7.4 宇宙航行(解析版)

2020-2021学年人教版（2019）必修第二册7.4宇宙航行随堂检测（含解析）1.2020年7月23日12时41分，我国在海南文昌航天发射场，用长征五号遥四运载火箭将“天问一号”火星探测器发射升空，并成功送入预定轨道，迈出了我国自主开展行星探测的第一步。

假设火星和地球绕太阳公转的运动均可视为匀速圆周运动。

某一时刻，火星会运动到日地连线的延长线上，如图所示。

下列选项正确的是（）A.“天问一号”在发射过程中处于完全失重状态B.图示时刻发射“天问一号”，可以垂直地面发射直接飞向火星C.火星的公转周期大于地球的公转周期D.从图示时刻再经过半年的时间，太阳、地球、火星再次共线2.关于环绕地球运行的卫星，下列说法正确的是( )A.在同一轨道上运行的两颗质量相同的卫星，它们的动量相同B.在赤道上空运行的两颗同步卫星，它们的机械能可能不同C.若卫星运动的周期与地球自转周期相同，它就是同步卫星D.沿椭圆轨道运行的卫星，在轨道不同位置可能具有相同的速率3.2020年6月23日,北斗系统最后一颗组网卫星发射成功,标志着北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成.北斗系统由若干地球静止轨道卫星(同步卫星,轨道高度约为36000 km)、倾斜地球同步轨道卫星(轨道平面与赤道夹角为55°,轨道高度约为36000 km)和中圆地球轨道卫星(轨道高度约为21500 km)三种轨道卫星组成,则下列说法中正确的是( )A.地球静止轨道卫星与珠海市的距离恒定,绕地球运转周期为24 hB.倾斜地球同步轨道卫星绕地球运转的线速度大于7.9 km/sC.中圆轨道卫星绕地球运转的角速度大于地球静止轨道卫星的角速度D.倾斜地球同步轨道卫星绕地球运转的向心加速度的大小等于地球静止轨道卫星向心加速度的大小4.“嫦娥四号”在月球背面软着陆后进行巡视探测,创造了人类探月的历史.为了实现“嫦娥四号”与地面间的太空通信,我国于2018年5月发射了中继卫星“鹊桥”,它是运行于地月拉格朗日2L 点的通信卫星,2L 点位于地球和月球连线的延长线上.若某飞行器运行至2L 点,可以在几乎不消耗燃料的情况下与月球同步绕地球做匀速圆周运动,如图所示.已知地球的质量是月球的质量的k 倍,飞行器的质量远小于月球的质量,地球与月球中心距离是2L 点与月球中心距离的n 倍.下列说法正确的是( )A.飞行器的向心加速度大于月球的向心加速度B.飞行器的运行周期大于月球的运行周期C.飞行器所需的向心力由地球对其引力提供D.飞行器的速度小于月球的速度5.如图所示,发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨道1,然后点火,使其沿椭圆轨道2运行,最后再次点火,将卫星送入同步圆轨道3.轨道1、2相切于Q 点,轨道2、3相切于P 点,设卫星在轨道1和轨道3正常运行的速度和加速度分别为13v v 、和13a a 、,在轨道2经过P 点时的速度和加速度为2v 和2a ,且当卫星分别在轨道1、2、3上正常运行时周期分别为123T T T 、、,以下关系正确的是( )A.123v v v >>B.132v v v >>C.123a a a >>D.321T T T >>6.2019年1月3日,我国发射的“嫦娥四号”探测器在月球背面成功着陆.若已知月球的半径为R ,月球表面的重力加速度为g ,“嫦娥四号”绕月球做匀速圆周运动的轨道半径为月球半径的k 倍(1k >).则下列说法正确的是( )A.“嫦娥四号”绕月球运行的周期为2πB.C.“嫦娥四号”绕月球运行的加速度为2g k D.7.地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为1a ,地球的同步卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径为r ,向心加速度为2a .已知引力常量为G ,地球半径为R ,地球两极表面的重力加速度为g .下列说法正确的是( )A.地球质量21a R M G =B.地球质量22a r M G=C.12g a a <<D.加速度大小之比2122a r a R=8.2019年1月3日10时26分,由中国航天科技集团有限公司研制的嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面,并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图,揭开了古老月背的神秘面纱.若月球探测器绕月运行时的轨道是圆形的,且贴近月球表面,月球的质量约为地球质量的181,月球的半径约为地球半径的14,地球的第一宇宙速度约为7.9 km/s,则该月球探测器绕月运行的速率约为( ) A.1.8 km/sB.0.4 km/sC.11 km/sD.36 km/s答案以及解析1.答案：C解析：A 、“天问一号”在发射过程中，加速度向上，处于超重状态，故A 错误；2m rω=，解得角速度：ω=半径小，角速度大，图示时刻垂直地面发射“天问一号”，不能直接飞向火星，故B 错误；大，公转周期大，故C 正确；D 、从图示时刻再经过半年时间，地球运动到图示位置的对称点，但由于火星的角速度小，不能运动到图示位置的对称点，此时太阳、地球、火星不能再次共线，故D 错误。

