3.3 飛向太空【學習目標】知識與技能1、了解火箭的基本原理。2、了解萬有引力定律對航天技術發展的重大貢獻。3、了解人類在航天技術領域取得的偉大成就。過程與方法1、通過觀察實驗，了解火箭發射的原理。2、認識火箭的演變過程。3、了解多級火箭的發射過程。4、通過觀看圖片和錄像，了解人類對太空的探索。情感態度與價值觀1、體會理論對實踐的巨大指導作用。2、體會航天事業對人類所產生的影響。3、認識太空探險是一項光榮而危險的任務。4、通過觀看錄像，激發愛國之情和為祖國的科學事業作貢獻的決心。【學習重點】介紹各國在航天航空領域的成就。【知識要點】一、走向太空的橋梁火箭帶著問題去閱讀課本：1、火箭為何分多級2、長征二號丙改火箭發射銥星時，火箭起飛后為什么有白色碎片飄落？3、我國的長征系列火箭在發射起飛后為什么會冒出一股紅棕色的煙霧？二、夢想成真遨游太空從課本圖片上，你看到什么？你想到什么？1、人類為什么要冒很大的風險去實現太空遨游上？2、太空探險有何積極的意義？3、太空探險與人類生存有何關系？4、隨著宇宙資源的不斷開發，許多新的能源將被人類發現并利用，這是否意味著人類可以隨便浪費已有的地球資源？5、你能為我國的航天事業作出怎樣的貢獻呢？遨游太空的角度，按時間順序向學生展示迄今為止人類所經過的艱難道路和所取得的成就。三、空間探測器帶著問題去觀看錄像學習：1、人類深空探測的主要歷程是怎樣的？2、為什么要進行深空探測？3、地球上的生物會對其他星球產生污染嗎？4、深空探測要注意什么？5、你能否設想出以后的深空探測將會是怎樣的嗎？深空探測既是人類認識宇宙的需要，又是人類為了開發宇宙資源、擴大自身生存環境的需要，因此，世界上的科技大國都投入巨資進行研究，使得深空探測水平和載人航天技術成為衡量一個國家科技發展水平的標志。【典型例題】例題1、某物體在地球表面上受到的重力為160 N；將它放置在衛星中，在衛星以加速度隨火箭加速上升的過程中，當物體與衛星中的支持物的相互擠壓力為90 N，衛星此時距地面的高度為多少（已知地球的半徑，取）NG圖3-4精析：先根據牛頓第二定律列出加速度時的方程，然后根據萬有引力產生重力的思想，分別列出兩個方程，最后聯立求解。解析：依題意可知物體的質量為m=16kg。當物體與衛星中的支持物的相互擠壓力為90 N時，設此時衛星距地面的高度為H，如圖3-4，在火箭加速上升的過程中物體受到重力G(此時重力加速度為g)和支持力N兩個力的作用，根據牛頓第二定律：F=ma，題即 NG= ma，有： mg=Nma （1）根據萬有引力定律，萬有引力產生重力，有：GMm/r2= mg (2)在地球表面附近，GMm/R2=mg (3)聯立三式得：r=R=4R,故 H=rR=3R=1.92104綠色通道：本題牽涉到的物理規律比較多，要求學生綜合前面所學知識解決問題。在解此題時學生往往容易忽略一點，即物體的重力加速度g隨高度的增加而減小。如果這點不能突破，很難理順思路，順利根據有關規律列出方程求解。例題2 發射人造衛星或航天器需要使用多級火箭推進，才能達到其脫離地球引力的速度。請你利用簡易器材模擬演示火箭推進的裝置，并說明其根據的原理。精析：火箭之所以能推進衛星或航天器達到其所需要的速度，主要是因為火箭在推進運行的過程中向后噴出高壓及高速的燃氣，根據牛頓第三定律，這些高壓、高速的燃氣反作用于火箭上，從而使火箭獲得巨大的反作用力而被推向推進。解析：方法一、可以利用氣球來模擬演示，具體做法如下： 將氣球充滿氣體，然后封閉氣口，放在水平地面上。將氣口以盡快的速度放開，即可以觀測和感受到氣體在往后噴氣的同時，氣球以較快的速度往前運動。（如圖3-5所示）圖3-5方法二、提示：可以利用煙花來模擬演示， 在節日，同學們可以利用燃放煙花來體驗，在煙花噴射出的同時，感覺到一個反作用的力施加于手上。 方法三、提示：可以制作水火箭來模擬演示， 水火箭是同學們非常感興趣的一項活動，水火箭的制作簡單，成功率高，是一個能充分說明火箭推進原理的課外制作活動。綠色通道：本題從科技問題立意，體現出問題的開放性和探究性，對激發學習興趣和提高解決問題的能力有重要意義。這種類型的問題要引起高度的重視。【當堂反饋】1、在地球赤道上的A處旋轉一個小物體（相對地面無位移）。