六、教具
摆球、课件
七、教学过程
八、布置作业
上网查找学习航天方面的知识。

6．5 《宇宙航行》6．6 《经典力学的局限性》导学案【学习目标】1．了解人造地球卫星的最初构想；2．会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题；3．知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度4．了解经典力学的局限性【重点难点】第一宇宙速度的推导和对第一宇宙速度的确切理解【学法指导】认真阅读教材，第一宇宙速度的概念，理解三个宇宙速度的示意图.【知识链接】将天体(行星或卫星）的运动简化为匀速圆周运动，天体所需的向心力由万有引力提供，则天体的绕行速度、角速度、周期、向心加速度与半径的关系总结如下：（1）由22GMm vmr r=得，=v_______，可见，轨道半径r越大，v________；（2）由_________=__________得，=ω______，可见，r越大，ω________；(3）由_________=___________得，T=_________，可见，r越大，T______；（4）由_________=ma得，a=________,可见，r越大，a________。

【学习过程】一、宇宙速度阅读教材44页.体会牛顿对人造地球卫星的最初构想。

1．第一宇宙速度。

第一宇宙速度是卫星在___________附近做________圆周运动时必须具有的线速度.思考2：根据“知识链接”， 第一宇宙速度是所有沿圆轨道运行的卫星中_______的线速度。

思考3：理解第一宇宙速度,需要强调哪两个要点？________________________________ 卫星所受的向心力由万有引力提供，即R v m RMm G 212=，得v 1=___________，又星球表面万有引力约等于重力，即mg RMm G =2,故v 1=_________。

思考4:计算地球的第一宇宙速度。

R=6．37×106m ，地面g=9．8m/s 2,v 1=_________. 思考5：神舟号飞船距离地面的高度约为340km ，根据上面的讨论，你能否得出神舟号飞船的线速度？(7．7km/s ）解：2．第二宇宙速度第二宇宙速度，是指在星球______附近发射飞行器，使其克服该星球的引力永远离开该星球所需的最小速度，也是能绕该星球做椭圆运动的卫星在近地点的最大速度.地球的第二宇宙速度v Ⅱ=11．2km/s 。

