《2018-2019高中物理 第六章 万有引力与航天 6.5 宇宙航行课件 新人教版必修2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2018-2019高中物理 第六章 万有引力与航天 6.5 宇宙航行课件 新人教版必修2（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5.宇 宙 航 行 一、人造地球卫星一、人造地球卫星1.1.牛顿的设想牛顿的设想: :如图所示如图所示, ,把物体水平抛出把物体水平抛出, ,如果速度如果速度_,_,物体就不再落回地面物体就不再落回地面, ,它将绕地球运动它将绕地球运动, ,成为成为_。足够大足够大人造地球卫星人造地球卫星2.2.近地卫星的速度近地卫星的速度: :(1)(1)原理原理: :飞行器绕地球做匀速圆周运动飞行器绕地球做匀速圆周运动, ,运动所需的向运动所需的向心力由万有引力提供心力由万有引力提供, ,所以所以 =_,=_,解得解得: :v= _v= _。(2)(2)结果结果: :用地球半径用地球半径R R代表近地卫星
2、到地心的距离代表近地卫星到地心的距离r,r,可算出可算出:v= m/s=_ km/s:v= m/s=_ km/s。7.97.9二、宇宙速度二、宇宙速度数值数值意义意义第一宇第一宇宙速度宙速度_ km/s_ 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_的速度的速度第二宇第二宇宙速度宙速度_ km/s_ km/s使卫星挣脱使卫星挣脱_引力束缚的引力束缚的最小地面发射速度最小地面发射速度第三宇第三宇宙速度宙速度_ km/s_ km/s使卫星挣脱使卫星挣脱_引力束缚的引力束缚的_地面发射速度地面发射速度7.97.9匀速圆周运动匀速圆周运动11.211.2地球地球16.716.7太阳太
3、阳最小最小三、梦想成真三、梦想成真1.19571.1957年年1010月月4 4日日_成功发射了第一颗人造地球卫星。成功发射了第一颗人造地球卫星。2.19612.1961年年4 4月月1212日日, ,苏联空军少校苏联空军少校_进入进入“东方一东方一号号”载人飞船载人飞船, ,铸就了人类进入太空的丰碑。铸就了人类进入太空的丰碑。3.19693.1969年年7 7月月, ,美国美国“阿波罗阿波罗1111号号”飞船登上飞船登上_。4.20034.2003年年1010月月1515日日, ,我国我国“神舟五号神舟五号”宇宙飞船发射宇宙飞船发射成功成功, ,把中国第一位航天员把中国第一位航天员_送入太空
4、。送入太空。苏联苏联加加林加加林月球月球杨利伟杨利伟【思考辨析】【思考辨析】(1)(1)第一宇宙速度是发射卫星的最小速度。第一宇宙速度是发射卫星的最小速度。( () )(2)(2)无论从哪个星球上发射卫星无论从哪个星球上发射卫星, ,发射速度都要大于发射速度都要大于7.9 km/s7.9 km/s。( () )(3)(3)当发射速度当发射速度v7.9 km/sv7.9 km/s时时, ,卫星将脱离地球的吸引卫星将脱离地球的吸引, ,不再绕地球运动。不再绕地球运动。( () )(4)(4)地球所有的卫星在轨道上的运行速度都为地球所有的卫星在轨道上的运行速度都为7.9 km/s7.9 km/s。(
5、 () )(5)(5)人造地球卫星离地面越高人造地球卫星离地面越高, ,运动速度越小。运动速度越小。 ( () )提示提示: :(1)(1)。只有发射速度大于等于第一宇宙速度。只有发射速度大于等于第一宇宙速度, ,卫卫星才能不落回地面星才能不落回地面, ,第一宇宙速度是最小发射速度。第一宇宙速度是最小发射速度。(2)(2)。不同星球的第一宇宙速度不同。不同星球的第一宇宙速度不同。(3)(3)。使卫星脱离地球引力束缚的最小发射速度是。使卫星脱离地球引力束缚的最小发射速度是 11.2 km/s11.2 km/s。(4)(4)。地球所有的卫星在轨道上的运行速度都小于或。地球所有的卫星在轨道上的运行速
