第七章 万有引力与宇宙航行 章末素养提升 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版必修二

这是一份第七章 万有引力与宇宙航行 章末素养提升 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版必修二，共11页。

第七章 万有引力与宇宙航行 章末素养提升例1　(2022·全国乙卷)2022年3月，中国航天员翟志刚、王亚平、叶光富在离地球表面约400 km的“天宫二号”空间站上通过天地连线，为同学们上了一堂精彩的科学课。通过直播画面可以看到，在近地圆轨道上飞行的“天宫二号”中，航天员可以自由地漂浮，这表明他们(　　)A．所受地球引力的大小近似为零B．所受地球引力与飞船对其作用力两者的合力近似为零C．所受地球引力的大小与其随飞船运动所需向心力的大小近似相等D．在地球表面上所受引力的大小小于其随飞船运动所需向心力的大小例2　(2022·扬州市校考期中)地球、火星运行到太阳的两侧且三者近乎处于一条直线，这种现象称作“日凌”。2021年9月下旬至10月中旬，火星探测器“天问一号”处在“日凌”阶段，“天问一号”与地球的通信受到太阳电磁辐射干扰，出现不稳定甚至中断。10月中旬“日凌”结束时，火星的位置可能是(　　)A．A处 B．B处 C．C处 D．D处例3　(2023·连云港市统考模拟)2023年4月16日，长征四号乙遥五十一运载火箭将我国首颗降水测量专用卫星风云三号G星送入高度407 km、倾角50°的倾斜预定轨道，成功填补了我国南北纬50°范围内的降水监测资料。卫星轨道可看作圆，忽略地球自转的影响，地表重力加速度为g，下列说法正确的是(　　)A．卫星的向心加速度小于gB．卫星的轨道与赤道平面重合C．卫星运行速度大于第一宇宙速度D．若考虑稀薄大气的阻力，卫星的速度会越来越小例4　(2023·苏州市校考模拟)2022年11月29日23时08分，神舟十五号载人飞船将费俊龙、邓清明、张陆3名航天员送入太空。飞船的某段运动可近似为如图所示的情境，圆形轨道Ⅰ为空间站运行轨道，椭圆轨道Ⅱ为载人飞船运行轨道，两轨道相切于A点，设圆形轨道Ⅰ的半径为r，地球表面重力加速度为g，地球半径为R，地球的自转周期为T，椭圆轨道Ⅱ的半长轴为a，引力常量为G，忽略地球自转影响，下列说法正确的是(　　)A．根据题中信息，可求出地球的质量M＝eq \f(4π2R3,GT2)B．载人飞船若要进入轨道Ⅰ，需要在A点减速C．载人飞船在轨道Ⅰ上A点的加速度大于在轨道Ⅱ上A点的加速度D．空间站运行的周期与载人飞船在椭圆轨道Ⅱ上运行的周期之比为eq \r(r3)∶eq \r(a3)例5　“登月工程”一直是我国航天事业的重要目标，也是一代代航天人的梦想。我国自主研制的“玉兔号”月球车与月球表面的第一次接触实现了中国人“奔月”的伟大梦想。假设“玉兔号”月球车在月球表面做了一个科学测量，测出月球表面的重力加速度为g0，已知月球半径为R，自转周期为T，引力常量为G。忽略月球自转的影响，求：(1)月球的质量；(2)探测器在离月球表面高度为R处做圆周运动的环绕速度的大小；(3)月球的同步卫星离月球表面高度H。________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________章第七章 万有引力与宇宙航行 末素养提升例1　(2022·全国乙卷)2022年3月，中国航天员翟志刚、王亚平、叶光富在离地球表面约400 km的“天宫二号”空间站上通过天地连线，为同学们上了一堂精彩的科学课。通过直播画面可以看到，在近地圆轨道上飞行的“天宫二号”中，航天员可以自由地漂浮，这表明他们(　　)A．所受地球引力的大小近似为零B．所受地球引力与飞船对其作用力两者的合力近似为零C．所受地球引力的大小与其随飞船运动所需向心力的大小近似相等D．在地球表面上所受引力的大小小于其随飞船运动所需向心力的大小答案　C解析　航天员在空间站中所受的地球引力完全提供做圆周运动的向心力，飞船对其作用力等于零，故C正确，A、B错误；根据F＝Geq \f(Mm,r2)可知，他们在地球表面上所受引力的大小大于在飞船中所受的万有引力大小，因此在地球表面所受引力大小大于其随飞船运动所需向心力的大小，故D错误。