第5节 宇宙航行第6节 经典力学的局限性1.会推导第一宇宙速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度．2.了解人造卫星的有关知识，知道近地卫星、同步卫星的特点．3．了解经典力学的发展历程和伟大成就，知道经典力学与相对论、量子力学的关系．一、宇宙速度1．人造地球卫星的发射原理(1)牛顿的设想：在高山上水平抛出一个物体，当初速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕地球转动的人造地球卫星．(2)原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，向心力由地球对它的万有引力提供，即G Mm r 2＝m v 2r，则卫星在轨道上运行的线速度v ＝ GM r. 2．宇宙速度(1)第一宇宙速度v Ⅰ：卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，v Ⅰ＝7.9 km/s. (2)第二宇宙速度v Ⅱ：使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度，v Ⅱ＝11.2 km/s. (3)第三宇宙速度v Ⅲ：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度，v Ⅲ＝16.7 km/s.1．(1)在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9 km/s.( )(2)在地面上发射火星探测器的速度应为11.2 km/s<v <16.7 km/s.( )(3)要发射离开太阳系进入银河系的探测器，所需发射速度至少为16.7 km/s.( )(4)要发射一颗月球卫星，在地面的发射速度应大于16.7 km/s.( )提示：(1)√ (2)√ (3)√ (4)×二、从低速到高速、从宏观到微观、从弱引力到强引力1．经典力学：经典力学的基础是牛顿运动定律．牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大的成就． 2．从低速到高速(1)狭义相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵从的规律．(2)经典力学认为，物体的质量m 不随运动状态改变，长度和时间的测量与参考系无关．(3)狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而增大．位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的．3．从宏观到微观：电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而量子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律．4．从弱引力到强引力：1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论．在强引力的情况下，牛顿的引力理论不再适用．5．经典力学与近代物理学的关系：当物体的运动速度远小于光速c (3×108 m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别．当“普朗克常量h (6.63×10－34 J ·s)”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别．2．(1)第三宇宙速度在相对论中属于高速．( )(2)质量是物体的固有属性，任何时候都不会变．( )(3)对于高速运动的物体，它的质量随速度的增大而变大．( )(4)万有引力定律对强相互作用也适用．( )提示：(1)× (2)× (3)√ (4)×知识点一 第一宇宙速度的计算第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，也是近地圆轨道上卫星的运行速度．计算第一宇宙速度有两种方法：(1)由G Mm R 2＝m v 2R得：v ＝ GM R； (2)由mg ＝m v 2R得：v ＝gR .(2014·高考江苏卷)已知地球的质量约为火星质量的10倍，地球的半径约为火星半径的2倍，则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为( )A ．3.5 km/sB ．5.0 km/sC ．17.7 km/sD ．35.2 km/s [解析] 由G Mm r 2＝m v 2r 得，对于地球表面附近的航天器有：G Mm r 2＝m v 21r，对于火星表面附近的航天器有：GM ′m r ′2＝m v 22r ′，由题意知M ′＝110M 、r ′＝r 2，且v 1＝7.9 km/s ，联立以上各式得v 2≈3.5 km/s ，选项A 正确．[答案] A推导地球上第一宇宙速度的方法也可以推广运用到其他星球上去．即知道了某个星球的质量M 和半径R ，或该星球的半径R 及星球表面的重力加速度g ，可以用同样的方法，求得该星球上的第一宇宙速度．恒星演化发展到一定阶段，可能成为恒星世界的“侏儒”——中子星．中子星的半径较小，一般在7～20 km ，但它的密度大得惊人．若某中子星的半径为10 km ，密度为1.2×1017 kg/m 3，那么该中子星上的第一宇宙速度约为( )A ．7.9 km/sB ．16.7 km/sC ．2.9×104 km/sD ．5.8×104 km/s解析：选D.中子星上的第一宇宙速度即为它表面处的飞行器的环绕速度．