物理教科必修2第3章第四節(jié)

1、必修必修2 2 第三章第四節(jié)第三章第四節(jié)人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星 宇宙速度宇宙速度課標(biāo)定位課標(biāo)定位應(yīng)用：應(yīng)用：1.結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)求解天體運(yùn)動(dòng)的相結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)求解天體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)物理量關(guān)物理量2同步衛(wèi)星的特點(diǎn)及其應(yīng)用同步衛(wèi)星的特點(diǎn)及其應(yīng)用理解：理解：1.人造衛(wèi)星的發(fā)射原理及宇宙速度推人造衛(wèi)星的發(fā)射原理及宇宙速度推導(dǎo)導(dǎo)2人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系半徑的關(guān)系認(rèn)識(shí)：認(rèn)識(shí)：1.人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律2三個(gè)宇宙速度的含義三個(gè)宇宙速度的含義牛頓的手稿牛頓的手稿 -發(fā)射人造衛(wèi)星原理發(fā)射人造衛(wèi)星原理 牛頓對(duì)發(fā)射人造衛(wèi)星的構(gòu)

2、想：牛頓對(duì)發(fā)射人造衛(wèi)星的構(gòu)想： 從高山上用不同的水從高山上用不同的水平速度拋出物體，速度一平速度拋出物體，速度一次比一次次比一次大大，落點(diǎn)也就一，落點(diǎn)也就一次比一次離山腳次比一次離山腳遠(yuǎn)遠(yuǎn)。如果。如果沒(méi)有空氣阻力，沒(méi)有空氣阻力，當(dāng)速度足當(dāng)速度足夠大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)夠大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來(lái)落到地面上來(lái)，它將繞地，它將繞地球旋轉(zhuǎn)成為一顆繞地球運(yùn)球旋轉(zhuǎn)成為一顆繞地球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)的人造地球衛(wèi)星人造地球衛(wèi)星。牛頓人造地球衛(wèi)星的設(shè)想圖牛頓人造地球衛(wèi)星的設(shè)想圖Main Ideav平拋平拋洲際洲際導(dǎo)彈導(dǎo)彈人造人造衛(wèi)星衛(wèi)星增大增大 在地球上拋出的物體，在地球上拋出的物體，當(dāng)它的速度足夠大時(shí)，當(dāng)它的速度足

3、夠大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上，它將圍繞地球旋面上，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，成為一顆繞地球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)的人造地球衛(wèi)星人造地球衛(wèi)星。簡(jiǎn)。簡(jiǎn)稱稱人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星。Main Idea 使衛(wèi)星能環(huán)繞地球運(yùn)行所需的使衛(wèi)星能環(huán)繞地球運(yùn)行所需的最最小發(fā)射速度小發(fā)射速度叫做叫做第一宇宙速度。第一宇宙速度。 設(shè)地球和衛(wèi)星的質(zhì)量分別為設(shè)地球和衛(wèi)星的質(zhì)量分別為M M和和m m，衛(wèi)星到地，衛(wèi)星到地心的距離為心的距離為r r，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的速度為，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的速度為v v。 由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由萬(wàn)有引力由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由萬(wàn)有引力提供的，所以，提供的，所以，1.1.第一宇宙速度

4、（環(huán)繞速度）第一宇宙速度（環(huán)繞速度）rmvrGMm22 rGMv 從上式可以看出從上式可以看出: : ，衛(wèi)星離地心，衛(wèi)星離地心越高越高，它運(yùn)行的速度，它運(yùn)行的速度越慢越慢。1rv 對(duì)于靠近地面的衛(wèi)星，可以認(rèn)為此時(shí)的對(duì)于靠近地面的衛(wèi)星，可以認(rèn)為此時(shí)的r r近近似等于地球半徑似等于地球半徑R R，把，把r r用地球半徑用地球半徑R R代入，可代入，可以求出：以求出：這就是第一宇宙速度。這就是第一宇宙速度。 第一宇宙速度既是第一宇宙速度既是最小的發(fā)射速度最小的發(fā)射速度，也也是是最大的環(huán)繞速度最大的環(huán)繞速度。RGMv 1sm/1037. 61089. 51067. 662411 skmv/9 . 71