例2　(2022·扬州市校考期中)地球、火星运行到太阳的两侧且三者近乎处于一条直线，这种现象称作“日凌”。2021年9月下旬至10月中旬，火星探测器“天问一号”处在“日凌”阶段，“天问一号”与地球的通信受到太阳电磁辐射干扰，出现不稳定甚至中断。10月中旬“日凌”结束时，火星的位置可能是(　　)A．A处 B．B处 C．C处 D．D处答案　A解析　根据开普勒第三定律eq \f(r3,T2)＝k，火星的运动半径大于地球，则周期更大，角速度更小，火星和地球均逆时针运动，相同时间内地球运动到十月中旬位置时，火星运动轨迹对应的弧度应小于地球运动轨迹对应的弧度，只可能在A位置。故选A。例3　(2023·连云港市统考模拟)2023年4月16日，长征四号乙遥五十一运载火箭将我国首颗降水测量专用卫星风云三号G星送入高度407 km、倾角50°的倾斜预定轨道，成功填补了我国南北纬50°范围内的降水监测资料。卫星轨道可看作圆，忽略地球自转的影响，地表重力加速度为g，下列说法正确的是(　　)A．卫星的向心加速度小于gB．卫星的轨道与赤道平面重合C．卫星运行速度大于第一宇宙速度D．若考虑稀薄大气的阻力，卫星的速度会越来越小答案　A解析　设卫星到地面距离为h，根据Geq \f(Mm,R2)＝mg，Geq \f(Mm,R＋h2)＝ma，可得a＝eq \f(gR2,R＋h2)，该卫星的向心加速度小于g，A正确；该卫星轨道为倾角50°的倾斜预定轨道，卫星的轨道与赤道平面不重合，B错误；由公式Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)得：v＝eq \r(\f(GM,r))可知，卫星绕地球做匀速圆周运动时，半径越小，速度越大，近地卫星的运行速度，也就是第一宇宙速度，是最大的运行速度，该卫星轨道高于近地卫星，所以速度小于第一宇宙速度，C错误；由于稀薄大气的影响，如不加干预，在运行一段时间后，卫星的速度减小，引力大于向心力，做近心运动，半径变小，引力做正功，其速度变大，D错误。例4　(2023·苏州市校考模拟)2022年11月29日23时08分，神舟十五号载人飞船将费俊龙、邓清明、张陆3名航天员送入太空。飞船的某段运动可近似为如图所示的情境，圆形轨道Ⅰ为空间站运行轨道，椭圆轨道Ⅱ为载人飞船运行轨道，两轨道相切于A点，设圆形轨道Ⅰ的半径为r，地球表面重力加速度为g，地球半径为R，地球的自转周期为T，椭圆轨道Ⅱ的半长轴为a，引力常量为G，忽略地球自转影响，下列说法正确的是(　　)A．根据题中信息，可求出地球的质量M＝eq \f(4π2R3,GT2)B．载人飞船若要进入轨道Ⅰ，需要在A点减速C．载人飞船在轨道Ⅰ上A点的加速度大于在轨道Ⅱ上A点的加速度D．空间站运行的周期与载人飞船在椭圆轨道Ⅱ上运行的周期之比为eq \r(r3)∶eq \r(a3)答案　D解析　由题意，有eq \f(GMm,R2)＝mg，可得M＝eq \f(gR2,G)，故A错误；载人飞船若要从椭圆轨道Ⅱ进入圆形轨道Ⅰ，需要在A点加速，故B错误；载人飞船在轨道Ⅰ上通过A点时受到的万有引力等于在轨道Ⅱ上运行时通过A点时的万有引力，由牛顿第二定律可知，它们的加速度相等，故C错误；根据开普勒第三定律有eq \f(r3,TⅠ2)＝eq \f(a3,TⅡ2)＝k，空间站在圆形轨道Ⅰ上运行的周期与载人飞船在椭圆轨道Ⅱ上运行的周期之比为eq \r(r3)∶eq \r(a3)，故D正确。例5　“登月工程”一直是我国航天事业的重要目标，也是一代代航天人的梦想。我国自主研制的“玉兔号”月球车与月球表面的第一次接触实现了中国人“奔月”的伟大梦想。假设“玉兔号”月球车在月球表面做了一个科学测量，测出月球表面的重力加速度为g0，已知月球半径为R，自转周期为T，引力常量为G。忽略月球自转的影响，求：(1)月球的质量；(2)探测器在离月球表面高度为R处做圆周运动的环绕速度的大小；(3)月球的同步卫星离月球表面高度H。答案　(1)eq \f(g0R2,G)　(2)eq \r(\f(g0R,2))　(3)eq \r(3,\f(g0R2T2,4π2))－R解析　(1)在月球表面附近可认为重力等于万有引力，则有eq \f(GMm,R2)＝mg0解得M＝eq \f(g0R2,G)(2)探测器做圆周运动由万有引力提供向心力有Geq \f(Mm,2R2)＝meq \f(v2,2R)解得v＝eq \r(\f(g0R,2))(3)对同步卫星由万有引力提供向心力有eq \f(GMm同,H＋R2)＝m同eq \f(4π2,T2)(H＋R)解得H＝eq \r(3,\f(g0R2T2,4π2))－R。