高中物理 第6章 萬有引力與航天 第5節(jié) 宇宙航行 第6節(jié) 經(jīng)典力學(xué)的局限性課件 新人教版必修2.ppt

第5節(jié)宇宙航行第6節(jié)經(jīng)典力學(xué)的局限性 一 宇宙速度閱讀教材第44頁 宇宙速度 部分 知道人造地球衛(wèi)星的概念 初步了解人造地球衛(wèi)星的動力學(xué)原理 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 足夠大 人造地球衛(wèi)星 圖1 2 近地衛(wèi)星的速度 7 9 3 宇宙速度 7 9 勻速 圓周 11 2 地球 16 7 太陽 最小 思維拓展1 在地球的周圍 有許多的衛(wèi)星在不同的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動 請思考 圖2 1 這些衛(wèi)星的軌道平面有什么特點 2 這些衛(wèi)星的線速度 角速度 周期跟什么因素有關(guān)呢 2 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 3 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1 1 軌道平面過地心 2 與軌道半徑有關(guān) 3 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?二 夢想成真閱讀教材第44 45頁 夢想成真 部分 了解人類邁向太空的重大歷史事件 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(jìn)入東方一號載人飛船 鑄就了人類進(jìn)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 思維拓展宇航員在太空中離開飛船后而不落回地面 是否是由于宇航員不再受到地球的引力作用 答案不是 宇航員在太空中離開飛船后 依然繞地球運動 受到地球的引力提供向心力 三 經(jīng)典力學(xué)的局限性閱讀教材第48 52頁內(nèi)容 知道經(jīng)典力學(xué)的適用范圍 初步了解微觀 高速領(lǐng)域的理論 1 從低速到高速 相對論 增大 無關(guān) 不同的 2 從宏觀到微觀 1 微觀世界 電子 質(zhì)子 中子等微觀粒子的運動規(guī)律在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明 而 能夠正確地描述微觀粒子的運動規(guī)律 2 經(jīng)典力學(xué)的適用范圍 只適用于 運動 不適用于 運動 只適用于 世界 不適用于 世界 量子力學(xué) 低速 高速 宏觀 微觀 3 從弱引力到強引力 1 1915年 愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論 這是一種新的時空與引力的理論 在強引力的情況下 牛頓的引力理論 2 當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)小于光速c 3 108m s 時 相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論 當(dāng)另一個重要常數(shù)即 普朗克常量 6 63 10 34j s 可以忽略不計時 量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論 不再適用 沒有區(qū)別 沒有區(qū)別 思考判斷 1 洲際導(dǎo)彈的速度有時可達(dá)到6000m s 這一速度屬于相對論中的高速 2 質(zhì)量是物體的固有屬性 任何時候都不會變 3 對于高速物體 它的質(zhì)量隨著速度的增加而變大 4 經(jīng)典力學(xué)不適用于高速運動的物體 但適用于微觀世界 5 對于宏觀物體的低速運動問題 相對論 量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)是一致的 要點歸納 宇宙速度及其理解 1 認(rèn)識第一宇宙速度 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必須具備的速度 即近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度 2 推導(dǎo) 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 決定因素 由第一宇宙速度的計算式v 可以看出 第一宇宙速度的值由中心天體決定 第一宇宙速度的大小取決于中心天體的質(zhì)量m和半徑r 與衛(wèi)星無關(guān) 4 對發(fā)射速度和環(huán)繞速度的理解 1 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?近地軌道是人造衛(wèi)星的最低運行軌道 而近地軌道的發(fā)射速度就是第一宇宙速度 所以第一宇宙速度是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度 精典示例 例1 已知地球的質(zhì)量約為火星質(zhì)量的10倍 地球的半徑約為火星半徑的2倍 則航天器在火星表面附近繞火星做勻速圓周運動的速率約為 a 3 5km sb 5 0km sc 17 7km sd 35 2km s 答案a 針對訓(xùn)練1 已知某天體的第一宇宙速度為8km s 則高度為該天體半徑的3倍軌道上宇宙飛船的運行速度為 答案b 要點歸納 人造地球衛(wèi)星 1 人造衛(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有引力提供向心力 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點上空的極地軌道 當(dāng)然也存在著與赤道平面呈某一角度的圓軌道 人造地球衛(wèi)星的三種軌道 圖3 2 衛(wèi)星的線速度 