高中物理 3.2 萬有引力定律的應(yīng)用 3.3 飛向太空 課件 粵教版必修2.ppt

2020 2 9 第3章萬有引力定律及其應(yīng)用 2020 2 9 第二節(jié)萬有引力定律的應(yīng)用第三節(jié)飛向太空 2020 2 9 核心要點突破 課堂互動講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 課前自主學(xué)案 第三節(jié)飛向太空 課標定位 2020 2 9 課標定位學(xué)習目標 1 會利用萬有引力定律計算天體的質(zhì)量 2 理解人造衛(wèi)星的線速度 角速度 周期與軌道半徑的關(guān)系 3 能利用人造衛(wèi)星的運行規(guī)律分析 計算有關(guān)問題并能區(qū)分人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和環(huán)繞速度 4 知道三個宇宙速度的含義 會推導(dǎo)第一宇宙速度 重點難點 利用萬有引力定律 求天體的質(zhì)量 密度 運動周期和運動速度 2020 2 9 課前自主學(xué)案 一 計算天體的質(zhì)量 以地球為例討論 1 基本思路月球繞地球做勻速圓周運動的向心力是由它們之間的 提供的 由此可列方程 從中求得地球的質(zhì)量 萬有引力 2020 2 9 2020 2 9 3 如果已知衛(wèi)星繞行星 或行星繞中心天體 運動的 和衛(wèi)星與行星 或行星與中心天體 之間的 也可以算出行星 或中心天體 的質(zhì)量 周期 距離 2020 2 9 思考感悟 1 根據(jù)月球繞地球做圓周運動的觀測數(shù)據(jù) 應(yīng)用萬有引力定律求出的天體質(zhì)量是地球的還是月球的 提示 求出的是地球的質(zhì)量 因為利用f萬 f引只能求出中心天體的質(zhì)量 2020 2 9 二 理論的威力 預(yù)測未知天體歷史上天文學(xué)家曾經(jīng)根據(jù)萬有引力定律計算太陽系中天王星的運動軌道 由于計算值與實際情況有較大偏差 促使天文學(xué)家經(jīng)過進一步的研究先后發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星 這兩顆星的發(fā)現(xiàn)進一步證明了萬有引力定律的正確性 而且也顯示了萬有引力定律對天文學(xué)研究的重大意義 2020 2 9 2 宇宙速度 1 第一宇宙速度 v1 這是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必須具有的速度 也叫 速度 7 9km s 環(huán)繞 2020 2 9 2 第二宇宙速度 v2 當人造衛(wèi)星的發(fā)射速度大于或等于這一速度時 衛(wèi)星就會掙脫 的束縛 不再繞地球運動 所以第二宇宙速度也叫 速度 3 第三宇宙速度 v3 人造衛(wèi)星要想擺脫太陽引力的束縛 飛出太陽系 其發(fā)射速度至少要達到這一速度 所以第三宇宙速度又叫 速度 11 2km s 地球引力 脫離 16 7km s 逃逸 2020 2 9 思考感悟 2 發(fā)射一個火星探測器 那么這個探測器大體以多大的速度從地面上發(fā)射 提示 發(fā)射速度應(yīng)介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之間 即11 2km s v 16 7km s 2020 2 9 四 飛向太空1 火箭的發(fā)明火箭最早是由我國發(fā)明的 早在12世紀的南宋時期 火箭已被用于戰(zhàn)爭 它是利用火藥燃燒向后急速噴出的氣體產(chǎn)生反作用力 使火箭向前射出 2 近代火箭的研究 1 近代火箭的研究從19世紀開始 2 俄國科學(xué)家齊奧爾斯基作出了重要貢獻 研究了火箭運動的原理和液體火箭推進及噴射的理論 提出了用液體火箭對未來太空飛行的設(shè)想及多級火箭和慣性導(dǎo)航的概念 2020 2 9 3 多級火箭多級火箭是用幾個火箭連接而成的火箭組合 一般用三級 如圖3 2 1所示 火箭起飛時 第一級火箭的發(fā)動機 點火 推動各級火箭一起前進 當這一級的燃料燃盡后 第二級火箭開始工作 自動脫掉第一級火箭的外殼 第二級火箭在第一級火箭基礎(chǔ)上進一步加速 以此類推 最終達到所需要的速度 圖3 2 1 2020 2 9 4 探索宇宙奧秘的先鋒 空間探測器深空探測既是人類認識宇宙的需要 又是人類為了開發(fā)宇宙資源 擴大自身生存環(huán)境的需要 因此 世界上的科技大國都投入巨資進行研究 使得深空探測水平和載人航天技術(shù)成為衡量一個國家發(fā)展水平的標志 2020 2 9 核心要點突破 2020 2 9 2020 2 9 特別提醒 1 在用萬有引力等于向心力列式求天體的質(zhì)量時 只能求出中心天體的質(zhì)量 這種方法不僅適用于地球 也適用于其他天體質(zhì)量的計算 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 