飞行器的轨道半径近似认为是该中子星的半径，且中子星对飞行器的万有引力充当向心力，由G Mm r 2＝m v 2r ，得v ＝ GM r ，又M ＝ρV ＝ρ4πr 33，得v ＝r 4πG ρ3＝1×104× 4×3.14×6.67×10－11×1.2×10173m/s ≈5.8×107 m/s ＝5.8×104 km/s. 知识点二 人造地球卫星1．卫星轨道：卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道．卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心位于椭圆的一个焦点上，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律．卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以，地心必须是卫星圆轨道的圆心．卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，也可以和赤道平面垂直，还可以和赤道平面成任意角度，如图所示．2．人造地球卫星的线速度v 、角速度ω、周期T 、加速度a 与轨道半径r 的关系如下：加速度越小．3．地球同步卫星：同步卫星是指相对于地面静止的卫星，又叫通讯卫星，其特点如下：(1)同步卫星的运行方向和地球自转方向一致；(2)同步卫星的运转周期和地球自转周期相同，即T ＝24 h ；(3)同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度；(4)所有的同步卫星都在赤道的正上方，因为要与地球同步，同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合；(5)同步卫星的高度固定不变，由G Mm （R ＋h ）2＝m 4π2T 2(R ＋h )，mg ＝G Mm R 2，得离地高度h ＝3.6×104 km.卫星的运行规律“北斗”卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星(同步卫星)、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成．地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行，它们距地面的高度分别约为地球半径的6倍和3.4倍．下列说法正确的是( )A ．静止轨道卫星的周期约为中轨道卫星的2倍B ．静止轨道卫星的线速度大小约为中轨道卫星的2倍C ．静止轨道卫星的角速度大小约为中轨道卫星的17D ．静止轨道卫星的向心加速度大小约为中轨道卫星的17[思路点拨] 对两卫星，结合万有引力定律和牛顿第二定律导出周期、线速度、角速度、向心加速度的决定式，进行比较．[解析] 根据G Mm r 2＝m 4π2T2r ，可得T ＝2πr 3GM ，代入数据，A 正确；根据G Mm r 2＝m v 2r ，可得v ＝GM r ，代入数据，B 错误；根据G Mm r2＝mω2r ，可得ω＝GM r 3，代入数据，C 错误；根据G Mm r 2＝ma ，可得a ＝GM r2，代入数据，D 错误． [答案] A(1)地球卫星的a 、v 、ω、T 由地球的质量M 和卫星的轨道半径r 决定，当r 确定后，卫星的a 、v 、ω、T 便确定了，与卫星的质量、形状等因素无关，俗称“一(r )定四(a 、v 、ω、T )定”．(2)在处理卫星的v 、ω、T 与半径r 的关系问题时，常用公式“gR 2＝GM ”来替换出地球的质量M 会使问题解决起来更方便．地球同步卫星(2014·高考天津卷)研究表明，地球自转在逐渐变慢，3亿年前地球自转的周期约为22小时．假设这种趋势会持续下去，地球的其他条件都不变，未来人类发射的地球同步卫星与现在的相比( )A ．距地面的高度变大B ．向心加速度变大C ．线速度变大D ．角速度变大[解析] 地球的自转周期变大，则地球同步卫星的公转周期变大．由GMm（R ＋h ）2＝m 4π2T 2(R ＋h )，得h ＝3GMT 24π2－R ，T 变大，h 变大，A 正确．由GMm r 2＝ma ，得a ＝GM r 2，r 增大，a 减小，B 错误．由GMm r 2＝m v 2r，得v ＝GM r ，r 增大，v 减小，C 错误．由ω＝2πT可知，角速度减小，D 错误．[答案] A比较卫星运行参数的方法，利用结论“一定四定，越高越慢”判断.知识点三 两类典型问题1．卫星中的超、失重现象(1)在卫星发射和回收过程中，具有向上的加速度，因此卫星中的物体处于超重状态(注意不是与物体在地面时所受重力相比)．(2)卫星进入轨道后，不论是圆周运动还是椭圆运动，卫星中的物体对其他物体不再有挤压或牵拉作用，处于完全失重状态，卫星中的仪器，凡是使用原理与重力有关的均不能使用．2．卫星的发射速度与绕行速度(1)发射速度是指将人造卫星送入预定轨道运行所必须具有的速度．要发射一颗人造卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度．因此，第一宇宙速度又是最小的发射速度．卫星离地面越高，卫星的发射速度越大，贴近地球表面的卫星(近地卫星)的发射速度最小，其运行速度即第一宇宙速度．(2)绕行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度．根据v＝GM r可知，卫星越高，半径越大，卫星的绕行速度(环绕速度)就越小．卫星中的超、失重现象(多选)关于人造地球卫星及其中物体的超重、失重问题，下列说法中正确的是()A．