高中物理 第六章 萬有引力與航天 5 宇宙航行課件 新人教版必修2.ppt

第六章 5宇宙航行 學習目標1 知道三個宇宙速度的含義 會推導第一宇宙速度 2 認識同步衛(wèi)星的特點 3 了解人造衛(wèi)星的相關(guān)知識和我國衛(wèi)星發(fā)射的情況以及人類對太空的探索歷程 內(nèi)容索引 自主預習梳理 重點知識探究 當堂達標檢測 自主預習梳理 1 牛頓的設(shè)想 如圖1所示 把物體水平拋出 如果速度 物體就不再落回地面 它將繞地球運動 成為 一 宇宙速度 圖1 足夠大 人造地球衛(wèi)星 2 三個宇宙速度 表面附近 7 9 勻速圓周運動 11 2 16 7 地球 太陽 最小 二 夢想成真 1 1957年10月4日成功發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星 2 1961年4月12日 蘇聯(lián)空軍少校進入 東方一號 載人飛船 鑄就了人類進入太空的豐碑 3 1969年7月 美國 阿波羅11號 飛船登上 4 2003年10月15日 我國 神舟五號 宇宙飛船發(fā)射成功 把中國第一位航天員送入太空 蘇聯(lián) 加加林 月球 楊利偉 1 判斷下列說法的正誤 1 第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度 2 人造地球衛(wèi)星的最小繞行速度是7 9km s 3 要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星 發(fā)射速度必須大于16 7km s 2 已知月球半徑為r 月球質(zhì)量為m 引力常量為g 則月球的第一宇宙速度v 重點知識探究 2 把衛(wèi)星發(fā)射到更高的軌道上需要的發(fā)射速度越大還是越小 答案越大 向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難 因為發(fā)射衛(wèi)星要克服地球?qū)λ囊?一 第一宇宙速度的理解與計算 1 不同天體的第一宇宙速度是否相同 第一宇宙速度的決定因素是什么 答案 可以看出 第一宇宙速度的值取決于中心天體的質(zhì)量m和半徑r 與衛(wèi)星無關(guān) 1 第一宇宙速度 第一宇宙速度是人造衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運動的繞行速度 2 推導 對于近地人造衛(wèi)星 軌道半徑r近似等于地球半徑r 6400km 衛(wèi)星在軌道處所受的萬有引力近似等于衛(wèi)星在地面上所受的重力 取g 9 8m s2 則 3 推廣由第一宇宙速度的兩種表達式看出 第一宇宙速度的值由中心天體決定 可以說任何一顆行星都有自己的第一宇宙速度 都應以表示 式中g(shù)為引力常量 m為中心天體的質(zhì)量 g為中心天體表面的重力加速度 r為中心天體的半徑 4 理解 1 最小發(fā)射速度 與 最大繞行速度 最小發(fā)射速度 向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難 因為發(fā)射衛(wèi)星要克服地球?qū)λ囊?所以近地軌道的發(fā)射速度 第一宇宙速度 是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度 最大繞行速度 由軌道半徑越小 線速度越大 所以近地衛(wèi)星的線速度 第一宇宙速度 是最大繞行速度 2 發(fā)射速度與發(fā)射軌道 當7 9km s v發(fā) 11 2km s時 衛(wèi)星繞地球運動 且發(fā)射速度越大 衛(wèi)星的軌道半徑越大 繞行速度越小 當11 2km s v發(fā) 16 7km s時 衛(wèi)星繞太陽旋轉(zhuǎn) 成為太陽系一顆 小行星 當v發(fā) 16 7km s時 衛(wèi)星脫離太陽的引力束縛跑到太陽系以外的空間中去 例1我國發(fā)射了一顆繞月運行的探月衛(wèi)星 嫦娥一號 設(shè)該衛(wèi)星的軌道是圓形的 且貼近月球表面 已知月球的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的 月球的半徑約為地球半徑的 地球上的第一宇宙速度約為7 9km s 則該探月衛(wèi)星繞月運行的最大速率約為a 0 4km sb 1 8km sc 11km sd 36km s 解析 答案 解析星球的第一宇宙速度即為圍繞星球做圓周運動的軌道半徑為該星球半徑時的環(huán)繞速度 由萬有引力提供向心力即可得出這一最大環(huán)繞速度 衛(wèi)星所需的向心力由萬有引力提供 該星球的第一宇宙速度即為衛(wèi)星在其表面附近繞它做勻速圓周運動的線速度 該星球?qū)πl(wèi)星的引力 重力 提供衛(wèi)星做圓周運動的向心力 例2某人在一星球上以速率v豎直上拋一物體 經(jīng)時間t后 物體以速率v落回手中 已知該星球的半徑為r 求該星球的第一宇宙速度 解析 答案 答案b c d軌道都可以 因為衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動 萬有引力提供向心力 而萬有引力是始終指向地心的 故衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力必須指向地心 因此b c軌道都可以 a軌道不可以 衛(wèi)星也可在橢圓軌道運行 故d軌道也可以 二 人造地球衛(wèi)星 1 如圖2所示 圓a b c的圓心均在地球的自轉(zhuǎn)軸線上 b c的圓心與地心重合 d為橢圓軌道 且地心為橢圓的一個焦點 四條軌道中哪些可以作為衛(wèi)星軌道 為什么 答案 圖2 