即時應(yīng)用 即時突破 小試牛刀 1 雙選 2011年天津高一檢測 已知下面的哪組數(shù)據(jù) 可以算出地球的質(zhì)量m 引力常數(shù)g為已知 a 月球繞地球運動的周期t1及月球到地球中心的距離r1b 地球繞太陽運行的周期t2及地球到太陽中心的距離r2c 人造衛(wèi)星在地面附近的運行速度v3和運行周期t3d 地球繞太陽運行的速度v4及地球到太陽中心的距離r4 2020 2 9 2020 2 9 二 對人造衛(wèi)星的理解1 人造衛(wèi)星的軌道在地球上空繞地球運行的人造地球衛(wèi)星所受的力是地球?qū)λ娜f有引力 在中學(xué)階段 我們主要研究繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星 圖3 2 2 2020 2 9 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動時由地球?qū)λ娜f有引力提供向心力 地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力指向地心 而做勻速圓周運動的物體的向心力時刻指向它做圓周運動的圓心 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點上空的極地軌道 當然也應(yīng)存在著與赤道平面成某一角度的圓軌道 只要圓心在地心 就可能是衛(wèi)星繞地球運行的圓軌道 如圖3 2 2所示 2020 2 9 2020 2 9 但由于人造地球衛(wèi)星發(fā)射過程中要克服地球引力做功 增大勢能 所以將衛(wèi)星發(fā)射到離地球越遠的軌道上 在地面所需要的發(fā)射速度越大 衛(wèi)星的最小發(fā)射速度為7 9km s 3 人造衛(wèi)星的運行規(guī)律在中學(xué)階段 若無特別說明 我們一般將衛(wèi)星的運行軌道視為圓軌道 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動 由萬有引力提供向心力即 f萬 f向 由此可知 2020 2 9 2020 2 9 特別提醒 在同一中心天體做勻速圓周運動的所有衛(wèi)星的v t a各量都只與軌道半徑r有關(guān) 2020 2 9 4 人造衛(wèi)星的超重與失重人造衛(wèi)星在發(fā)射升空時 有一段加速運動 在返回地面時 有一段減速運動 這兩個過程加速度方向均向上 因而都是超重狀態(tài) 人造衛(wèi)星在沿圓軌道運行時 由于萬有引力提供向心力 所以處于完全失重狀態(tài) 在這種情況下 凡是與重力有關(guān)的力學(xué)現(xiàn)象都會停止發(fā)生 因此 在衛(wèi)星上的儀器 凡是制造原理與重力有關(guān)的均不能使用 同理 與重力有關(guān)的實驗也將無法進行 2020 2 9 即時應(yīng)用 即時突破 小試牛刀 2 單選 如圖3 2 3所示 a b c是環(huán)繞地球圓形軌道上運行的3顆人造衛(wèi)星 它們的質(zhì)量關(guān)系是ma mb mc 則 a b c的線速度大小相等 且大于a的線速度b b c的周期相等 且小于a的周期c b c的向心加速度大小相等 且大于a的向心加速度d b所需向心力最小 圖3 2 3 2020 2 9 2020 2 9 三 對宇宙速度的理解1 第一宇宙速度 環(huán)繞速度 指人造衛(wèi)星近地環(huán)繞速度 它是人造衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動所必須具有的速度 是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度 v1 7 9km s 發(fā)射速度小于7 9km s 衛(wèi)星將不能圍繞地球做圓周運動而落回地面 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 2 第二宇宙速度 脫離速度 在地面上 r r 發(fā)射物體 使之能夠脫離地球的引力作用 成為繞太陽運行的人造行星或飛到其他行星上去所必須達到的最小發(fā)射速度 稱為第二宇宙速度 其大小為v 11 2km s 當衛(wèi)星的發(fā)射速度7 9km s v 11 2km s時 衛(wèi)星的軌道是橢圓形的 地球處在橢圓的一個焦點上 2020 2 9 3 第三宇宙速度 逃逸速度 在地面上發(fā)射物體 使之最后能脫離太陽的引力范圍 飛到太陽系以外的宇宙空間所需的最小速度 稱為第三宇宙速度 其大小為v 16 7km s 特別提醒 1 第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最大運行速度 也是最小發(fā)射速度 2 三個宇宙速度分別為在三種不同情況下在地面附近的最小發(fā)射速度 2020 2 9 即時應(yīng)用 即時突破 小試牛刀 3 雙選 2011年成都高一檢測 關(guān)于地球的第一宇宙速度 