5、 第一宇宙速度的另一種表達(dá)式第一宇宙速度的另一種表達(dá)式 ，請(qǐng)，請(qǐng)你用已學(xué)的知識(shí)進(jìn)行推導(dǎo)。你用已學(xué)的知識(shí)進(jìn)行推導(dǎo)。vgR 地球表面的物體受到的重力等于地地球表面的物體受到的重力等于地球?qū)ξ矬w的引力。球?qū)ξ矬w的引力。即：即：解得：解得：vgR2vmR2RGMmmg Main Ideav v1 1=7.9=7.9km/skm/s 如果人造地球衛(wèi)星進(jìn)如果人造地球衛(wèi)星進(jìn)入地面附近的軌道速度入地面附近的軌道速度大于大于7.9km/s7.9km/s，而小于，而小于11.2km/s11.2km/s，它繞地球運(yùn)，它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓。動(dòng)的軌跡是橢圓。7.9km/sv11.2km/s7.9km/sv11.2k

6、m/s 當(dāng)物體的速度當(dāng)物體的速度大于或等于大于或等于11.2km/s11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)就會(huì)脫離地球脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行。我們把的引力，不再繞地球運(yùn)行。我們把這個(gè)速度叫這個(gè)速度叫第二宇宙速度第二宇宙速度。達(dá)到第二宇宙速度的。達(dá)到第二宇宙速度的物體還受到太陽(yáng)的引力。物體還受到太陽(yáng)的引力。2.2.第二宇宙速度（脫離速度）：第二宇宙速度（脫離速度）： 如果物體的速度如果物體的速度大于或等于大于或等于16.7km/s16.7km/s，物體，物體就就擺脫了太陽(yáng)擺脫了太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系以外的宇引力的束縛，飛到太陽(yáng)系以外的宇宙空間去。我們把這個(gè)速度叫宙空間去。我們把這個(gè)速度

7、叫第三宇宙速度第三宇宙速度。3.3.第三宇宙速度（逃逸速度）第三宇宙速度（逃逸速度）：太陽(yáng)太陽(yáng)Main Idea繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星，繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星，其所需向心力由萬(wàn)有引力提供其所需向心力由萬(wàn)有引力提供三、衛(wèi)星的運(yùn)行三、衛(wèi)星的運(yùn)行( (圓周軌道圓周軌道) )Main Idea 萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力 = = 向心力向心力重力近似重力近似 = =萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力基本方程基本方程輔助方程輔助方程2rMmGrvm2marm222mrT2rMGa 3rMGGMrT32MvGrv v1 1=7.9km/s=7.9km/s越高，越慢越高，越慢常見(jiàn)的人造衛(wèi)星常見(jiàn)的人造衛(wèi)星通通信信衛(wèi)衛(wèi)星星氣氣象象

8、衛(wèi)衛(wèi)星星資資源源衛(wèi)衛(wèi)星星技技術(shù)術(shù)實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)衛(wèi)衛(wèi)星星同步衛(wèi)星軌道同步衛(wèi)星軌道四、地球同步衛(wèi)星四、地球同步衛(wèi)星 地球同步衛(wèi)星是保持在地球地球同步衛(wèi)星是保持在地球赤道的地面上空、運(yùn)行周期赤道的地面上空、運(yùn)行周期與地球的自轉(zhuǎn)周期相同與地球的自轉(zhuǎn)周期相同的人的人造地球衛(wèi)星。造地球衛(wèi)星。rRh222Mm4GmrrTRh232GMTr4得：得：得：得：232GMThR473.58 10 m同步衛(wèi)星離地面同步衛(wèi)星離地面的高度是定值的高度是定值特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1)同步衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致同步衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致(2)同步衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，同步衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，

9、T24 h.(3)同步衛(wèi)星的運(yùn)行角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度同步衛(wèi)星的運(yùn)行角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度(4)同步衛(wèi)星的軌道平面必須與赤道平面平行，又同步衛(wèi)星的軌道平面必須與赤道平面平行，又由于向心力是萬(wàn)有引力提供的，萬(wàn)有引力必須在由于向心力是萬(wàn)有引力提供的，萬(wàn)有引力必須在軌道平面上，所以同步衛(wèi)星的軌道平面均在赤道軌道平面上，所以同步衛(wèi)星的軌道平面均在赤道平面上，即所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方平面上，即所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方特別提醒：特別提醒：(1)所有同步衛(wèi)星的周期所有同步衛(wèi)星的周期T、軌道、軌道半徑半徑r、環(huán)繞速度、環(huán)繞速度v、角速度、角速度及向心加速度及向心加速度a的大小均相同的大小