答案同步衛(wèi)星是相對地面靜止的衛(wèi)星 必須和地球自轉(zhuǎn)同步 也就是說必須在赤道面上 周期是24h 由于周期一定 故同步衛(wèi)星離地面的高度也是一定的 即同步衛(wèi)星不可以任意選擇高度和軌道面 2 地球同步衛(wèi)星的軌道在哪個面上 周期是多大 同步衛(wèi)星的高度和軌道面可以任意選擇嗎 答案 1 人造地球衛(wèi)星的軌道 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動時 由地球?qū)λ娜f有引力充當向心力 因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的圓心必與地心重合 而這樣的軌道有多種 其中比較特殊的有與赤道共面的赤道軌道和通過兩極上空的極地軌道 當然也存在著與赤道平面呈某一角度的圓軌道 如圖3所示 圖3 2 地球同步衛(wèi)星 1 定義 相對于地面靜止的衛(wèi)星 又叫靜止衛(wèi)星 2 特點 確定的轉(zhuǎn)動方向 和地球自轉(zhuǎn)方向一致 確定的周期 和地球自轉(zhuǎn)周期相同 即t 24h 確定的角速度 等于地球自轉(zhuǎn)的角速度 確定的軌道平面 所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方 其軌道平面必須與赤道平面重合 確定的高度 離地面高度固定不變 3 6 104km 確定的環(huán)繞速率 線速度大小一定 3 1 103m s 例3關(guān)于地球的同步衛(wèi)星 下列說法正確的是a 同步衛(wèi)星的軌道和北京所在緯度圈共面b 同步衛(wèi)星的軌道必須和地球赤道共面c 所有同步衛(wèi)星距離地面的高度不一定相同d 所有同步衛(wèi)星的質(zhì)量一定相同 答案 解析 解析同步衛(wèi)星所受向心力指向地心 與地球自轉(zhuǎn)同步 故衛(wèi)星所在軌道與赤道共面 故a項錯誤 b項正確 同步衛(wèi)星距地面高度一定 但衛(wèi)星的質(zhì)量不一定相同 故c d項錯誤 解決本題的關(guān)鍵是掌握同步衛(wèi)星的特點 同步衛(wèi)星定軌道 在赤道上方 定周期 與地球的自轉(zhuǎn)周期相同 定速率 定高度 針對訓練 多選 我國 中星11號 商業(yè)通信衛(wèi)星是一顆同步衛(wèi)星 它定點于東經(jīng)98 2度的赤道上空 關(guān)于這顆衛(wèi)星的說法正確的是a 運行速度大于7 9km sb 離地面高度一定 相對地面靜止c 繞地球運行的角速度比月球繞地球運行的角速度大d 向心加速度與靜止在赤道上物體的向心加速度大小相等 解析 答案 解析 中星11號 是地球同步衛(wèi)星 距地面有一定的高度 運行速度要小于7 9km s a錯 其位置在赤道上空 高度一定 且相對地面靜止 b正確 其運行周期為24小時 小于月球的繞行周期27天 由知 其運行角速度比月球的大 c正確 同步衛(wèi)星與靜止在赤道上的物體具有相同的角速度 但半徑不同 由an r 2知 同步衛(wèi)星的向心加速度大 d錯 當堂達標檢測 1 對宇宙速度的理解 多選 下列關(guān)于三種宇宙速度的說法中正確的是a 第一宇宙速度v1 7 9km s 第二宇宙速度v2 11 2km s 則人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運行時的速度大于等于v1 小于v2b 美國發(fā)射的 鳳凰號 火星探測衛(wèi)星 其發(fā)射速度大于第三宇宙速度c 第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛 成為繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度d 第一宇宙速度7 9km s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最大運行速度 1 2 3 4 答案 解析 實際上 由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑 故衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運行時的速度都小于第一宇宙速度 選項a錯誤 美國發(fā)射的 鳳凰號 火星探測衛(wèi)星 仍在太陽系內(nèi) 所以其發(fā)射速度小于第三宇宙速度 選項b錯誤 第二宇宙速度是使物體掙脫地球引力束縛而成為太陽的一顆人造行星的最小發(fā)射速度 選項c正確 1 2 3 4 2 對同步衛(wèi)星的認識 下列關(guān)于我國發(fā)射的 亞洲一號 地球同步通訊衛(wèi)星的說法 正確的是a 若其質(zhì)量加倍 則軌道半徑也要加倍b 它在北京上空運行 故可用于我國的電視廣播c 它以第一宇宙速度運行d 它運行的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同 解析 答案 1 2 3 4 同步衛(wèi)星的軌道平面必須與赤道平面重合 即在赤道上空運行 不能在北京上空運行 b錯 第一宇宙速度是衛(wèi)星在最低圓軌道上運行的速度 而同步衛(wèi)星在高軌道上運行 其運行速度小于第一宇宙速度 c錯 所謂 同步 就是衛(wèi)星保持與赤道上某一點相對靜止 所以同步衛(wèi)星的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同 d對 1 2 3 4 3 第一宇宙速度的計算 若取地球的第一宇宙速度為8km s 某行星的質(zhì)量是地球質(zhì)量的6倍 半徑是地球半徑的1 5倍 此行星的第一宇宙速度約為a 16km sb 32km sc 4km sd