6、度都小于或等于等于7.9 km/s7.9 km/s。(5)(5)。由。由 得卫星的速度为得卫星的速度为v= ,v= ,故卫星故卫星离地面越高离地面越高, ,运动半径越大运动半径越大, ,速度越小。速度越小。一第一宇宙速度及其理解一第一宇宙速度及其理解考查角度考查角度1 1 第一宇宙速度的理解第一宇宙速度的理解【典例【典例1 1】( (多选多选) )关于第一宇宙速度关于第一宇宙速度, ,以下叙述正确的以下叙述正确的是是( () )A.A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B.B.它是近地圆轨道上人造卫星运行的速度它是近地圆轨道上人造卫星运行的速度C.C.它是
7、使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度D.D.它是人造卫星发射时的最大速度它是人造卫星发射时的最大速度【正确解答】【正确解答】选选B B、C C。第一宇宙速度是指卫星围绕天。第一宇宙速度是指卫星围绕天体表面做匀速圆周运动的线速度体表面做匀速圆周运动的线速度, ,满足关系满足关系 即即v= ,v= ,且由该式知且由该式知, ,它是最大环绕速度它是最大环绕速度; ;卫星发射得越高卫星发射得越高, ,需要的发射速度越大需要的发射速度越大, ,故第一宇宙故第一宇宙速度等于最小发射速度速度等于最小发射速度, ,选项选项B B、C C正确。正确。【核心归纳】【核心归纳
8、】1.1.认识第一宇宙速度认识第一宇宙速度: :第一宇宙速度是人造卫星近地环第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的速度绕地球做匀速圆周运动必须具备的速度, ,即近地卫星的即近地卫星的环绕速度。环绕速度。2.2.第一宇宙速度的计算式第一宇宙速度的计算式: :(1) :(1) :由由 推导可得推导可得v= v= 。(2)v= :(2)v= :由由mg= mg= 推导可得推导可得v= v= 。3.3.第一宇宙速度的理解第一宇宙速度的理解: :(1)“(1)“最小发射速度最小发射速度”: :发射卫星时发射卫星时, ,卫卫星远离地球要克服地球对它的引力星远离地球要克服地球对它的引力,
9、 ,所以所以, ,发射速度越发射速度越大大, ,卫星发射轨道的远地点越高。如图卫星发射轨道的远地点越高。如图: :近地轨道是人造卫星的最低运行轨道近地轨道是人造卫星的最低运行轨道, ,而近地轨道的发而近地轨道的发射速度是第一宇宙速度射速度是第一宇宙速度, ,所以第一宇宙速度是人造卫星所以第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度。的最小发射速度。(2)“(2)“最大环绕速度最大环绕速度”: :卫星定轨做匀速圆周运动时卫星定轨做匀速圆周运动时, ,由由 可得可得v= v= 所以轨道半径越小所以轨道半径越小, ,线速度越大线速度越大, ,如图如图: :所以在环绕地球匀速圆周运动的这些卫星中所以在环绕地球
10、匀速圆周运动的这些卫星中, ,近地卫近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。【易错提醒】【易错提醒】(1)(1)近地卫星距离地面的高度远小于地球近地卫星距离地面的高度远小于地球半径半径, ,故它的运行轨道半径约等于地球半径。故它的运行轨道半径约等于地球半径。(2)(2)三个宇宙速度分别为三种不同情况下在地球表面发三个宇宙速度分别为三种不同情况下在地球表面发射卫星的最小发射速度射卫星的最小发射速度, ,不同星球的第一宇宙速度不同。不同星球的第一宇宙速度不同。考查角度考查角度2 2 第一宇宙速度的计算第一宇宙速度的计算【典例【典例2 2】若取地球的第一