10、均相同. (2)所有國(guó)家發(fā)射的同步衛(wèi)星的軌道都與赤所有國(guó)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(yùn)動(dòng)且道為同心圓，它們都在同一軌道上運(yùn)動(dòng)且都相對(duì)靜止都相對(duì)靜止即時(shí)應(yīng)用即時(shí)應(yīng)用 ( (即時(shí)突破，小試牛刀即時(shí)突破，小試牛刀)關(guān)于地球的同步衛(wèi)星下列說(shuō)法正確的是關(guān)于地球的同步衛(wèi)星下列說(shuō)法正確的是()A所有地球的同步衛(wèi)星一定位于赤道的正上方，所有地球的同步衛(wèi)星一定位于赤道的正上方，但不一定在同一個(gè)圓周上但不一定在同一個(gè)圓周上B所有地球的同步衛(wèi)星離地面的高度相同，但所有地球的同步衛(wèi)星離地面的高度相同，但不一定位于赤道的正上方不一定位于赤道的正上方C所有地球的同步衛(wèi)星的向心加速度、線速度、

11、所有地球的同步衛(wèi)星的向心加速度、線速度、角速度、周期一定相等角速度、周期一定相等D所有地球的同步衛(wèi)星的向心加速度大小相等所有地球的同步衛(wèi)星的向心加速度大小相等解析：解析：選選D.所有同步衛(wèi)星都位于地球赤道的正上所有同步衛(wèi)星都位于地球赤道的正上方的同一個(gè)圓周軌道上，顯然選項(xiàng)方的同一個(gè)圓周軌道上，顯然選項(xiàng)A、B是不對(duì)是不對(duì)的又因向心加速度、線速度為矢量，盡管所有的又因向心加速度、線速度為矢量，盡管所有的同步衛(wèi)星的向心加速度的大小、線速度的大小、的同步衛(wèi)星的向心加速度的大小、線速度的大小、角速度和周期都相等，但是向心加速度和線速度角速度和周期都相等，但是向心加速度和線速度的方向不相同，因此選項(xiàng)的方向

12、不相同，因此選項(xiàng)C也不對(duì)，只有選項(xiàng)也不對(duì)，只有選項(xiàng)D正正確確思考感悟思考感悟如果要發(fā)射一個(gè)火星探測(cè)器，試問(wèn)這個(gè)探測(cè)器將如果要發(fā)射一個(gè)火星探測(cè)器，試問(wèn)這個(gè)探測(cè)器將大體以多大的速度從地球上發(fā)射？大體以多大的速度從地球上發(fā)射？提示：提示：火星探測(cè)器繞火星運(yùn)動(dòng)，脫離了地球的束火星探測(cè)器繞火星運(yùn)動(dòng)，脫離了地球的束縛，但沒(méi)有掙脫太陽(yáng)的束縛，因此它的發(fā)射速度縛，但沒(méi)有掙脫太陽(yáng)的束縛，因此它的發(fā)射速度應(yīng)在第二宇宙速度和第三宇宙速度之間，即應(yīng)在第二宇宙速度和第三宇宙速度之間，即11.2 km/sv 16.7 km/s.核心要點(diǎn)突破核心要點(diǎn)突破特別提醒：特別提醒：(1)第一宇宙速度是最大運(yùn)行速第一宇宙速度是最大運(yùn)

13、行速度，也是最小發(fā)射速度度，也是最小發(fā)射速度(2)三個(gè)宇宙速度分別為在三種不同情況下三個(gè)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)射速度在地面附近的最小發(fā)射速度即時(shí)應(yīng)用即時(shí)應(yīng)用 ( (即時(shí)突破，小試牛刀即時(shí)突破，小試牛刀)1.關(guān)于第一宇宙速度，下列說(shuō)法正確的是關(guān)于第一宇宙速度，下列說(shuō)法正確的是()A它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行速它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行速度度C它是能使衛(wèi)星進(jìn)入近地圓形軌道的最小發(fā)射它是能使衛(wèi)星進(jìn)入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度速度D它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行時(shí)在遠(yuǎn)地點(diǎn)的速它是衛(wèi)星在橢圓

14、軌道上運(yùn)行時(shí)在遠(yuǎn)地點(diǎn)的速度度解析：解析：選選BC.如果衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行時(shí)近地如果衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行時(shí)近地點(diǎn)的速度等于第一宇宙速度，那么它將做勻速圓點(diǎn)的速度等于第一宇宙速度，那么它將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，不會(huì)做橢圓運(yùn)動(dòng)周運(yùn)動(dòng)，不會(huì)做橢圓運(yùn)動(dòng)二、人造地球衛(wèi)星二、人造地球衛(wèi)星1.圖圖341人造衛(wèi)星的軌道人造衛(wèi)星的軌道衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)由地球?qū)λ男l(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)由地球?qū)λ娜f(wàn)有引力充當(dāng)向心力，地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力，地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力指向地心而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體的向力指向地心而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體的向心力則時(shí)刻指向它做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心因此心力則時(shí)刻指向它做圓周運(yùn)動(dòng)的

