《高中物理 第6章 万有引力与航天 第5节 宇宙航行 第6节 经典力学的局限性课件 新人教版必修2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 第6章 万有引力与航天 第5节 宇宙航行 第6节 经典力学的局限性课件 新人教版必修2（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第5节宇宙航行节宇宙航行第第6节经典力学的局限性节经典力学的局限性学习目标学习目标核心提炼核心提炼1.了解人造卫星的有关知识。了解人造卫星的有关知识。3个个速速度度第第一一、二二、三三宇宇宙速度宙速度几个关系几个关系线速度、角速度、线速度、角速度、周期与轨道半径的关系周期与轨道半径的关系2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。3.正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系。的关系。4.了解经典力学的局限性。了解经典力学的局限性。一、宇宙速度一、宇宙速度阅读教材第阅读教材第44页页“宇宙速度宇宙
2、速度”部分部分，知道人造地球卫星知道人造地球卫星的概念的概念，初步了解人造地球卫星的动力学原理。初步了解人造地球卫星的动力学原理。1.牛顿的设想牛顿的设想：如图：如图1所示，把物体水平抛出，如果速度所示，把物体水平抛出，如果速度_，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为_。足够大足够大人造地球卫星人造地球卫星图图12.近地卫星的速度近地卫星的速度7.93.宇宙速度宇宙速度数值数值意义意义第一宇宙速度第一宇宙速度_km/s卫星在地球表面附近绕地球卫星在地球表面附近绕地球做做_运动运动的速度的速度第二宇宙速度第二宇宙速度_km/s使卫星使卫星挣脱挣脱_引
3、力引力束缚的最小地面发射速束缚的最小地面发射速度度第三宇宙速度第三宇宙速度_km/s使卫星使卫星挣脱挣脱_引力引力束缚束缚的的_地面地面发射速发射速度度7.9匀速匀速圆周圆周11.2地球地球16.7太阳太阳最小最小思维拓展思维拓展1.在地球的周围在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动上绕地球转动，请思考：请思考：图图2(1)这些卫星的轨道平面有什么特点？这些卫星的轨道平面有什么特点？(2)这这些些卫卫星星的的线线速速度度、角角速速度度、周周期期跟跟什什么么因素有关呢？因素有关呢？2.不不同同天天体体的的第第一一宇宇宙宙速速度度是是否否相相同同？第第一一宇宇宙
4、宙速速度度的的决决定定因因素是什么？素是什么？3.把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？答案答案1.(1)轨道平面过地心轨道平面过地心(2)与轨道半径有关与轨道半径有关3.越大。向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为越大。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。发射卫星要克服地球对它的引力。二、梦想成真二、梦想成真阅阅读读教教材材第第4445页页“梦梦想想成成真真”部部分分，了了解解人人类类迈迈向向太太空空的重大历史事件。的重大历史事件。(1)1957年年10月月4日日_成功发射了第一颗人造
5、地球卫星。成功发射了第一颗人造地球卫星。(2)1961年年4月月12日日，苏苏联联空空军军少少校校_进进入入东东方方一一号号载载人飞船，铸就了人类进入太空的丰碑。人飞船，铸就了人类进入太空的丰碑。(3)1969年年7月，美国阿波罗月，美国阿波罗11号飞船登上号飞船登上_。(4)2003年年10月月15日，我国神舟五号宇宙飞船发射成功，把中日，我国神舟五号宇宙飞船发射成功，把中国第一位航天员国第一位航天员_送入太空。送入太空。苏联苏联加加林加加林月球月球杨利伟杨利伟思维拓展思维拓展宇宇航航员员在在太太空空中中离离开开飞飞船船后后而而不不落落回回地地面面，是是否否是是由由于宇航员不再受到地球的引力
6、作用？于宇航员不再受到地球的引力作用？答案答案不是。宇航员在太空中离开飞船后，依然绕地不是。宇航员在太空中离开飞船后，依然绕地球运动，受到地球的引力提供向心力。球运动，受到地球的引力提供向心力。三、经典力学的局限性三、经典力学的局限性阅读教材第阅读教材第4852页内容页内容，知道经典力学的适用范围知道经典力学的适用范围，初步初步了解微观、高速领域的理论。了解微观、高速领域的理论。1.从低速到高速从低速到高速速度远小于光速速度远小于光速接近光速运动接近光速运动物理理论物理理论经典力学经典力学_质量与速质量与速度的关系度的关系物体的质量是不随运动状物体的质量是不随运动状态改变的态改变的物体的质量随