物理观念开普勒定律开普勒第一定律所有行星绕太阳运动的轨道都是________，太阳处在__________________________上开普勒第二定律对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的____________开普勒第三定律所有行星轨道的________________跟它的________________的比都相等。其表达式为eq \f(a3,T2)＝k，其中a代表椭圆轨道的半长轴，T代表公转周期，比值k是一个对所有行星都________的常量万有引力定律内容自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的________上，引力的大小与物体的________________成正比、与它们之间________________成反比表达式F＝Geq \f(m1m2,r2)，其中G叫作引力常量引力常量英国物理学家____________通过实验推算出引力常量G的值。通常取G＝____________ N·m2/kg2宇宙速度第一宇宙速度：7.9 km/s物体在____________绕地球做匀速圆周运动的速度第二宇宙速度：11.2 km/s在地面附近发射飞行器使其克服________引力，永远离开地球的最小地面发射速度第三宇宙速度：16.7 km/s在地面附近发射飞行器使其挣脱________引力束缚，飞到太阳系外的________地面发射速度相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观时间延缓效应：Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))Δt与Δτ的关系总有Δt________Δτ(选填“>”“<”或“＝”)，即物理过程的快慢(时间进程)跟物体的运动状态________(填“有关”或“无关”)长度收缩效应：l＝l0eq \r(1－\f(v,c)2)l与l0的关系总有l________l0(选填“>”“<”或“＝”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态________(填“无关”或“有关”)牛顿力学的成就与局限性牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是______________，______________的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬牛顿力学的局限性：牛顿力学的适用范围是________(填“高速”或“低速”)运动的________(填“宏观”或“微观”)物体牛顿力学________被新的科学成就所否定，当物体的运动速度____________时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别科学思维理想化处理物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略把行星运动的椭圆轨道简化为圆轨道处理模型建构由“称量”地球的质量的方法过渡到称量中心天体质量由地球宇宙速度的求解过渡到其他天体宇宙速度的求解通过抽象思维，理解宇宙空间的特殊环境和宇宙探测器的工作原理；通过创新思维，发展新型的航天技术，开拓宇宙探索的新领域科学探究1.通过学习开普勒定律的得出过程，深刻认识、理解行星运动规律，明确科学探究的根源是绕过曲折过程认识事物的本质2.通过牛顿建立万有引力定律的过程，了解科学探究的基本过程和方法，如提出问题、假设和实验设计、数据采集和分析、结论验证和修正等3.知道应用万有引力与航天技术解决实际问题的实践探究，如“发现未知天体”、环境监测、地质勘探等4.通过拓展探究和科普教育，探究科学与人类社会的关系，如科学技术与经济社会发展的互动关系科学态度与责任1.