11、宇宙速度为若取地球的第一宇宙速度为8 km/s,8 km/s,某行星某行星质量是地球的质量是地球的6 6倍倍, ,半径是地球的半径是地球的1.51.5倍倍, ,此行星的第一此行星的第一宇宙速度约为宇宙速度约为A.16 km/sA.16 km/sB.32 B.32 km/skm/sC.4 km/sC.4 km/sD.2 km/sD.2 km/s【解析】【解析】选选A A。第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度。第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度, ,对于近地卫星对于近地卫星, ,其轨道半径近似等于星球半径其轨道半径近似等于星球半径, ,所受万所受万有引力提供其做匀速圆周运动的向心力有引力提供其做匀速圆周
12、运动的向心力, ,根据万有引力根据万有引力定律和牛顿第二定律得定律和牛顿第二定律得 解得解得v= v= 因为行星的质量因为行星的质量MM是地球质量是地球质量M M的的6 6倍倍, ,半径半径RR是地球是地球半径半径R R的的1.51.5倍倍, ,故故 即即v=2v=28 km/s=16 km/s,Av=2v=28 km/s=16 km/s,A正确。正确。【核心归纳】【核心归纳】计算第一宇宙速度的两个方法计算第一宇宙速度的两个方法(1)(1)根据星球表面的重力加速度可计算它的第一宇宙速根据星球表面的重力加速度可计算它的第一宇宙速度度, ,依据是依据是mg=m mg=m 。(2)(2)根据星球的近
13、地卫星的运动情况可计算它的第一宇根据星球的近地卫星的运动情况可计算它的第一宇宙速度宙速度, ,依据是依据是 【过关训练】【过关训练】1.(1.(多选多选) )第一宇宙速度是物体在地球表面附近环绕地第一宇宙速度是物体在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的速度球做匀速圆周运动的速度, ,则有则有( () )A.A.被发射的物体质量越大被发射的物体质量越大, ,第一宇宙速度越大第一宇宙速度越大B.B.被发射的物体质量越小被发射的物体质量越小, ,第一宇宙速度越大第一宇宙速度越大C.C.第一宇宙速度与被发射物体的质量无关第一宇宙速度与被发射物体的质量无关D.D.第一宇宙速度与地球的质量有关第一宇宙速度
14、与地球的质量有关【解析】【解析】选选C C、D D。第一宇宙速度。第一宇宙速度v v1 1= ,= ,与地球质量与地球质量M M有关。与发射物体质量无关。故选项有关。与发射物体质量无关。故选项C C、D D正确。正确。2.2.已知地球的质量约为火星质量的已知地球的质量约为火星质量的1010倍倍, ,地球的半径约地球的半径约为火星半径的为火星半径的2 2倍倍, ,则航天器在火星表面附近绕火星做则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为匀速圆周运动的速率约为( () )A.3.5 km/sA.3.5 km/sB.5.0 km/sB.5.0 km/sC.17.7 km/sC.17.7 km
15、/sD.35.2 km/sD.35.2 km/s【解析】【解析】选选A A。构建公转模型。构建公转模型, ,对卫星由万有引力提供对卫星由万有引力提供向心力向心力, ,有有 对近地卫星有对近地卫星有v v近地近地= = 同理对航天器有同理对航天器有v v航航= = 联立两式有联立两式有 而而v v近地近地=7.9 km/s,=7.9 km/s,解得解得v v航航=3.5 km/s,A=3.5 km/s,A项正确。项正确。【补偿训练】【补偿训练】在某星球表面以初速度在某星球表面以初速度v v0 0竖直上抛一个物体竖直上抛一个物体, ,若若物体只受该星球引力作用物体只受该星球引力作用, ,忽略其他力