7、着物体运动速度的物体的质量随着物体运动速度的增大增大而而_，m _ _位移、时间位移、时间与参考系的与参考系的关系关系位移的测量、时间的测量位移的测量、时间的测量都与都与参考系参考系_同一过程的位移和时间的测量在同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中不同参考系中是是_相对论相对论增大增大无关无关不同的不同的2.从宏观到微观从宏观到微观(1)微微观观世世界界：电电子子、质质子子、中中子子等等微微观观粒粒子子的的运运动动规规律律在在很很多多情情况况下下不不能能用用经经典典力力学学来来说说明明，而而_能能够够正正确确地地描描述述微观粒子的运动规律。微观粒子的运动规律。(2)经典力学的适用范围：只适
8、用于经典力学的适用范围：只适用于_运动，不适用于运动，不适用于_运动；只适用于运动；只适用于_世界，不适用于世界，不适用于_世界。世界。量子力学量子力学低速低速高速高速宏观宏观微观微观3.从弱引力到强引力从弱引力到强引力(1)1915年年，爱爱因因斯斯坦坦创创立立了了广广义义相相对对论论，这这是是一一种种新新的的时时空空与与引引力力的的理理论论。在在强强引引力力的的情情况况下下，牛牛顿顿的的引引力力理理论论_。(2)当物体的运动速度远小于光速当物体的运动速度远小于光速c(3108 m/s)时，相对论时，相对论物理学与经典物理学的结论物理学与经典物理学的结论_。当另一个重要。当另一个重要常数即常
9、数即“普朗克常量普朗克常量”(6.631034 Js)可以忽略不计时，可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论量子力学和经典力学的结论_。不再适用不再适用没有区别没有区别没有区别没有区别思考判断思考判断(1)洲洲际际导导弹弹的的速速度度有有时时可可达达到到6 000 m/s，这这一一速速度度属属于于相对论中的高速。相对论中的高速。( )(2)质量是物体的固有属性质量是物体的固有属性，任何时候都不会变。任何时候都不会变。( )(3)对于高速物体对于高速物体，它的质量随着速度的增加而变大。它的质量随着速度的增加而变大。( )(4)经经典典力力学学不不适适用用于于高高速速运运动动的的物物体体，但但适
10、适用用于于微微观观世世界。界。( )(5)对于宏观物体的低速运动问题对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与相对论、量子力学与经典力学是一致的。经典力学是一致的。( ) 要点归纳要点归纳宇宙速度及其理解宇宙速度及其理解1.认认识识第第一一宇宇宙宙速速度度：第第一一宇宇宙宙速速度度是是人人造造卫卫星星近近地地环环绕绕地地球球做匀速圆周运动必须具备的速度，即近地卫星的环绕速度。做匀速圆周运动必须具备的速度，即近地卫星的环绕速度。2.推导：推导：对于近地人造卫星，轨道半径对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径近似等于地球半径R6 400 km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地，
11、卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，取面上所受的重力，取g9.8 m/s2，则，则3.决定因素决定因素：由第一宇宙速度的计算式：由第一宇宙速度的计算式v 可以看出，第可以看出，第一宇宙速度的值由中心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于一宇宙速度的值由中心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量中心天体的质量M和半径和半径R，与卫星无关。，与卫星无关。4.对发射速度和环绕速度的理解对发射速度和环绕速度的理解(1)“最小发射速度最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星：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。近地轨道是人造困难
12、，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。度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。精典示例精典示例例例1 已已知知地地球球的的质质量量约约为为火火星星质质量量的的10倍倍，地地球球的的半半径径约约为为火火星星半半径径的的2倍倍，则则航航天天器器在在火火星星表表面面附附近近绕绕火火星星做做匀匀速速圆周运动的速率约为圆周运动的速率约为()A.3.5 km/s B.5.0 km/sC.17.7 km/s D.35.2 km/s答案答案
