《2020版高中物理人教必修二课件：6.5&6.6宇宙航行&经典力学的局限性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2020版高中物理人教必修二课件：6.5&6.6宇宙航行&经典力学的局限性（94页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5 宇 宙 航 行 6 经典力学的局限性 1 宇宙速度 任务驱动 中国计划将会在2020年左右发射一颗火星 探测卫星 要使火星探测卫星离开地球 其发射速度至 少多大 提示 发射速度至少11 2 103 m s 1 地球对周围的物体有引力的作用 因而水平抛出的 物体要 但是抛出的初速度越大 物体就会 飞得越 如果没有 当速度足够大时 物体就永 远不会落到地面上 将围绕地球运转 成为一颗绕地球 运动的 落回地面 远引力 卫星 2 第一宇宙速度的表达式是 和 3 要使人造卫星绕地球运行 它进入地面附近轨道的速度 必须等于或大于 km s 并且小于 km s 要使卫星 脱离地球引力不再绕地球运行 成为
2、人造行星 必须使它的 速度等于或大于 km s 要想使它飞到太阳系以外的 地方去 它的速度必须等于或大于 km s 7 911 2 11 2 16 7 2 梦想成真 1 1957年10月4日 世界上第一颗人造卫星在 发 射成功 1961年4月12日 苏联空军少校加加林进入了 东方一号载人飞船 铸就了人类进入太空的丰碑 苏联 2 1969年7月16日 在美国卡纳维拉 尔角点火升空 7月20日 指挥长阿姆斯特朗和驾驶员奥 尔德林在月面登陆 3 1992年 中国载人航天工程正式启动 阿波罗11号飞船 4 2003年10月15日9时 宇宙飞船在酒泉卫星 发射中心成功发射 把中国的第一位航天员 送 入太
3、空 神舟5号 杨利伟 3 从宏观到微观 经典力学有它的适用范围 只适用于 不适用 于 只适用于 不适用于 低速运动 高速运动宏观世界微观世界 主题一 宇宙速度 问题探究 牛顿曾提出过一个著名的思想实验 如图所 示 从高山上水平抛出一个物体 当抛出的 速度足够大时 物体将环绕地球运动 成为 人造地球卫星 1 当抛出速度较小时 物体做什么运动 提示 平抛运动 2 当物体刚好不落回地面时 物体做什么运动 提示 物体绕地球表面做匀速圆周运动 3 如何推导第一宇宙速度公式 提示 方法一 若已知地球的质量为M 地球半径为R地 引力常量为G时 物体在地球表面绕地球做匀速圆周运 动时 万有引力提供向心力 即
4、故v 方法二 若已知地球表面附近物体的重力加速度g和地 球半径R地时 那么物体绕地球做匀速圆周运动需要的 向心力也就等于重力 即mg 故v 4 为什么第一宇宙速度既是最大的环绕速度 也是最 小的发射速度 提示 第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球做 匀速圆周运动所必须具有的速度 在所有的卫星里其轨 道半径最小 根据v 可知其线速度最大 同时在 进行卫星发射时 只有发射速度大于等于第一宇宙速度 时 该卫星才能发射成功 所以说第一宇宙速度既是最 大的环绕速度 也是最小的发射速度 探究总结 三个宇宙速度 1 第一宇宙速度为7 9 km s 是最小发射速度 最大环 绕速度 称为环绕速度 2 第二宇
5、宙速度为11 2 km s 称为脱离速度 3 第三宇宙速度为16 7 km s 称为逃逸速度 典例示范 若取地球的第一宇宙速度为8 km s 某行星的质量是地 球的6倍 半径是地球的1 5倍 该行星的第一宇宙速度 约为 A 16 km s B 32 km s C 4 km sD 2 km s 解析 选A 由 因为行星的质 量M 是地球质量M的6倍 半径R 是地球半径R的1 5倍 即M 6M R 1 5R 得 即v 2v 2 8 km s 16 km s 故选A 规律方法 第一宇宙速度的三种求解方法 1 若已知中心天体质量M 则可通过v 求解 2 若已知中心天体表面的重力加速度g 则可由公式 v