下列說法中正確的是 a 它是人造地球衛(wèi)星繞地球運行的最小速度b 它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運行速度c 它是能使衛(wèi)星進入近地軌道的最小速度d 它是能使衛(wèi)星進入軌道的最大發(fā)射速度 2020 2 9 2020 2 9 四 近地衛(wèi)星與同步衛(wèi)星的比較1 近地衛(wèi)星所謂近地衛(wèi)星指的是衛(wèi)星的半徑等于地球的半徑 衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力是萬有引力 它的運動速度為第一宇宙速度 它是衛(wèi)星的最大繞行速度 2 同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星指在赤道平面內(nèi) 以和地球自轉(zhuǎn)角速度相同的角速度繞地球運動的衛(wèi)星 同步衛(wèi)星又叫通訊衛(wèi)星 同步衛(wèi)星有以下幾個特點 1 同步衛(wèi)星的運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致 2 同步衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同 t 24h 2020 2 9 3 同步衛(wèi)星的運行角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度 4 同步衛(wèi)星的軌道一定與赤道平面共面 如圖3 2 4所示 假設(shè)衛(wèi)星在軌道b跟著地球的自轉(zhuǎn)同步做勻速圓周運動 衛(wèi)星運動的向心力由地球?qū)λ囊引的一個分力f1提供 由于另一個分力f2的作用將使衛(wèi)星軌道靠向赤道 故只有在赤道上空 同步衛(wèi)星才可能在穩(wěn)定的軌道上運行 所以所有同步衛(wèi)星只能在赤道正上方 且在一定高度處 圖3 2 4 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 特別提醒 1 所有同步衛(wèi)星的周期t 軌道半徑r 環(huán)繞速度v 角速度 及向心加速度a的大小均相同 2 所有國家發(fā)射的同步衛(wèi)星的軌道都與赤道為同心圓 它們都在同一軌道上運動且都相對靜止 2020 2 9 即時應(yīng)用 即時突破 小試牛刀 4 單選 2011年高考北京理綜卷 由于通信和廣播等方面的需要 許多國家發(fā)射了地球同步軌道衛(wèi)星 這些衛(wèi)星的 a 質(zhì)量可以不同b 軌道半徑可以不同c 軌道平面可以不同d 速率可以不同 2020 2 9 2020 2 9 課堂互動講練 1969年7月21日 美國宇航員阿姆斯特朗在月球上留下了人類第一只腳印 邁出了人類征服宇宙的一大步 在月球上 如果阿姆斯特朗和同伴奧爾德林用彈簧測力計測出質(zhì)量為m的儀器的重力為f 而另一位宇航員科林斯駕駛指令艙 在月球表面附近飛行一周 記下時間為t 引力常數(shù)g已知 試根據(jù)以上數(shù)據(jù)求出月球的質(zhì)量 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 答案 b 2020 2 9 變式訓(xùn)練 2011年煙臺質(zhì)檢 1990年5月 中國紫金山天文臺將1965年9月20日發(fā)現(xiàn)的第2752號小行星命名為吳健雄星 其直徑為32km 若該行星的密度和地球的密度相同 則對該小行星而言 第一宇宙速度為多少 已知地球半徑r1 6400km 地球的第一宇宙速度v1 8km s 2020 2 9 2020 2 9 答案 20m s 2020 2 9 雙選 發(fā)射同步衛(wèi)星時 先將衛(wèi)星發(fā)射到近地圓軌道1 然后經(jīng)點火使其沿橢圓軌道2運行 最后再次點火 將衛(wèi)星送入同步圓軌道3 軌道1 2相切于q點 軌道2 3相切于p點 如圖3 2 5所示 當衛(wèi)星分別在1 2 3軌道上正常運行時 以下說法正確的是 圖3 2 5 2020 2 9 a 衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率b 衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度c 衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過q點時的速率小于在軌道2上經(jīng)過q點時的速率d 衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過p點時的加速度大于在軌道3上經(jīng)過p點時的加速度 2020 2 9 2020 2 9 衛(wèi)星在q點時 在圓形軌道1時的速率一定小于在軌道2上經(jīng)過q點的速率 因為衛(wèi)星在軌道1時所受的地球的引力提供給它的向心力使它剛好做