16、的影响忽略其他力的影响, ,物体物体上升的最大高度为上升的最大高度为H,H,已知该星球的直径为已知该星球的直径为D,D,如果要如果要在这个星球上发射一颗绕它运行的近在这个星球上发射一颗绕它运行的近“地地”卫星卫星, ,其其环绕速度为环绕速度为( () ) 【解析】【解析】选选B B。因为物体做竖直上抛运动。因为物体做竖直上抛运动, ,根据其规律根据其规律, ,上升的最大高度上升的最大高度H= ,H= ,得到星球表面的重力加速度得到星球表面的重力加速度g= ;g= ;当当“近地近地”卫星绕该星球做圆周运动时卫星绕该星球做圆周运动时, ,轨道半轨道半径径R= ,R= ,此时重力提供卫星的向心力有此
17、时重力提供卫星的向心力有mg=m ,mg=m ,所以所以, , , ,选项选项B B正确。正确。二人造地球卫星二人造地球卫星考查角度考查角度1 1 人造卫星的轨道特点人造卫星的轨道特点【典例【典例1 1】某位同学设想了人造地球卫星轨道某位同学设想了人造地球卫星轨道( (卫星发卫星发动机关闭动机关闭),),其中不可能的是其中不可能的是【解析】【解析】选选D D。人造地球卫星靠万有引力提供向心力。人造地球卫星靠万有引力提供向心力, ,做匀速圆周运动做匀速圆周运动, ,万有引力的方向指向地心万有引力的方向指向地心, ,所以圆周所以圆周运动的圆心是地心。故运动的圆心是地心。故A A、B B、C C正确
18、正确,D,D错误。错误。【核心归纳】【核心归纳】1.1.卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系半径的关系: :2.2.人造卫星的轨道人造卫星的轨道: :卫星绕地球做匀速圆周运动时卫星绕地球做匀速圆周运动时, ,由由地球对它的万有引力充当向心力地球对它的万有引力充当向心力, ,因此卫星绕地球做匀因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合。速圆周运动的圆心必与地心重合。考查角度考查角度2 2 地球同步卫星地球同步卫星【典例【典例2 2】关于地球同步卫星的说法正确的是关于地球同步卫星的说法正确的是( () )A.A.所有地球同步卫星一定
19、在赤道上空所有地球同步卫星一定在赤道上空B.B.不同的地球同步卫星不同的地球同步卫星, ,离地高度不同离地高度不同C.C.不同的地球同步卫星的向心加速度大小不相等不同的地球同步卫星的向心加速度大小不相等D.D.所有地球同步卫星受到的向心力大小一定相等所有地球同步卫星受到的向心力大小一定相等【解析】【解析】选选A A。地球同步卫星一定位于赤道上方。地球同步卫星一定位于赤道上方, ,周期周期一定一定, ,离地面高度一定离地面高度一定, ,向心加速度大小一定向心加速度大小一定, ,选项选项A A正正确确, ,选项选项B B、C C错误错误; ;由由F= F= 知知, ,因不同的卫星质量不因不同的卫星
20、质量不同同, ,其受到的地球的万有引力不同其受到的地球的万有引力不同, ,向心力不同向心力不同, ,选项选项D D错误。错误。【核心归纳】【核心归纳】地球同步卫星地球同步卫星(1)(1)概念概念: :相对于地面静止且与地球自转具有相同周期相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星的卫星, ,叫作地球同步卫星。叫作地球同步卫星。(2)(2)特点。特点。确定的转动方向确定的转动方向: :和地球自转方向一致。和地球自转方向一致。确定的周期确定的周期: :和地球自转周期相同和地球自转周期相同, ,即即T=24 hT=24 h。确定的角速度确定的角速度: :等于地球自转的角速度。等于地球自转的角速度。