课时素养检测十二宇宙航行(25分钟60分)一、单项选择题(本题共6小题，每小题5分，共30分)1.关于第一宇宙速度，下列说法正确的是( )A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B.它等于人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度C.它是能使卫星在近地轨道运动的最大发射速度D.它是卫星在椭圆轨道上运动时的近地点速度【解析】选B。

第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，是人造卫星的最大环绕速度，等于近地圆轨道上的运行速度，故只有B正确。

2.假设地球的质量不变，而地球的半径增大到原来半径的2倍，那么从地球发射人造卫星的第一宇宙速度的大小应为原来的( )A.倍B.C. D.2倍【解析】选B。

因第一宇宙速度即为地球的近地卫星的线速度，此时卫星的轨道半径近似地认为是地球的半径，且地球对卫星的万有引力提供向心力，故G=成立，解得v=，因此，当M不变，R增加为2R时，v减小为原来的，即选项B正确。

3.如图所示，a，b，c三颗卫星在各自的轨道上绕地球做匀速圆周运动，轨道半径r a<r b<r c，但三颗卫星受到地球的万有引力大小相等，下列说法正确的是( )A.三颗卫星的加速度大小a a<a b<a cB.三颗卫星的质量m a<m b<m cC.三颗卫星的运行速度大小v a<v b<v cD.三颗卫星的运行周期T a>T b>T c【解析】选B。

根据万有引力提供圆周运动向心力得G=m=m=ma，向心加速度a=，半径r越小，向心加速度越大，则a c<a b<a a，故A 错误；卫星受到的万有引力F=，由于三颗卫星受到地球的万有引力大小相等，且轨道半径r a<r b<r c，所以m a<m b<m c，故B正确；线速度v=，v a>v b>v c，故C错误；周期T=，T c>T b>T a，故D错误。

4.我国发射的“嫦娥三号”卫星经过多次加速、变轨后，最终成功进入环月工作轨道。

2020-2021学年人教版（2019）必修第二册 7.4宇宙航行 课时作业4（含解析）1．“天问一号”成功升空，计划飞行约7个月抵达火星，并通过2至3个月的环绕飞行后着陆火星表面，开展探测工作。

已知火星第一宇宙速度为1v 火星第二宇宙速度为2v ，假设“天问一号”在某高度处绕火星做匀速圆周运动速度为v ，则（ ）A ．v <1vB ．v =1vC ．1v <v <2vD ．2v v2．2020年7月31日北斗三号全球卫星导航系统正式开通，为全球提供导航服务。

北斗卫星导航系统包括地球静止轨道卫星a ，倾斜地球同步轨道卫星b 和中圆轨道卫星c ，如图所示。

其中卫星a 和b 的周期约24h ，卫星c 的周期约12h ，下列说法正确的是（ ）A ．卫星a 与卫星c 的轨道周长之比约为2：1B ．卫星b 与卫星c 的角速度大小之比约为1：2C ．卫星a 与卫星c 的线速度大小之比约为2：1D ．卫星b 与卫星c 的向心加速度大小之比约为1：43．2020年6月23日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙火箭成功将北斗三号导航系统最后一颗组网卫星送入地球同步轨道。

关于这次卫星与火箭上天的情形叙述正确的是（ ）A ．火箭能够起飞，是因为火箭喷出的气体对火箭产生一个向上的作用力B ．火箭飞出大气层后，由于没有了空气，火箭虽然向后喷气，但无法加速飞行C ．该卫星进入预定轨道之后完全失重，与地球之间不存在相互作用力D ．该卫星在轨运行的速度大于地球的第一宇宙速度4．宇宙中有两颗相距无限远的恒星S1、S2，半径均为R0。