角速度 周期 向心加速度與軌道半徑的關(guān)系 3 地球同步衛(wèi)星 1 概念 相對于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星 叫做地球同步衛(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 精典示例 例2 多選 三顆人造地球衛(wèi)星a b c繞地球做勻速圓周運動 如圖4所示 已知ma mb mc 則對于三顆衛(wèi)星 正確的是 圖4 a 運行線速度關(guān)系為va vb vcb 運行周期關(guān)系為ta tb tcc 向心力大小關(guān)系為fa fb fc 答案abd 針對訓(xùn)練2 a b c d是在地球大氣層外的圓形軌道上運行的四顆人造衛(wèi)星 其中a c的軌道相交于p b d在同一個圓軌道上 b c軌道在同一平面上 某時刻四顆衛(wèi)星的運行方向及位置如圖5所示 下列說法中正確的是 圖5 a a c的加速度大小相等 且大于b的加速度b b c的角速度大小相等 且小于a的角速度c a c的線速度大小相等 且小于d的線速度d a c存在p點相撞的危險 答案a 要點歸納 經(jīng)典力學(xué)的局限性 1 低速與高速的概念 1 低速 通常所見物體的運動 如行駛的汽車 發(fā)射的導(dǎo)彈 人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體的運動皆為低速運動 2 高速 有些微觀粒子在一定條件下速度可以接近光速 這樣的速度稱為高速 2 速度對質(zhì)量的影響 1 在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量不隨速度而改變 根據(jù)牛頓第二定律f ma知 物體在力f作用下做勻變速運動 只要時間足夠長 物體的運動速度就可以增加到光速c 3 速度對物理規(guī)律的影響 對于低速運動問題 一般用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律來處理 對于高速運動問題 經(jīng)典力學(xué)已不再適用 需要用相對論知識來處理 精典示例 例3 如果真空中的光速為c 3 108m s 當(dāng)一個物體的運動速度為v1 2 4 108m s時 質(zhì)量為3kg 當(dāng)它的速度為v2 1 8 108m s時 質(zhì)量為多少 思路探究 1 在高速運動問題中 物體的質(zhì)量還是恒定不變的嗎 2 相對論中 物體的質(zhì)量與速度的關(guān)系式 m 答案2 25kg 針對訓(xùn)練3 下列說法正確的是 a 在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量不隨運動狀態(tài)而改變 在狹義相對論中 物體的質(zhì)量也不隨運動狀態(tài)而改變b 在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量隨運動速度的增加而減小 在狹義相對論中 物體的質(zhì)量隨物體速度的增大而增大c 在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量是不變的 在狹義相對論中 物體的質(zhì)量隨物體速度的增大而增大d 上述說法都是錯誤的 解析在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量是不變的 根據(jù)狹義相對論可知 物體的質(zhì)量隨物體速度的增大而增大 二者在速度遠(yuǎn)小于光速時是統(tǒng)一的 故選項c正確 答案c 1 天體的運行規(guī)律 多選 質(zhì)量為m的探月航天器在接近月球表面的軌道上飛行 其運動視為勻速圓周運動 已知月球質(zhì)量為m 月球半徑為r 月球表面重力加速度為g 引力常量為g 不考慮月球自轉(zhuǎn)的影響 則航天器的 答案ac 2 一般衛(wèi)星與同步衛(wèi)星 2017 西安高一檢測 2015年12月 我國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星 悟空 發(fā)射升空進(jìn)入高為5 0 102km的預(yù)定軌道 悟空 衛(wèi)星和地球同步衛(wèi)星的運動均可視為勻速圓周運動 已知地球半徑r 6 4 103km 下列說法正確的是 圖6 a 悟空 衛(wèi)星的線速度比同步衛(wèi)星的線速度小b 悟空 衛(wèi)星的角速度比同步衛(wèi)星的角速度小c 悟空 衛(wèi)星的運行周期比同步衛(wèi)星的運行周期小d 悟空 衛(wèi)星的向心加速度比同步衛(wèi)星的向心加速度小 答案c 3 地球同步衛(wèi)星 利用三顆位置適當(dāng)?shù)牡厍蛲叫l(wèi)星 可使地球赤道上任意兩點之間保持無線電通訊 目前 地球同步衛(wèi)星的軌道半徑約為地球半徑的6 6倍 假設(shè)地球的自轉(zhuǎn)周期變小 若仍僅用三顆同步衛(wèi)星來實現(xiàn)上述目的 則地球自轉(zhuǎn)周期的最小值約為 a 1hb 4hc 8hd 16h 答案b 4 經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué) 關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué) 下列說法中正確的是 a 不論是對宏觀物體 還是微觀粒子 經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的b 量子力學(xué)適用于宏觀物體的運動 經(jīng)典力學(xué)適用于微觀粒子的運動c 經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運動 量子力學(xué)適用于微觀粒子的運動d 上述說法都是錯誤的 解析經(jīng)典力學(xué)適用于低速運動 宏觀物體 不適用于高速運動 微觀粒子 量子力學(xué)既適用于宏觀物體 也適用于微觀物