21、确定的轨道平面确定的轨道平面: :所有的同步卫星都在赤道的正上方所有的同步卫星都在赤道的正上方, ,其轨道平面必须与赤道平面重合。其轨道平面必须与赤道平面重合。确定的高度确定的高度: :离地面高度固定不变离地面高度固定不变(3.610(3.6104 4 km) km)。确定的环绕速率确定的环绕速率: :线速度大小一定线速度大小一定(3.110(3.1103 3 m/s) m/s)。【过关训练】【过关训练】1.1.地球上有两位相距非常远的观察者地球上有两位相距非常远的观察者, ,都发现自己的正都发现自己的正上方有一颗人造地球卫星相对自己静止不动上方有一颗人造地球卫星相对自己静止不动, ,则这两位
22、则这两位观察者的位置以及两颗人造地球卫星到地球中心的距观察者的位置以及两颗人造地球卫星到地球中心的距离可能是离可能是( () )A.A.一人在南极一人在南极, ,一人在北极一人在北极, ,两卫星到地球中心的距离两卫星到地球中心的距离一定相等一定相等B.B.一人在南极一人在南极, ,一人在北极一人在北极, ,两卫星到地球中心的距离两卫星到地球中心的距离可以不等可以不等, ,但应成整数倍但应成整数倍C.C.两人都在赤道上两人都在赤道上, ,两卫星到地球中心的距离一定相等两卫星到地球中心的距离一定相等D.D.两人都在赤道上两人都在赤道上, ,两卫星到地球中心的距离可以不等两卫星到地球中心的距离可以不
23、等, ,但应成整数倍但应成整数倍【解析】【解析】选选C C。在夜晚都发现自己正上方有一颗人造地。在夜晚都发现自己正上方有一颗人造地球卫星相对自己静止不动球卫星相对自己静止不动, ,说明此卫星为地球同步卫星说明此卫星为地球同步卫星, ,运行轨道为位于地球赤道平面上距离地球的高度约为运行轨道为位于地球赤道平面上距离地球的高度约为36 000 km,36 000 km,所以两个人都在赤道上所以两个人都在赤道上, ,两卫星到地球中心两卫星到地球中心的距离一定相等的距离一定相等, ,选项选项C C正确。正确。2.“2.“北斗北斗”卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星( (
24、同同步卫星步卫星) )、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成。地球静止、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成。地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行, ,它们距地面它们距地面的高度分别约为地球半径的的高度分别约为地球半径的6 6倍和倍和3.43.4倍。下列说法正倍。下列说法正确的是确的是( () )A.A.静止轨道卫星的周期约为中轨道卫星的静止轨道卫星的周期约为中轨道卫星的2 2倍倍B.B.静止轨道卫星的线速度大小约为中轨道卫星的静止轨道卫星的线速度大小约为中轨道卫星的2 2倍倍C.C.静止轨道卫星的角速度大小约为中轨道卫星的静止轨道卫星的角速度大小约为中轨道卫星的
25、D.D.静止轨道卫星的向心加速度大小约为中轨道卫星的静止轨道卫星的向心加速度大小约为中轨道卫星的 【解析】【解析】选选A A。由。由 =m(R+h)=m(R+h)2 2=ma,=ma,可得可得: : 选项选项A A正确。正确。【补偿训练】【补偿训练】1.1.将地球看作质量均匀分布的球体将地球看作质量均匀分布的球体, ,在其上空有许多同在其上空有许多同步卫星步卫星, ,下列说法中正确的是下列说法中正确的是 ( () )A.A.它们的质量可能不同它们的质量可能不同B.B.它们的角速度可能不同它们的角速度可能不同C.C.它们的向心加速度可能不同它们的向心加速度可能不同D.D.它们离地心的距离可能不同
26、它们离地心的距离可能不同【解析】【解析】选选A A。所谓地球同步卫星。所谓地球同步卫星, ,是相对地面静止且是相对地面静止且和地球有相同周期、角速度的卫星。同步卫星定位于和地球有相同周期、角速度的卫星。同步卫星定位于赤道的正上方赤道的正上方, ,离地面的高度约为离地面的高度约为3.6103.6104 4 km km。因此。因此所有同步卫星离地心的距离均相同所有同步卫星离地心的距离均相同, ,向心加速度也相同。向心加速度也相同。2.2.关于关于“亚洲一号亚洲一号”地球同步通讯卫星地球同步通讯卫星, ,下述说法正确下述说法正确的是的是 ( () )A.A.已知它的质量是已知它的质量是1.24 t,