在发射过程中向上加速时，产生超重现象B．在降落过程中向下减速时，产生超重现象C．进入轨道做匀速圆周运动时，产生失重现象D．失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的[解析]超重、失重是从重力和弹力的大小关系而定义的，当向上加速时超重，向下减速时(加速度方向向上)也超重，故选项A、B正确；卫星做匀速圆周运动时，万有引力(或重力)完全提供向心力，使卫星及卫星内的物体产生向心加速度，并处于完全失重状态，故选项C正确，选项D错误．[答案]ABC卫星的发射速度和绕行速度(2016·莆田高一检测)航天员王亚平在“神舟十号”飞船中进行了首次太空授课．下列关于飞船发射和在圆轨道上运行时的说法中，正确的是()A．飞船的发射速度和运行速度都等于7.9 km/sB．飞船的发射速度大于7.9 km/s，运行速度小于7.9 km/sC．飞船比同步卫星的发射速度和运行速度都大D．王亚平空中授课中的水球实验是在发射过程进行的[解析]由于飞船的轨道半径r>R(地球半径)，则发射速度大于7.9 km/s，运行速度小于7.9 km/s，故A错、B对．飞船的轨道半径比同步卫星的小，故飞船的发射速度小，运行速度大，C错．水球实验只能在完全失重状态下完成，D错．[答案] B同步卫星、近地卫星、赤道上的物体的比较(1)相同点①都以地心为圆心做匀速圆周运动．②同步卫星与赤道上的物体具有相同的周期和角速度．(2)不同点①同步卫星、近地卫星均由万有引力提供向心力；而赤道上的物体是万有引力的一个分力提供向心力．②三者的向心加速度各不相同．近地卫星的向心加速度a ＝GM R 2，同步卫星的向心加速度可用a ＝GM r 2或a ＝rω2求解，而赤道上物体的向心加速度只可用a ＝Rω2求解． ③三者的线速度大小也各不相同．近地卫星v ＝GM R ＝gR ，同步卫星v ＝GM r＝r ·ω，而赤道上的物体v ＝R ·ω.典型问题——卫星变轨问题卫星在运动中的“变轨”有两种情况：离心运动和向心运动．当万有引力恰好提供卫星所需的向心力，即G Mm r 2＝m v 2r时，卫星做匀速圆周运动；当某时刻速度发生突变，所需的向心力也会发生突变，而突变瞬间万有引力不变．1．制动变轨：卫星的速率变小时，使得万有引力大于所需向心力，即G Mm r 2>m v 2r ，卫星做近心运动，轨道半径将变小．所以要使卫星的轨道半径变小，需开动反冲发动机使卫星做减速运动．2．加速变轨：卫星的速率变大时，使得万有引力小于所需向心力，即G Mm r 2<m v 2r，卫星做离心运动，轨道半径将变大．所以要使卫星的轨道半径变大，需开动反冲发动机使卫星做加速运动．(多选)2013年12月10日21时20分，“嫦娥三号”发动机成功点火，开始实施变轨控制，由距月面平均高度100 km 的环月轨道成功进入近月点高度15 km 、远月点高度100 km 的椭圆轨道．关于“嫦娥三号”，下列说法正确的是( )A ．“嫦娥三号”的发射速度大于7.9 km/sB ．“嫦娥三号”在环月轨道上的运行周期大于在椭圆轨道上的运行周期C ．“嫦娥三号”变轨前沿圆轨道运动的加速度大于变轨后通过椭圆轨道远月点时的加速度D ．“嫦娥三号”变轨前需要先点火加速[解析] 7.9 km/s 是人造卫星的最小发射速度，要想往月球发射人造卫星，发射速度必须大于7.9 km/s ，A 对；“嫦娥三号”距月面越近运行周期越小，B 对；飞船变轨前沿圆轨道运动时只有万有引力产生加速度，变轨后通过椭圆轨道远月点时也是只有万有引力产生加速度，所以两种情况下的加速度相等，C 错；“嫦娥三号”变轨前需要先点火减速，才能做近心运动，D 错．[答案] AB(多选)发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使卫星沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q 点，轨道2、3相切于P 点，如图所示，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法中正确的是( )A ．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率B ．卫星在轨道3上的角速度小于在轨道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 点时的加速度等于它在轨道3上经过P 点时的加速度解析：选BD.卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供，由G Mm r 2＝m v 2r ＝mω2r ，可得v ＝ GM r ，ω＝ GM r 3，则轨道半径越大，线速度与角速度越小，选项A 错误，B 正确；根据万有引力定律和牛顿第二定律，可得a ＝GM r2，此处r 为卫星到地心的距离，所以，在轨道1、2上卫星经过Q 点时的加速度相同，在轨道2、3上卫星经过P 点时的加速度也相同，故选项C 错误，D 正确．[随堂达标]1．下列说法中正确的是( )A ．经典力学适用于任何情况下的任何物体B ．狭义相对论否定了经典力学C ．量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D ．万有引力定律也适用于强相互作用力解析：选C.经典力学只适用于宏观、低速、弱引力的情况，故A 项是错误的；狭义相对论没有否定经典力学，在宏观低速情况下，相对论的结论与经典力学没有区别，故B 项是错误的；量子力学正确描述了微观粒子运动的规律性，故C 项是正确的；万有引力定律只适用于弱相互作用力，而对于强相互作用力是不适用的，故D 项是错误的．