体会科学家实事就是、尊重客观事实、不迷信权威、勇于探索的科学态度和科学精神，注重诚信和良好学习习惯的养成2.了解科学与社会的互动关系，认识到科学的重要性，要遵守学术道德和科学规范，加强环保意识和社会责任感3.能正确评价牛顿力学。知道人类对自然界的探索是不断深入的，科学结论的普适性总是相对的物理观念开普勒定律开普勒第一定律所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上开普勒第二定律对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等开普勒第三定律所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等。其表达式为eq \f(a3,T2)＝k，其中a代表椭圆轨道的半长轴，T代表公转周期，比值k是一个对所有行星都相同的常量万有引力定律内容自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比、与它们之间距离r的二次方成反比表达式F＝Geq \f(m1m2,r2)，其中G叫作引力常量引力常量英国物理学家卡文迪什通过实验推算出引力常量G的值。通常取G＝6.67×10－11 N·m2/kg2宇宙速度第一宇宙速度：7.9 km/s物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度第二宇宙速度：11.2 km/s在地面附近发射飞行器使其克服地球引力，永远离开地球的最小地面发射速度第三宇宙速度：16.7 km/s在地面附近发射飞行器使其挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外的最小地面发射速度相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观时间延缓效应：Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ(选填“>”“<”或“＝”)，即物理过程的快慢(时间进程)跟物体的运动状态有关(填“有关”或“无关”)长度收缩效应：l＝l0eq \r(1－\f(v,c)2)l与l0的关系总有l＜l0(选填“>”“<”或“＝”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关(填“无关”或“有关”)牛顿力学的成就与局限性牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬牛顿力学的局限性：牛顿力学的适用范围是低速(填“高速”或“低速”)运动的宏观(填“宏观”或“微观”)物体牛顿力学不会被新的科学成就所否定，当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别科学思维理想化处理物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略把行星运动的椭圆轨道简化为圆轨道处理模型建构由“称量”地球的质量的方法过渡到称量中心天体质量由地球宇宙速度的求解过渡到其他天体宇宙速度的求解通过抽象思维，理解宇宙空间的特殊环境和宇宙探测器的工作原理；通过创新思维，发展新型的航天技术，开拓宇宙探索的新领域科学探究1.通过学习开普勒定律的得出过程，深刻认识、理解行星运动规律，明确科学探究的根源是绕过曲折过程认识事物的本质2.通过牛顿建立万有引力定律的过程，了解科学探究的基本过程和方法，如提出问题、假设和实验设计、数据采集和分析、结论验证和修正等3.知道应用万有引力与航天技术解决实际问题的实践探究，如“发现未知天体”、环境监测、地质勘探等4.通过拓展探究和科普教育，探究科学与人类社会的关系，如科学技术与经济社会发展的互动关系科学态度与责任1.体会科学家实事就是、尊重客观事实、不迷信权威、勇于探索的科学态度和科学精神，注重诚信和良好学习习惯的养成2.了解科学与社会的互动关系，认识到科学的重要性，要遵守学术道德和科学规范，加强环保意识和社会责任感3.能正确评价牛顿力学。知道人类对自然界的探索是不断深入的，科学结论的普适性总是相对的