6、 求解 3 若已知该星球表面卫星的转动周期T 则可由 v 求解 探究训练 1 下列表述正确的是 A 第一宇宙速度又叫环绕速度 B 第一宇宙速度又叫脱离速度 C 第一宇宙速度跟地球的质量无关 D 第一宇宙速度跟地球的半径无关 解析 选A 第一宇宙速度又叫环绕速度 A正确 B错 误 根据 可知 环绕速度与地球的质量和 半径有关 C D错误 2 2019 洛阳高一检测 已知地球自转的角速度为 7 29 10 5rad s 月球到地球中心的距离为3 84 108m 在地球表面发射卫星的第一宇宙速度为7 9 103 m s 第二宇宙速度为11 2 103 m s 第三宇宙速度为 16 7 103 m s
7、 假设地球上有一棵苹果树长到了接近 月球那么高 则当苹果脱离苹果树后 将 A 竖直向下落回地面 B 成为地球的同步 苹果卫星 C 成为地球的 苹果月亮 D 飞向茫茫宇宙 解析 选D 因为地球自转的角速度为7 29 10 5 rad s 月球到地球中心的距离为3 84 108 m 当 苹果树长到了接近月球那么高时 苹果的线速度为 v r 7 29 10 5 3 84 108 m s 28 103 m s 28 km s 此速度已经大于地球的第三宇宙速度 况且月 球表面的第三宇宙速度远小于地球第三宇宙速度 故当 苹果脱离苹果树后将飞向茫茫宇宙 D正确 补偿训练 1 中国 北斗 卫星导航系统是我国自
8、行研制的全球 卫星定位与通信系统 是继美国GPS系统和俄罗斯 格 洛纳斯 GLONASS 系统之后第三个成熟的卫星导航系 统 系统由空间端 地面端和用户端组成 其中空间端 包括5颗地球同步卫星和30颗非地球同步卫星 以下说 法正确的是 A 这5颗地球同步卫星的运行速度都大于第一宇宙速度 B 这5颗地球同步卫星的运行周期都与地球自转周期相 等 C 这5颗地球同步卫星运动的加速度大小不一定相同 D 为避免相撞 不同国家发射的地球同步卫星必须运行 在不同的轨道上 解析 选B 根据万有引力提供向心力 列出等式 解得v 可知这5颗地球同步卫星的 运行速度小于第一宇宙速度 选项A错误 由于这5颗卫 星是地
9、球的同步卫星 则其运行周期都与地球自转周期 相等 选项B正确 同步卫星的加速度a 所以这5颗 地球同步卫星的加速度大小一定相同 故C错误 地球同 步卫星的轨道与赤道平面重合 卫星离地面的高度相同 在相同的轨道上 故D错误 故选B 2 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 m3 那么该中子星上的第一宇宙速 度约为 A 7 9 km s B 16 7 km s C 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
10、表面处 的卫星的环绕速度 此时卫星的轨道半径近似地认为是 该中子星的半径 且中子星对卫星的万有引力充当向心 力 由 得v 又M V 得v r 1 104 m s 5 8 107 m s 主题二 人造卫星 问题探究 情景1 卫星种类主要有侦察卫星 通讯卫星 气象卫 星 地球资源勘测卫星等 不同种类的卫星轨道半径不 同 情景2 同步卫星是相对于地面静止的 和地球自转具 有相同的周期的卫星 1 不同种类的卫星 轨道不同 轨道的中心是否相同 提示 无论卫星沿什么轨道运动 轨道的中心都是地心 2 同一轨道上的两颗卫星 所受的向心力大小是否相 同 提示 根据v 知 同一轨道上的卫星线速度相同 由 Fn 知
11、 由于卫星的质量不一定相同 故向心力不一 定相同 3 根据同步卫星的特点 判断同步卫星的轨道平面的 特点 提示 由于同步卫星相对于地面静止 且轨道的中心在 地心 故同步卫星应在赤道的正上方 其轨道平面与赤 道平面重合 4 不同国家发射的同步卫星离地面高度是否相同 提示 同步卫星的周期都是24 h 根据T 知T相等 r也相等 故所有的同步卫星离地面高度相同 探究总结 1 人造卫星的运动规律 1 人造卫星的线速度 角速度 周期均与人造卫星的 质量无关 2 轨道半径越大 线速度越小 角速度越小 周期越长 常用规律表达式 由 可得 v r越大 v越小 由 m 2r可得 r越大 越小 由 可得 T 2