2．(多选)可以发射一颗这样的人造卫星，使其圆轨道( )A ．与地球表面上某一纬线(非赤道)是共面的同心圆B ．与地球表面上某一经线所决定的圆是共面的同心圆C ．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，且卫星相对地球表面是静止的D ．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，但卫星相对地球表面是运动的解析：选CD.人造卫星飞行时，由于地球对卫星的引力是它做圆周运动的向心力，而这个力的方向必定指向圆心，即指向地心，也就是说人造卫星所在轨道圆的圆心一定要和地球的中心重合，不可能是地轴上(除地心外)的某一点，故A 项错误；由于地球同时绕着地轴在自转，所以卫星的轨道平面也不可能和经线所决定的平面共面，所以B 项错误；相对地球表面静止的就是同步卫星，它必须在赤道线平面内，且距地面有确定的高度，这个高度约为36 000 km ，而低于或高于这个轨道的卫星也可以在赤道平面内运动．不过由于它们运动的周期和地球自转周期不同，就会相对于地面运动，C 、D 两项正确．3．(多选)用m 表示地球通信卫星(同步卫星)的质量，h 表示它离地面的高度，R 表示地球的半径，g 表示地球表面处的重力加速度，ω表示地球自转的角速度，则通信卫星所受万有引力的大小为( )A ．零B ．m R 2g （R ＋h ）2C ．m 3R 2g ω4D ．以上结果都不正确解析：选BC.地球表面的重力近似等于万有引力大小，即mg ＝G Mm R 2，当通信卫星在距离地面高h 处运行时，其万有引力大小F ＝m R 2g （R ＋h ）2，选项B 正确；另外，同步卫星与地球自转角速度相等，因此mω2(R ＋h )＝m R 2g （R ＋h ）2，所以R ＋h ＝3R 2g ω2.F ＝mω2(R ＋h )＝m3R 2g ω4，故选项C 也正确． 4．(多选)2012年6月18日，“神舟九号”飞船与“天宫一号”目标飞行器在离地面343 km 的近圆形轨道上成功进行了我国首次载人空间交会对接．对接轨道所处的空间存在极其稀薄的大气．下列说法正确的是( )A ．为实现对接，两者运行速度的大小都应介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间B ．如不加干预，在运行一段时间后，“天宫一号”的动能可能会增加C ．如不加干预，“天宫一号”的轨道高度将缓慢降低D ．航天员在“天宫一号”中处于失重状态，说明航天员不受地球引力作用解析：选BC.本题虽为天体运动问题，但题中特别指出存在稀薄大气，所以应从变轨角度入手．第一宇宙速度和第二宇宙速度为发射速度，天体运动的速度为环绕速度，均小于第一宇宙速度，选项A 错误；天体运动过程中由于大气阻力，速度减小，导致需要的向心力F n ＝m v 2r减小，做向心运动，向心运动过程中，轨道高度降低，且万有引力做正功，势能减小，动能增加，选项B 、C 正确(功和能下章讲到); 航天员在太空中受地球引力，地球引力全部提供航天员做圆周运动的向心力，选项D 错误．5．(选做题)(多选)已知地球质量为M ，半径为R ，自转周期为T ，地球同步卫星质量为m ，引力常量为G .有关同步卫星，下列表述正确的是( )A ．卫星距地面的高度为 3GMT 24π2B ．卫星的运行速度小于第一宇宙速度C ．卫星运行时受到的向心力大小为G Mm R2 D ．卫星运行的向心加速度小于地球表面的重力加速度解析：选BD.天体运动的基本原理为万有引力提供向心力，地球的引力使卫星绕地球做匀速圆周运动，即F 引＝F 向＝m v 2r ＝4π2mr T 2.当卫星在地表运行时，F 引＝GMm R 2＝mg (此时R 为地球半径)，设同步卫星离地面高度为h ，则F 引＝GMm （R ＋h ）2＝F 向＝ma 向<mg ，所以C 错误，D 正确．由GMm （R ＋h ）2＝m v 2R ＋h 得，v ＝GMR ＋h < GM R ，B 正确．由GMm （R ＋h ）2＝4π2m （R ＋h ）T 2，得R ＋h ＝3GMT 24π2，即h ＝3GMT 24π2－R ，A 错误． [课时作业]一、单项选择题1.如图所示，圆a 的圆心在地球自转的轴线上，圆b 、c 、d 的圆心均在地球的地心上，对绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星而言，下列说法错误的是( )A ．卫星的轨道可能为aB ．同步卫星的轨道只能为bC ．卫星的轨道可能为cD ．卫星的轨道可能为d解析：选A.卫星稳定运行时地球对它的引力全部用来充当向心力，故应选A.2．已知地球赤道上的物体随地球自转的线速度大小为v 1、向心加速度大小为a 1，近地卫星线速度大小为v 2、向心加速度大小为a 2，地球同步卫星线速度大小为v 3、向心加速度大小为a 3.设近地卫星距地面高度不计，同步卫星距地面高度约为地球半径的6倍，则以下结论正确的是( )A.v 2v 3＝61B.v 2v 3＝17C.a 1a 3＝17D.a 1a 3＝491解析：选C.地球赤道上的物体与地球同步卫星是相对静止的，有相同的角速度和周期，即ω1＝ω3，T 1＝T 3，比较速度用v ＝ωr ，比较加速度用a ＝ω2r ，同步卫星距地心距离约为地球半径的7倍，则C 正确；近地卫星与地球同步卫星都是卫星，都绕地球做圆周运动，向心力由万有引力提供，由公式a ＝GM r2可得加速度a 2：a 3＝49∶1；由公式v ＝ GM r可得速度v 2：v 3＝7∶1.3．