現在設想地球對小物體的萬有引力突然消失，則在數小時內，小物體相對于A點處的地面來說，將 （ ）A 水平向東飛去B 原地不動，物體對地面的壓力消失C 向上并漸偏向西方飛去D 向上并漸偏向東方飛去2、目前的航天飛機的飛行軌道都是近地軌道，一般在地球上空（300700）km飛行，繞地球飛行一周的時間為90 min左右。這樣，航天飛機里的宇航員在24 h內可以見到日落日出的次數應為 （ ）A0.38 B 2.7 D163、中子星是恒星演變到最后的一種存在形式。（1）有一密度均勻的星球，以角速度繞自身的幾何對稱軸旋轉。若維持其赤道表面物質不因快速旋轉而被甩掉的力只有萬有引力，那么該星球的密度至少要多大？（2）蟹狀星云中有一顆中子星，它每秒轉30周，以此數據估算這顆中子星的最小密度。（3）若此中子星的質量約為太陽的質量（），試問它的最大可能半徑是多大？【參考答案】1、答案C解析：由于小物體在地球赤道上的A處旋轉并相對地面靜止，說明此時物體受到地球的引力和向上的空氣阻力，這兩個力是一對平衡力。當引力突然消失時，物體只受向上的力的作用，所以物體一方面以初速度為0的速度向上運動，另一方面，由于地球自西向東旋轉，所以物體相對地面向西方向運動。故正確答案是C。2、答案：D解析：由于航天器的周期為90分鐘，所以在24h內，它繞地球旋轉了16周，即可看到16次日落日出。3 答案：（1）=32/4G （2）1.271014kg/m3 (3) 1.56105m解析：（1）當赤道表面的物質受到的引力不足以提供其隨星體自轉所需要的向心力時，物質變會瓦解，設中子星質量為M，赤道半徑為R。所以由萬有引力定律和圓周運動的規律：GMm/R2=m2R -（1）又由于 M=4/3R3-（2）所以由以上兩式可得最小密度為：=32/4G-（3） （2）因=2/T=/15，代入（3）式得最小密度：=1.271014kg/m3 （3）由上（2）式得：R= 1.56105m【達標訓練】1、對于萬有引力定律的表達式，下面說法中正確的是（ ） 公式中G為引力常量，它是由實驗測得的，而不是人為規定的 當r趨近于零時，萬有引力趨于無窮大 受到的引力總是大小相等的，則與是否相等無關 受到的引力是一對平衡力 用該公式可求出任何兩個物體之間的萬有引力AB2、開普勒第三定律對行星繞恒星的勻速圓周運動同樣成立，即它的運動周期的平方與軌道半徑r的三次方的比為常數，設，則常數的大小（ ）A 只與行星的質量有關B 與恒星的質量與行星的質量有關C 只與恒星的質量有關D 與恒星的質量及行星的速度有關3、下列關于地球同步通信衛星的說法中，正確的是 （ ）A 為避免通信衛星在軌道上相撞，應使它們運行在不同的軌道上B 通信衛星定點在地球上空某處，各個通信衛星的角速度相同，但線速度可以不同C 不同國家發射通信衛星的地點不同，這些衛星軌道不一定在同一平面內 D 通信衛星只能運行在赤道上空某一恒定高度上4、2002年3月25日，我國成功發射了“神舟三號”宇宙飛船，這標志著我國的航天技術又上了一個新臺階，若飛船在近地軌道上做的是勻速圓周運動，則運行速度v的大小是-（ ）Av7.9 km/s Bv=7.9 km/s C7.9 km/s v 11.2 km/s v=11.2 km/s5、有質量相等的兩顆人造地球衛星A和B，分別在不同的軌道上繞地球做勻速圓周運動，兩衛星的軌道半徑分別為和，且，則A和B兩衛星相比較，以下說法正確的是-（ ）A、衛星A的運行周期較大B、衛星A受到的地球引力較大C、衛星A運行的線速度較大D、 衛星A運行的角速度較大6、設想人類開發月球，不斷把月球上的礦藏搬運到地球上，假定經過長時間開采后，地球仍可看做是均勻的球體，月球仍沿開采前的圓周軌道運動，則與開采前相比-（ ）A、地球與月球的萬有引力將變大B、地球與月球的萬有引力將變大C、月球繞地球運動的周期將變長D、月球繞地球運動的周期將變短7、兩個行星各有一個衛星繞其表面運行，已知兩個衛星的周期之比為1:2，兩行星半徑之比為2:1， 兩行星密度之比為4:1 兩行星質量之比為16:1 兩行星表面處重力加速度之比為8:1 兩衛星的速率之比為4:1，則下列選項正確的是( ）A B. C. D. 8、某人造衛星繞地球做勻速圓周運動，設地球半徑為R，地面重力加速度為g，下列說法錯誤的是-（ ）A、人造衛星的最小周期為B、衛星在距地面高度R處的繞行速度為C、衛星在距地面高度為R處的重力加速度為g/4D、地球同步衛星的速率比近地衛星速率小，所以發射同步衛星所需的能量較少二、多項選擇題（每題有兩個或兩個以上的答案是正確的，每小題4分，共16分）9、甲、乙兩顆人造地球衛星，質量相等，它們的軌道都是圓，若甲的運動周期比乙小，則-（ ）甲距地面的高度比乙小甲的加速度一定比乙小甲的加速度一定比乙大甲的速度一定比乙大bca圖3-610、如圖3-6所示，、是在地球大氣層外圓形軌道上運行的三顆人造衛星，下列說法正確的是-（ ）A、的線速度大小相等，且大于的線速度B、的向心加速度大小相等，且小于的向心加速度C、運行周期相同，且小于的運行周期D由于某種原因，的軌道半徑緩慢減小，的線速度將變大11、組成星球的物質是靠引力吸引在一起的，這樣的星球有一個最大的自轉速率。如果超過了該速率，星球的萬有引力將不足以維持其赤道附近的物體做圓周運動。由此能得到半徑為R、密度為、質量為M且均勻分布的星球的最小自轉周期T。下列表達式中正確的是-（ ）A BCD12、1998年8月20日，中國太原衛星發射中心為美國“銥”星公司成功發射了兩顆“銥”星系統的補網星，1998年9月23日，“銥”衛星通訊系統正式投入商業運行，標志著一場通訊技術革命開始了。原計劃的“銥”衛星通訊系統是在距地球表面780 km的太空軌道上建立一個由77顆小衛星組成的星座。這些小衛星均勻分布在覆蓋全球的7個軌道上，每條軌道上有11顆衛星，由于這一方案的衛星排布像化學元素“銥”原子的核外77個電子圍繞原子核運動一樣，所以稱為“銥”星系統。后來改為由66顆衛星，分布在6條軌道上，每軌道上11顆衛星組成，仍稱它為“銥”星系統。“銥”星系統的66顆衛星，其運行軌道的共同特點是（ ）A、以地軸為中心的圓形軌道B、以地心為中心的圓形軌道C、軌道平面必須處于赤道平面內D、銥星運行軌道遠低于同步衛星軌道13、某一星球的第一宇宙速度為v,質量為m的宇航員在這個星球表面受到的重力為G，由此可知這個星球的半徑是_ 。14、在月球表面，一位宇航員豎直向上拋出一個質量為m的小球，經過時間t，小球返回拋出點，已知地球表面的重力加速度為g，月球表面的重力加速度是地球表面的1/6。則宇航員拋出小球時的速度是 。15、地球質量為M，半徑為R，萬有引力常量為G，發射一顆繞地球表面附近做圓周運動的人造衛星，衛星的速度稱為第一宇宙速度。（1）試推導由上述各量表達的第一宇宙速度的計算式，要求寫出推導依據。（2）若已知第一宇宙速度的大小v=7.9 km/s，地球半徑，萬有引力常量，求地球質量（結果保留2位有效數字）。16、已知地球半徑約為，地球表面重力加速度，又知月球繞地球運動可近似看作勻速圓周運動。請你先補充一個條件，由些推導出估算月球到地心距離的計算公式和具體估算的結果。 17、在赤道上發射一顆人造地球衛星，設它的軌道是一個圓，軌道半徑等于赤道半徑，已知地球質量是M，地球自轉周期是T，赤道半徑是R，萬有引力恒量是G，則這顆人造地球衛星的最小發射速度（相對地球的速度）為多大？ 18、偵察衛星在通過地球兩極上空的圓軌道上運動，它的運動軌道距地面高度為h，要使衛星在一天的時間內將地面上赤道各處在日照條件下的情況全都拍攝下來，衛星在通過赤道上空時，衛星上的攝像機至少應拍攝地面上赤道圓周的弧長是多少？設地球的半徑為R，地面處的重力加速度為g，地球自轉的周期為T。 【達標訓練參考答案】123456789101112ACDBADDDACDBDADBD13、mv2/G; 14 gt/1215、解析：（1）由于萬有引力提供向心力，則有： GMm/R2=mv2/R所以 v= (2) 由上式可知：M=v2R/G代入數據可計算得：M=5.91024kg16、答案：補充月球繞地球公轉的周期為30天。 解得月球到地心的距離為3.8108m。解析：由萬有引力定律和圓周運動的規律：GMm/r2=m（2/T ）2 r-（1）在地球表面物體所受重力認為等于萬有引力：mg= GMm/R2-(2) 由（2）式可得GM=gR2-（3）。將（3）式代入(1)式中易得到r=3.8108m。所以可推算月球到地心