如图分别是两颗恒星周围行星的公转周期T2与公转半径r3的关系图像，则（）A．恒星S1的质量小于恒星S2的质量B．恒星S1的密度大于恒星S2的密度C．恒星S1的第一宇宙速度大于恒星S2的第一宇宙速度D．距两恒星表面高度相同的行星，S1的行星向心加速度较大5．2020年7月23日，我国成功发射“天问1号”火星探测器。

2020-2021学年人教版（2019）必修第二册7.4宇宙航行课时作业16（含解析）1．冥王星与其附近的另一星体卡戎可视为双星系统，质量比约为7∶1，同时绕它们连线上某点O做匀速圆周运动，由此可知，冥王星绕O点运动的A．轨道半径约为卡戎的17B．角速度大小约为卡戎的17C．线速度大小约为卡戎的7倍D．向心力大小约为卡戎的7倍2．2020年7月23日，我国成功发射了“天问一号”火星探测器。

已知火星质量约为地球的19，半径约为地球的12，火星自转周期与地球自转周期大致相等，若要发射一颗火星静止轨道卫星，则火星静止轨道卫星距离火星表面高度约为（已知地球半径约为6400千米，其静止轨道卫星距离地面约为3.6万千米）（）A．4千千米B．1.2万千米C．1.8万千米D．32.4万千米3．关于第一宇宙速度和第二宇宙速度，下列说法正确的是（）A．月球绕地球运行的速度大于第一宇宙速度B．月球绕地球运行的速度大于第二宇宙速度C．某卫星绕地球做椭圆轨道运行，近地点的速度可能大于第一宇宙速度D．某卫星绕地球做椭圆轨道运行，远地点的速度可能等于第一宇宙速度4．我国北斗系统主要由同步轨道卫星和中圆轨道卫星组成．已知两种卫星的轨道为圆轨道，中圆轨道卫星的周期为8小时，则（）A．中圆轨道卫星的线速度大于7.9km/sB．中圆轨道卫星的角速度大于地球同步卫星的角速度C．中圆轨道卫星的轨道半径大于地球同步卫星的轨道半径D．中圆轨道卫星做圆周运动所需向心力一定大于地球同步卫星所需的向心力5．2022年左右我国将建成载人空间站，轨道高度距地面约400km，在轨运营10年以上，它将成为中国空间科学和新技术研究实验的重要基地。

设该空间站绕地球做匀速圆周运动，其运动周期为T，轨道半径为r，万有引力常量为G，地球半径为R，地球表面重力加速度为g。

下列说法不正确的是（）A ．地球的质量为2324r M GT π=B ．空间站的线速度大小为v gr =C ．空间站的向心加速度为22gR a r= D ．空间站的运行周期小于地球自转周期6．经科学家探测，宇宙深处某些未知星域可能存在类似人类生命的行星。

7.4 宇宙航行02预习导学（一）课前研读课本，梳理基础知识：一、宇宙速度1、地球静止轨道卫星的6个“一定”2、地球静止轨道卫星与同步卫星的关系地球同步卫星位于地面上方，其离地面高度约为36 000 km，周期与地球自转周期相同，但轨道平面与绕行方向可以是任意的。

地球静止轨道卫星是一种特殊的同步卫星。

3、[规律方法]如图所示，a为近地卫星，轨道半径为r1；b为地球同步卫星，轨道半径为r2；c为赤道上随地球自转的物体，轨道半径为r3。

1．速度：设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3，在轨道Ⅱ上过A点和B点时速率分别为v A、v B。

在A点加速，则v A>v1，在B点加速，则v3>v B，又因v1>v3，故有v A>v1>v3>v B。

2．加速度：因为在A点，卫星只受到万有引力作用，故不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A点，卫星的加速度都相同，同理，经过B点加速度也相同。

3．周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上的运行周期分别为T1、T2、T3，轨道半径分别为r1、r2(半长轴)、r3，由开普勒第三定律r 3T2＝k 可知T 1<T 2<T 3。

4．机械能：在一个确定的圆(椭圆)轨道上机械能守恒。

若卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E 1、E 2、E 3，则E 1<E 2<E 3。

（二）即时练习：【小试牛刀1】(多选)已知火星的质量约为地球质量的19，火星的半径约为地球半径的12。

下列关于“天问一号”火星探测器的说法中正确的是( ) A ．发射速度只要大于第一宇宙速度即可 B ．发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C ．发射速度应大于第二宇宙速度、小于第三宇宙速度D ．“天问一号”火星探测器环绕火星运行的最大速度约为地球的第一宇宙速度的一半 解析：选CD 根据三个宇宙速度的意义，可知A 、B 错误，C 正确；已知M 火＝M 地9，R 火＝R 地2，则v max ∶v 1＝GM 火R 火∶GM 地R 地＝23≈0.5，D 正确。