地球赤道上有一物体随地球的自转而做圆周运动，所受的向心力为F 1，向心加速度为a 1，线速度为v 1，角速度为ω1；绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星(高度忽略)所受的向心力为F 2，向心加速度为a 2，线速度为v 2，角速度为ω2；地球同步卫星所受的向心力为F 3，向心加速度为a 3，线速度为v 3，角速度为ω3.地球表面重力加速度为g ，第一宇宙速度为v ，假设三者质量相等，则( )A ．F 1＝F 2>F 3B ．a 1＝a 2＝g >a 3C ．v 1＝v 2＝v >v 3D ．ω1＝ω3<ω2 解析：选D.赤道上物体随地球自转的向心力为万有引力与支持力的合力，近地卫星的向心力等于万有引力，同步卫星的向心力为同步卫星所在处的万有引力，故有F 1<F 2，F 2>F 3，加速度：a 1<a 2，a 2＝g ，a 3<a 2；线速度：v 1＝ω1R ，v 3＝ω3(R ＋h )，其中ω1＝ω3，因此v 1<v 3，而v 2>v 3；角速度ω＝v r，故有ω1＝ω3<ω2.4.(2015·高考山东卷)如图，拉格朗日点L 1位于地球和月球连线上，处在该点的物体在地球和月球引力的共同作用下，可与月球一起以相同的周期绕地球运动．据此，科学家设想在拉格朗日点L 1建立空间站，使其与月球同周期绕地球运动．以a 1、a 2分别表示该空间站和月球向心加速度的大小，a 3表示地球同步卫星向心加速度的大小．以下判断正确的是( )A ．a 2>a 3>a 1B ．a 2>a 1>a 3C ．a 3>a 1>a 2D ．a 3>a 2>a 1解析：选D.空间站和月球绕地球运动的周期相同，由a ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫2πT 2r 知，a 2>a 1；对地球同步卫星和月球，由万有引力定律和牛顿第二定律得G Mm r 2＝ma ，可知a 3>a 2，故选项D 正确． 5．星球上的物体脱离星球引力所需的最小速度称为第二宇宙速度．星球的第二宇宙速度v 2与第一宇宙速度v 1的关系是v 2＝2v 1.已知某星球的半径为r ，它表面的重力加速度为地球表面重力加速度g 的16.不计其他星球的影响，则该星球的第二宇宙速度为( ) A.grB. 16grC. 13grD.13gr 解析：选C.在星球表面附近，有m ·16g ＝m v 21r，所以该星球的第一宇宙速度v 1＝ 16gr .又v 2＝2v 1，得v 2＝13gr ，故选项C 正确． 6．宇宙飞船和空间站在同一轨道上运动，飞船为了追上轨道空间站完成对接，可采取的方法是( )A ．飞船加速直到追上空间站，完成对接B ．飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站完成对接C ．飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接D ．无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接解析：选B.由于宇宙飞船做圆周运动的向心力是地球对其施加的万有引力，由牛顿第二定律有GMm R 2＝m v 2R ，得v ＝ GM R.想追上同轨道上的空间站，直接加速会导致飞船轨道半径增大，由上式知飞船在一个新轨道上运行时速度比空间站的速度小，无法对接，故A 错．飞船若先减速，它的轨道半径减小，速度增大，故在低轨道上飞船可接近或超过空间站．当飞船运动到合适的位置后再加速，则其轨道半径增大，同时速度减小．当刚好运动到空间站所在轨道处时飞船的速度刚好等于空间站的速度，可完成对接．若飞船先加速到一个较高轨道，其速度小于空间站速度，此时空间站比飞船运动快，当二者相对运动一周后，使飞船减速，轨道半径减小又使飞船速度增大，仍可追上空间站，但这种方法易造成飞船与空间站碰撞，不是最好办法，且空间站追上飞船不合题意．综上所述，应选B.二、多项选择题7．地球“空间站”正在地球赤道平面内的圆周轨道上运行，其离地高度为同步卫星离地高度的十分之一，且运行方向与地球自转方向一致．关于该“空间站”的说法正确的有( )A ．运行的加速度一定等于其所在高度处的重力加速度B ．运行的速度等于同步卫星运行速度的10倍C ．站在地球赤道上的人观察到它向东运动D ．在“空间站”工作的宇航员因受力平衡而在其中悬浮或静止解析：选AC.空间站运行的加速度和所在位置的重力加速度均由其所受万有引力提供，故A 正确；由G Mm R 2＝m v 2R ⇒v ＝ GM R，运行速度与轨道半径的二次方根成反比，并非与离地高度的二次方根成反比，故B 错误；由G Mm R 2＝m ⎝ ⎛⎭⎪⎫2πT 2R ⇒T ＝2πR R GM ，所以空间站运行周期小于地球自转的周期，故C 正确；空间站宇航员所受万有引力完全提供向心力，处于完全失重状态，D 错误．8．据报道，我国数据中继卫星“天链一号01星”于2008年4月25日在西昌卫星发射中心发射升空，经过4次变轨控制后，于5月1日成功定点在东经77°赤道上空的同步轨道．关于成功定点后的“天链一号01星”，下列说法正确的是( )A ．运行速度大于7.9 km/sB ．离地面高度一定，相对地面静止C ．绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大D ．向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等解析：选BC.由题中描述知“天链一号01星”是地球同步卫星，所以它运行的速度小于7.9 km/s ，离地面高度一定，相对地面静止，故选项A 错误，选项B 正确．由于“天链一号01星”的周期(T 同＝1天)小于月球公转的周期(T 月＝27.3天)，由ω＝2πT知，卫星绕行。