15、圓心因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心必與地心衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心必與地心重合，而這樣的軌道有多種，其中比較特殊重合，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(guò)兩極點(diǎn)上的有與赤道共面的赤道軌道和通過(guò)兩極點(diǎn)上空的極地軌道當(dāng)然也應(yīng)存在著與赤道平面空的極地軌道當(dāng)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(yùn)行的圓軌道如圖可能是衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的圓軌道如圖341所示所示特別提醒：特別提醒：(1)在處理衛(wèi)星的在處理衛(wèi)星的v、T與半與半徑徑r的關(guān)系問(wèn)題時(shí)，常用公式的關(guān)系問(wèn)題時(shí)，常用公式“gR2GM ”來(lái)替換出

16、地球的質(zhì)量來(lái)替換出地球的質(zhì)量M會(huì)使問(wèn)題解決起來(lái)更會(huì)使問(wèn)題解決起來(lái)更方便方便(2)由于衛(wèi)星在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它受到的萬(wàn)由于衛(wèi)星在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它受到的萬(wàn)有引力全部提供了向心力，產(chǎn)生了向心加有引力全部提供了向心力，產(chǎn)生了向心加速度，因此衛(wèi)星及衛(wèi)星上任何物體都處于速度，因此衛(wèi)星及衛(wèi)星上任何物體都處于完全失重狀態(tài)完全失重狀態(tài)即時(shí)應(yīng)用即時(shí)應(yīng)用 ( (即時(shí)突破，小試牛刀即時(shí)突破，小試牛刀)2.我們國(guó)家在我們國(guó)家在1986年成功發(fā)射了一顆實(shí)用地球同年成功發(fā)射了一顆實(shí)用地球同步衛(wèi)星，從步衛(wèi)星，從1999年至今已幾次將年至今已幾次將“神舟神舟”號(hào)宇宙號(hào)宇宙飛船送入太空在某次實(shí)驗(yàn)中，飛船在空中飛行飛船送入太空在某次

17、實(shí)驗(yàn)中，飛船在空中飛行了了36 h，環(huán)繞地球，環(huán)繞地球24圈那么，同步衛(wèi)星與飛船圈那么，同步衛(wèi)星與飛船在軌道上正常運(yùn)轉(zhuǎn)相比較在軌道上正常運(yùn)轉(zhuǎn)相比較()A衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期比飛船大衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期比飛船大B衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)速率比飛船大衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)速率比飛船大C衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)加速度比飛船大衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)加速度比飛船大D衛(wèi)星離地高度比飛船大衛(wèi)星離地高度比飛船大解析：解析：選選AD.根據(jù)飛船根據(jù)飛船36 h，環(huán)繞地球，環(huán)繞地球24圈，可圈，可知飛船的周期小于同步衛(wèi)星的周期，根據(jù)萬(wàn)有引知飛船的周期小于同步衛(wèi)星的周期，根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力，可知力提供向心力，可知A、D正確正確課堂互動(dòng)講練課堂互動(dòng)講練第一宇宙速度的計(jì)算第一宇宙速度的計(jì)算

18、某人在一星球上以速率某人在一星球上以速率v豎直上拋一物豎直上拋一物體，經(jīng)時(shí)間體，經(jīng)時(shí)間t物體以速率物體以速率v落回手中，已知該落回手中，已知該星球的半徑為星球的半徑為R，求該星球上的第一宇宙速，求該星球上的第一宇宙速度度【思路點(diǎn)撥思路點(diǎn)撥】第一宇宙速度是環(huán)繞星球表第一宇宙速度是環(huán)繞星球表面運(yùn)行的速度，即對(duì)應(yīng)的軌道半徑為該星球面運(yùn)行的速度，即對(duì)應(yīng)的軌道半徑為該星球的半徑，且重力就等于星球?qū)ζ涞娜f(wàn)有引的半徑，且重力就等于星球?qū)ζ涞娜f(wàn)有引力力變式訓(xùn)練變式訓(xùn)練1若取地球的第一宇宙速度為若取地球的第一宇宙速度為8 km/s，某行星的質(zhì)量是地球的，某行星的質(zhì)量是地球的6倍，半徑是倍，半徑是地球的地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度約為倍，此行星的第一宇宙速度約為()A16 km/sB32 km/sC4 km/s D2 km/s人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律圖圖342【思路點(diǎn)撥思路點(diǎn)撥】在人造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在人造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，萬(wàn)有引力提供了所需的向心力，由此根據(jù)萬(wàn)有引力提供了所需的向心力，由此根據(jù)牛頓定律列出方程來(lái)判