13、A针对训练针对训练1 已知某天体的第一宇宙速度为已知某天体的第一宇宙速度为8 km/s，则高度，则高度为该天体半径的为该天体半径的3倍轨道上宇宙飞船的运行速度为倍轨道上宇宙飞船的运行速度为()答案答案B要点归纳要点归纳人造地球卫星人造地球卫星1.人造卫星的轨道人造卫星的轨道：卫星绕地球做匀速圆周：卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力提供向心力。运动时，由地球对它的万有引力提供向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极特殊的有与赤
14、道共面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道。当然也存在着与赤道平点上空的极地轨道。当然也存在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道。面呈某一角度的圆轨道。人造地球卫星人造地球卫星的三种轨道的三种轨道图图32.卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系3.地球同步卫星地球同步卫星(1)概概念念：相相对对于于地地面面静静止止且且与与地地球球自自转转具具有有相相同同周周期期的的卫卫星星，叫做地球同步卫星。叫做地球同步卫星。(2)特点：特点：确定的转动方向：和地球自转方向一致；确定的转动方向：和地球自转方向一致；确定的周期：和地球自转周期相同，
15、即确定的周期：和地球自转周期相同，即T24 h；确定的角速度：等于地球自转的角速度；确定的角速度：等于地球自转的角速度；确确定定的的轨轨道道平平面面：所所有有的的同同步步卫卫星星都都在在赤赤道道的的正正上上方方，其其轨轨道平面必须与赤道平面重合；道平面必须与赤道平面重合；确定的高度：离地面高度固定不变确定的高度：离地面高度固定不变(3.6104 km)；确定的环绕速率：线速度大小一定确定的环绕速率：线速度大小一定(3.1103 m/s)。精典示例精典示例例例2 (多选多选)三颗人造地球卫星三颗人造地球卫星A、B、C绕地球绕地球做匀速圆周运动，如图做匀速圆周运动，如图4所示，已知所示，已知mAm
16、BmC，则对于三颗卫星，正确的是，则对于三颗卫星，正确的是()图图4A.运行线速度关系为运行线速度关系为vAvBvCB.运行周期关系为运行周期关系为TATBTCC.向心力大小关系为向心力大小关系为FAFBFC答案答案ABD针对训练针对训练2 a、b、c、d是在地球大气层外的是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星。其中圆形轨道上运行的四颗人造卫星。其中a、c的轨道相交于的轨道相交于P，b、d在同一个圆轨道上，在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上。某时刻四颗卫星的运行轨道在同一平面上。某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图方向及位置如图5所示，下列说法中正确的所示，下列说法中正确的是是()
17、图图5A.a、c的加速度大小相等，且大于的加速度大小相等，且大于b的加速度的加速度B.b、c的角速度大小相等，且小于的角速度大小相等，且小于a的角速度的角速度C.a、c的线速度大小相等，且小于的线速度大小相等，且小于d的线速度的线速度D.a、c存在存在P点相撞的危险点相撞的危险答案答案A要点归纳要点归纳经典力学的局限性经典力学的局限性1.低速与高速的概念低速与高速的概念(1)低低速速：通通常常所所见见物物体体的的运运动动，如如行行驶驶的的汽汽车车、发发射射的的导导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动。弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动。(2)高速：有些微观粒子在一
18、定条件下速度可以接近光速，高速：有些微观粒子在一定条件下速度可以接近光速，这样的速度称为高速。这样的速度称为高速。2.速度对质量的影响速度对质量的影响(1)在经典力学中，物体的质量不随速度而改变。根据牛顿第在经典力学中，物体的质量不随速度而改变。根据牛顿第二定律二定律Fma知，物体在力知，物体在力F作用下做匀变速运动，只要时间作用下做匀变速运动，只要时间足够长，物体的运动速度就可以增加到光速足够长，物体的运动速度就可以增加到光速c。3.速度对物理规律的影响速度对物理规律的影响：对于低速运动问题，一般用经典力：对于低速运动问题，一般用经典力学规律来处理。对于高速运动问题，经典力学已不再适用，学规
19、律来处理。对于高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用相对论知识来处理。需要用相对论知识来处理。精典示例精典示例例例3 如如果果真真空空中中的的光光速速为为c3108 m/s，当当一一个个物物体体的的运运动动速速度度为为v12.4108 m/s时时，质质量量为为3 kg，当当它它的的速速度度为为v21.8108 m/s时，质量为多少？时，质量为多少？思路探究思路探究(1)在高速运动问题中在高速运动问题中，物体的质量还是恒定不变的吗？物体的质量还是恒定不变的吗？(2)相对论中相对论中，物体的质量与速度的关系式：物体的质量与速度的关系式：m_。答案答案2.25 kg针对训练针对训练3 下列说法正确