●规律总结有关人造卫星的知识,根本问题就是抓住万有引力提供人造地球卫星做圆周运动的向心力这一基本力学关系,由此出发导出描述卫星做圆周运动的各物理量的关系式,应用时可根据实际情况选用适当的公式进行分析和计算:①F 万有=2r GMm =ma =r m v 2=mr ω2=mv ω=mr 22π4T②在地球表面,mg ≈2RGMm 1.对宇宙速度的理解①第一宇宙速度:人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径近似等于地球半径R ,其向心力为地球对卫星的万有引力,其向心加速度近似等于地面处的重力加速度.设地球质量为M ,根据万有引力定律和匀速圆周运动的规律可得: 2R GMm =R m v 2得v =R GM =624111037.61089.51067.6⨯⨯⨯⨯-m/s=7.9 km/s 或者由mg =R m v 2得v =gR =61037.68.9⨯⨯m/s=7.9 km/s.对于公式v =rGM ,指的是人造卫星在各自轨道上做匀速圆周运动的运行速度,其大小随轨道半径的增大而减小,但由于人造卫星发射过程中要克服地球引力做功,增大势能,所以将卫星发射到离地球越远的轨道上在地面上所需要的发射速度就越大.根据v 运行=r GM ,第一宇宙速度v 1=RGM 可知:由于r ≥R 地球,所以卫星的运行速度不可能大于第一宇宙速度,人造卫星的发射速度与运行速度的大小关系是:v 发射≥7.9 km/s ≥v 运行所以第一宇宙速度是最小发射速度,又是卫星最大环绕速度.②第二宇宙速度:在地面上(r =R )发射物体,使之能够脱离地球的引力作用,成为绕太阳运动的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度,称为第二宇宙速度,其大小为v 2=11.2 km/s.当11.2 km/s ＞v 2＞7.9 km/s 时,卫星绕地球旋转,其轨道是椭圆,地球位于一个焦点上.③第三宇宙速度:在地面上发射物体,使之最后能脱离太阳的引力范围,飞到太阳系以外的宇宙空间所必须的最小速度称为第三宇宙速度,其大小为v 3=16.7 km/s.当16.7 km/s ＞v ≥11.2 km/s 时,卫星脱离地球的束缚成为太阳系的一颗“小行星”.2.对卫星运动轨道的理解①卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆形轨道,卫星绕地球沿圆形轨道运动时,由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,而万有引力指向地心,所以,地心必然是卫星圆轨道的圆心,卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星),也可以和赤道平面垂直,还可以和赤道平面成任一角度.卫星绕地球沿椭圆轨道运行时,地心是椭圆的一个焦点,其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律,这类问题在中学物理中很少讨论.②不同星体上的宇宙速度是各不相同的,以上给出的速度值是地球上的宇宙速度值,其计算方法完全可以推广到其他任何天体.天体的质量越大,半径越小,其宇宙速度值就越大.3.对同步卫星的理解同步卫星指在赤道平面内,以和地球自转角速度相同的角速度绕地球运动的卫星.同步卫星又叫静止轨道卫星,有以下几个特点:①周期一定:同步卫星在赤道上空相对地球静止,它绕地球的运动与地球自转同步,它的运动周期就等于地球自转的周期,即T =24 h.②角速度一定:同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度,且卫星转动的方向与地球自转方向相同.③轨道一定:a.由于同步卫星绕地球的运动与地球的自转同步,这就决定了同步卫星的轨道平面应与赤道平面平行.又由于同步卫星绕地球运动的向心力是地球对卫星的万有引力,这就决定了同步卫星做圆周运动的圆心为地心,所以,同步卫星的轨道必在赤道平面内.b.由于所有同步卫星的周期都相同,由r =322π4GMT 可知,所有同步卫星的轨道半径相同,即同步卫星都在同一轨道上绕地球做匀速圆周运动,其轨道离地面的高度h =3222π4R gT -R =3.59×104 km.(地球半径R =6400 km,自转周期T =24 h=86400 s,地球表面重力加速度g =9.8 m/s 2)④环绕速度大小一定:所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的,都是 3.08 km/s,因为所有卫星的环绕速度等各物理量都是由轨道决定的.⑤向心加速度大小一定:所有同步卫星由于到地心距离相同,所以它们绕地球运动的向心加速度大小都相同,约为0.23 m/s 2.归根到底,同步卫星的以上特点,是由于同步卫星与地球相对静止这一特殊要求决定的.4.对人造卫星上的“超重”和“失重”问题的理解“超重”:卫星在进入轨道前的加速过程中或回收过程中,系统具有向上的加速度,卫星上的物体“超重”,这种情况与“升降机”中的物体超重相同.“失重”:卫星在进入轨道后,在正常运行过程中,系统具有向下的加速度且等于重力加速度g 轨,卫星上物体完全“失重”,因此在卫星上的仪器,凡是制造原理和重力有关的都不能正常使用.比如水银气压计、天平等,同理与重力有关的实验也将无法进行.但要注意,物体处于完全失重状态时,仍受重力作用,不能说物体不受重力.。