2020-2021学年新教材物理人教版必修第二册教案：第7章4.宇宙航行含解析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错误!＝m错误!，由此解出v＝错误!(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＝错误!＝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。

2．第二宇宙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。

专题7.4 宇宙航行（讲）一、讲教材本节课所采用的教材是人教版高中物理必修第二册第七章第4节的内容,本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“万有引力定律与宇宙航行”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。

二、讲核心素养物理观念：能从物理学的视角正确描述和解释人造地球卫星的运行规律，具备清晰的物理观念。

科学思维：能在熟悉的情境中运用物理模型，能对卫星发射原理进行分析和推理。

科学探究：能在对卫星发射原理的基础上做出假设，并制定合理的探究路线，从而分析数据发现规律。

科学态度与责任：卫星的发射原理是人类在万有引力定律基础上科学家们持续不断创造性发展的成果，是人类对宇宙奥秘探索的历程，增强民族自信心和自豪感。

三、讲图片思维导图四、讲考点和题型【考点一】宇宙速度1．近地卫星的速度(1)原理：飞行器绕地球做匀速圆周运动，运动所需的向心力由万有引力提供，所以m v 2r ＝G Mm r 2，解得：v ＝GM r . (2)结果：用地球半径R 代表近地卫星到地心的距离r ，可算出：v ＝6.67×10－11×5.98×10246.4×106 m/s ＝7.9 km/s. 2．宇宙速度3.对第一宇宙速度的理解(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，近地卫星的轨道半径最小，由G Mm r 2＝m v 2r 可得v ＝GMr ，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，第一宇宙速度是所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星的最大环绕速度．【例1】2017年9月25日，微信启动页“变脸”：由此前美国卫星拍摄地球的静态图换成了我国“风云四号”卫星拍摄地球的动态图，如图所示。

4宇宙航行课后篇巩固提升基础巩固1.假设地球的质量不变,而地球的半径增大到原来半径的2倍,那么地球的第一宇宙速度的大小应为原来的()A.2B.2C.12D.2解析因第一宇宙速度即为地球的近地卫星的线速度,此时卫星的轨道半径近似的认为等于地球的半径,且地球对卫星的万有引力提供向心力。

由G 地 2 2 得v= 地 ,因此,当m地不变,R 增大为2R时,v减小为原来的2,选项B正确。

答案B,许多国家发射了地球同步卫星,这些卫星的()A.质量可以不同B.轨道半径可以不同D.速率可以不同解析地球同步卫星轨道必须在赤道平面内,离地面高度相同的同一轨道上,角速度、线速度、周期一定,与卫星的质量无关。

选项A正确,B、C、D错误。

答案A(多选)(2020贵州贵阳高一期末)如图所示,牛顿在思考万有引力定律时就曾设想,把物体从高山上O点以不同的速度v水平抛出,速度一次比一次大,落地点也就一次比一次远。

如果速度足够大,物体就不再落回地面,它将绕地球运动,成为人造地球卫星,则下列说法正确的是()A.以v<7.9km/s的速度抛出的物体可能落在A点B.以v<7.9km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动C.以7.9km/s<v<11.2km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动.2km/s<v<16.7km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动解析物体抛出速度v<7.9km/s时必落回地面,物体抛出速度v=7.9km/s时,物体刚好能不落回地面,绕地球做圆周运动,选项A正确,B错误;当物体抛出速度7.9km/s<v<11.2km/s时,物体在抛出点做离心运动,但物体不能脱离地球引力束缚,故物体做椭圆运动,可能沿C轨道运动,选项C正确;当物体抛出速度v>11.2km/s时,物体会脱离地球引力束缚,不可能沿C轨道运动,选项D错误。

答案AC8km/s,某行星的质量是地球质量的6倍,半径是地球半径的1.5倍,此行星的第一宇宙速度约为()A.16km/sB.32km/sD.2km/s,对于卫星,其轨道半径近似等于星球半径,所受万有引力提供其做匀速圆周运动的向心力,根据万有引力定律和牛顿第二定律得G 地2=m 2 ,解得m星是地球质量m地的6倍,半径R'是地球半径R的1.5倍,则 '2,故v'=2v=2×8km/s=16km/s,A正确。