12、r越大 T越大 由 ma可得 a r越大 a越小 2 同步卫星的特点 1 定轨道平面 所有地球同步卫星的轨道平面均在赤 道平面内 2 定周期 运转周期与地球自转周期相同 T 24 h 3 定高度 半径 离地面高度为36 000 km 4 定速率 运行速率为3 1 103 m s 典例示范 2019 福州高一检测 如图所示 在地球轨道外侧有一 小行星带 假设行星带中的小行星都只受太阳引力作 用 并绕太阳做匀速圆周运动 下列说法正确的是 A 小行星带内侧行星的加速度小于外侧行星的加速度 B 与太阳距离相等的每一颗小行星 受到太阳的引力大 小都相等 C 各小行星绕太阳运动的周期大于一年 D 小行星带
13、内各行星绕太阳公转的线速度均大于地球 公转的线速度 解析 选C 小行星带内侧行星受到太阳的万有引力 大于外侧行星的万有引力 所以小行星带内侧行星的加 速度大于外侧行星的加速度 所以A错误 根据 可得T 可知卫星轨道半径越大 周期越 大 因为地球的周期为一年 而小行星的轨道半径大于 地球的轨道半径 则各小行星绕太阳运动的周期大于一 年 故C正确 由于每颗小行星的质量不一定相等 故与 太阳距离相等的每一颗小行星 受到太阳的引力大小不 一定都相等 B错误 由G m 可得v 可知 轨道半径越大 线速度越小 所以小行星带内各行星绕 太阳公转的线速度均小于地球公转的线速度 故D错误 探究训练 1 2019
14、 太原高一检测 2018 年 2 月 我国首颗电 磁监测试验卫星 张衡一号 在酒泉卫星发射中心成 功发射 标志着我国地震监测和地球物理探测正式迈入 太空 卫星质量约为 730 kg 运行高度为 500 km 通 过两极的太阳同步轨道 对同一地点的重访周期为 5 d 下列说法正确的是 A 张衡一号 绕地球运行的速度大于第一宇宙速度 B 张衡一号 绕地球运行的周期为 5 d C 张衡一号 的加速度小于地面的重力加速度 D 张衡一号 的轨道平面与地球赤道平面共面 解析 选C 卫星的轨道半径大于近地轨道半径 所 以速度要小于第一宇宙速度 故A错误 由于卫星通过两 极的太阳同步轨道 所以对同一地点的重访
15、周期不是卫 星本身的运行周期 B错误 由G mg可得卫星上的重 力加速度要小于地面上的重力加速度 故C正确 通过两 极的太阳同步轨道与赤道不能共面 故D错误 2 我国计划2020年发射火星探测器 实现火星的环绕 着陆和巡视探测 已知火星和地球绕太阳公转的轨道 都可近似为圆轨道 火星公转轨道半径约为地球公转轨 道半径的 火星的半径约为地球半径的 火星的 质量约为地球质量的 以下说法正确的是 A 火星的公转周期比地球小 B 火星的公转速度比地球大 C 探测器在火星表面时所受火星引力比在地球表面时 所受地球引力小 D 探测器环绕火星表面运行的速度比环绕地球表面运 行的速度大 解析 选C 设太阳质量为
16、M 行星质量为m 根据万有 引力提供向心力有 m 得T v 由于火星的公转半径比地球的公转半径大 所以火星的公转周期比地球的公转周期大 火星的公转 速度比地球的公转速度小 故A B错误 设探测器质量 为m1 则探测器在火星表面受到火星的引力F1 G 探测器在地球表面所受地球的引力F2 G 则 即F1 F2 即探测器在火星表 面时所受火星的引力比在地球表面所受地球的引力小 故C正确 根据万有引力提供向心力 探测器环绕火星表 面飞行时有 G m1 得v1 探测器 环绕地球表面飞行时有 G m1 得v2 80 min 所以不可能发射周期为80 min的卫星 方法二 利用第一宇宙速度 当人造地球卫星沿地球表面附近运动时 周期最短 其 线速度大小等于第一宇宙速度 即v 7 9 km s Tmin 5 1 103 s 85 min 80 min 所以80 min绕地球一周的卫星是不存在的 方法三 从卫星运动的轨道半径入手 假设卫星的周期为80 min 则其轨道半径r 其中GM gR2 解得r 6 2 106 maQ 探究总结 卫星变轨问题分析方法 1 速度大小的分析方法 卫星做匀速圆周运动经过某一