27、1.24 t,若将它的质量增为若将它的质量增为2.48 t,2.48 t,其同步轨道半径将变为原来的其同步轨道半径将变为原来的2 2倍倍B.B.它的运行速度大于它的运行速度大于7.9 km/s7.9 km/sC.C.它可以绕过北京的正上方它可以绕过北京的正上方, ,所以我国能利用它进行电所以我国能利用它进行电视转播视转播D.D.它距地面的高度约为地球半径的它距地面的高度约为地球半径的5 5倍倍, ,故它的向心加故它的向心加速度约为其下方地面上物体的重力加速度的速度约为其下方地面上物体的重力加速度的 【解析】【解析】选选D D。同步卫星的轨道半径是固定的。同步卫星的轨道半径是固定的, ,与质量与
28、质量大小无关大小无关,A,A错错;7.9 km/s;7.9 km/s是人造卫星的最小发射速度是人造卫星的最小发射速度, ,同时也是卫星的最大环绕速度同时也是卫星的最大环绕速度, ,卫星的轨道半径越大卫星的轨道半径越大, ,其线速度越小其线速度越小; ;同步卫星距地面很高同步卫星距地面很高, ,故其运行速度故其运行速度小于小于7.9 km/s,B7.9 km/s,B错错; ;同步卫星只能在赤道的正上方同步卫星只能在赤道的正上方, ,C C错错; ;由由 =ma=man n可得可得, ,同步卫星的加速度同步卫星的加速度a an n= = 故选项故选项D D正确。正确。3.(3.(多选多选) )若一
29、做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径若一做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的增大到原来的2 2倍倍, ,仍做圆周运动仍做圆周运动, ,则则( () )A.A.根据公式根据公式v=r,v=r,可知卫星运动的线速度增大到原来可知卫星运动的线速度增大到原来2 2倍倍B.B.根据公式根据公式F= ,F= ,可知卫星所需的向心力将减小到可知卫星所需的向心力将减小到原来的原来的 C.C.根据公式根据公式F= ,F= ,可知地球提供的向心力将减小可知地球提供的向心力将减小到原来的到原来的 D.D.根据上述根据上述B B和和C C中给出的公式中给出的公式, ,可知卫星运动的线速度可知卫星运动的线速度减
30、小到原来的减小到原来的 【解析】【解析】选选C C、D D。根据万有引力提供向心力得。根据万有引力提供向心力得 r r变为变为2r,2r,则则v v变为原来的变为原来的 ,A,A错误错误,D,D正正确确; ;根据公式根据公式F= ,F= ,轨道半径增大到原来的轨道半径增大到原来的2 2倍倍, ,可可知地球提供的向心力将减小到原来的知地球提供的向心力将减小到原来的 ,B,B错误错误,C,C对。对。【拓展例题】【拓展例题】考查内容考查内容: :地球同步卫星与赤道上物体的地球同步卫星与赤道上物体的比较比较【典例】【典例】同步卫星离地心的距离为同步卫星离地心的距离为r,r,运行速率为运行速率为v v1 1, ,加加速度为速度为a a1 1, ,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为为a a2 2, ,第一宇宙速度为第一宇宙速度为v v2 2, ,地球半径为地球半径为R,R,则则 ( () ) 【正确解答】【正确解答】选选D D。同步卫星的角速度与赤道上的物体。同步卫星的角速度与赤道上的物体随地球自转的角速度相同随地球自转的角速度相同, ,所以所以 选项选项A A、B B错错; ;对于同步卫星对于同步卫星, , 所以所以 对于近对于近地卫星地卫星, , 所以所以 C C错错,D,D对。对。