《宇宙航行》《宇宙航行》系新课程人教版必修2第七章第五节，重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度,并介绍了第二、第三宇宙速度。

人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材。

教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。

因此，本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。

另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感。

1．知识与技能：(1)了解人造卫星的有关知识，（2)知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度（3）会解决涉及人造地球卫星运动的简单问题（4）通过实例了解人类对太空的探索历程。

2．过程与方法：(1)通过航天事业的发展史，说明物理学的发展对于自然科学的促进作用(2)通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力3．情感态度与价值观：(1)通过对我国航天事业发展的了解，进行爱国主义教育(2)关心国内外航空事业的发展现状与趋势，有将科学技术服务于人类的意识。

1．教学重点：会推导第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度2．教学难点：人造地球卫星的轨道特点、运行特点及对同步卫星的理解多媒体课件(flash 8制作)、投影仪、计算机【新课引入】幻灯片展示图片）浩瀚的宇宙、闪烁的星空，一直牵引着人类无限的遐想。

遨游太空是炎黄子孙们很久以来的梦想。

在中国古代，流传着“嫦娥奔月”“玉兔捣药”，以及“鲲鹏展翅”“ 九天揽月”的传说。

炎黄子孙们用他们富有激情的超凡的想象力，简单地刻绘着炎黄飞天梦。

现在梦圆了，神舟五号成功飞天，让我们激动地告诉全世界：千年梦，今朝圆了！神舟六号安全返回，让我们自豪地告诉全世界：千年梦，今朝再圆！嫦娥一号顺利升空，让我们骄傲地告诉全世界：千年梦，今朝又圆！杨利伟飞向太空，翟志刚太空漫步，那是我们国人的骄傲和自豪，今天我们也来一次《宇宙航行》之旅，进一步探究宇宙的奥妙，同学们你们准备好了吗？课前预习：1.行星运动向心力的来源和关系式？2.v、w、T与轨道半径r的关系【新课教学】问题进一步深化问题1：小球从同一高度做平抛运动，随初速度的增大，轨迹将如何变化？问题2地球是个球体，如果抛出速度很大时，我们还能将地面看作平面吗？（不能）问题3如果速度继续一直增大，会出现什么情况呢？教师：牛顿曾说过：“没有大胆的猜测就不可能作出伟大的发现。