20、的是下列说法正确的是()A.在在经经典典力力学学中中，物物体体的的质质量量不不随随运运动动状状态态而而改改变变，在在狭狭义义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变B.在在经经典典力力学学中中，物物体体的的质质量量随随运运动动速速度度的的增增加加而而减减小小，在在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大C.在在经经典典力力学学中中，物物体体的的质质量量是是不不变变的的，在在狭狭义义相相对对论论中中，物体的质量随物体速度的增大而增大物体的质量随物体速度的增大而增大D.上述说法都是错误的上述说法都是错误的解
21、解析析在在经经典典力力学学中中，物物体体的的质质量量是是不不变变的的，根根据据狭狭义义相相对对论论可可知知，物物体体的的质质量量随随物物体体速速度度的的增增大大而而增增大大，二二者者在在速速度度远小于光速时是统一的，故选项远小于光速时是统一的，故选项C正确。正确。答案答案 C1.(天体的运行规律天体的运行规律)(多选多选)质量为质量为m的探月航天器在接近的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行，其运动视为匀速圆周运动。月球表面的轨道上飞行，其运动视为匀速圆周运动。已知月球质量为已知月球质量为M，月球半径为，月球半径为R，月球表面重力加，月球表面重力加速度为速度为g，引力常量为，引力常量为G，不考
22、虑月球自转的影响，则，不考虑月球自转的影响，则航天器的航天器的()答案答案AC2.(一般卫星与同步卫星一般卫星与同步卫星)(2017西安高一检测西安高一检测)2015年年12月，我国暗物质粒子探测卫星月，我国暗物质粒子探测卫星“悟空悟空”发射升空进入高为发射升空进入高为5.0102 km的预定的预定轨道。轨道。“悟空悟空”卫星和地球同步卫星的运动卫星和地球同步卫星的运动均可视为匀速圆周运动。已知地球半径均可视为匀速圆周运动。已知地球半径R6.4103 km。下列说法正确的是。下列说法正确的是()图图6A.“悟空悟空”卫星的线速度比同步卫星的线速度小卫星的线速度比同步卫星的线速度小B.“悟空悟空
23、”卫星的角速度比同步卫星的角速度小卫星的角速度比同步卫星的角速度小C.“悟空悟空”卫星的运行周期比同步卫星的运行周期小卫星的运行周期比同步卫星的运行周期小D.“悟空悟空”卫星的向心加速度比同步卫星的向心加速度小卫星的向心加速度比同步卫星的向心加速度小答案答案C3.(地地球球同同步步卫卫星星)利利用用三三颗颗位位置置适适当当的的地地球球同同步步卫卫星星，可可使使地地球球赤赤道道上上任任意意两两点点之之间间保保持持无无线线电电通通讯讯。目目前前，地地球球同同步步卫卫星星的的轨轨道道半半径径约约为为地地球球半半径径的的6.6倍倍。假假设设地地球球的的自自转转周周期期变变小小，若若仍仍仅仅用用三三颗颗
24、同同步步卫卫星星来来实实现现上上述述目目的，则地球自转周期的最小值约为的，则地球自转周期的最小值约为()A.1 h B.4 hC.8 h D.16 h答案答案B4.(经经典典力力学学与与量量子子力力学学)关关于于经经典典力力学学和和量量子子力力学学，下下列列说说法法中中正确的是正确的是()A.不不论论是是对对宏宏观观物物体体，还还是是微微观观粒粒子子，经经典典力力学学和和量量子子力力学学都都是适用的是适用的B.量量子子力力学学适适用用于于宏宏观观物物体体的的运运动动；经经典典力力学学适适用用于于微微观观粒粒子子的运动的运动C.经经典典力力学学适适用用于于宏宏观观物物体体的的运运动动；量量子子力
25、力学学适适用用于于微微观观粒粒子子的运动的运动D.上述说法都是错误的上述说法都是错误的解解析析经经典典力力学学适适用用于于低低速速运运动动、宏宏观观物物体体，不不适适用用于于高高速速运运动动、微微观观粒粒子子。量量子子力力学学既既适适用用于于宏宏观观物物体体；也也适适用用于微观物体于微观物体，故选项故选项C正确。正确。答案答案C5.(人人造造卫卫星星的的运运行行及及有有关关计计算算)一一颗颗人人造造卫卫星星在在离离地地面面高高度度等等于于地地球球半半径径的的圆圆形形轨轨道道上上运运行行，已已知知地地球球的的第第一一宇宇宙速度为宙速度为v17.9 km/s，g取取9.8 m/s2。(1)这颗卫星运行的线速度为多大？这颗卫星运行的线速度为多大？(2)它绕地球运动的向心加速度为多大？它绕地球运动的向心加速度为多大？(3)质量为质量为1 kg的仪器放在卫星内的平台上，仪器的重力的仪器放在卫星内的平台上，仪器的重力为多大？它对平台的压力为多大？为多大？它对平台的压力为多大？答案答案(1)5.6 km/s(2)2.45 m/s2(3)2.45 N0
