高中物理必修2宇宙航行 備課資源

1、宇宙航行 備課資源合作討論1.怎樣才能使物體成為衛(wèi)星而不掉在地上?“飄”起來,地球的自轉角速度至少是多少?3.你如果成為一名宇航員有幸在太空旅行,你能否在空間站中通過臺秤稱量出自己的 體重?我的思路:在經(jīng)典力學中,解決問題的關鍵是要抓住力與運動的關系,構建出與力相吻合的運動情景來.例如:某人站在高山上水平拋出物體,速度一次比一次大,落地時的水平距離一次比一次大,如果速度足夠大,則物體就不再落回地面,而是將繞地球運動,成為地球人造衛(wèi)星.“嫦娥奔月”7-5-1所示.圖7-5-1“飄”著的,一不小心就會頭下腳上了.到底多大的速度才能使物體成為人造地球衛(wèi)星呢?由萬有引力定律和勻速圓周運動知識可得:=v

2、=7.9 km/s式中M×1024 kg,r為地球半徑6400 km.而地球上普通物體速度很難達到這么大的速度,這樣物體就擺脫不了地球對它的引力,自然就會掉下來.反之,只要速度大到超過7.9 km/s時,就會成為衛(wèi)星,實際生活中我們只有靠火箭才能達到這么大的速度.學習目標1.了解人造衛(wèi)星的有關知識.2.知道三個宇宙速度的含義，會推導第一宇宙速度.3.能應用萬有引力定律及勻速圓周運動特點處理衛(wèi)星運動的有關問題.4.了解人類太空飛行的發(fā)展歷史.5.了解我國的航天發(fā)展過程，培養(yǎng)愛國主義精神.學習提示本節(jié)重點和難點是會用萬有引力定律及勻速圓周運動的特點處理衛(wèi)星運動的問題，會推導第一宇宙速度.

3、思維方法1.判斷衛(wèi)星的運動應該從受力和運動入手,將衛(wèi)星的運動理想化,即衛(wèi)星做勻速圓周運動萬有引力提供向心力,根據(jù)萬有引力定律和勻速圓周運動的規(guī)律,可求出相應的a、v、T等物理量.由=ma得a=,即a,r越大,a越小.由=,得v=,即v,r越大,v越小.由=mr2,得=,即,r越大,越小.由=mr,得T=,即T,r越大,T越大.2.正確區(qū)分衛(wèi)星的發(fā)射速度和環(huán)繞速度.發(fā)射速度是指被發(fā)射的衛(wèi)星在地面上離開發(fā)射裝置時的初速度.衛(wèi)星一旦被發(fā)射就無能量補充,而僅靠自己的初動能克服地球引力進入運行軌道,故發(fā)射速度不能小于第一宇宙 速度.環(huán)繞速度是指衛(wèi)星在軌道上運行時的速度.如果人造衛(wèi)星在圓形軌道上運行,運動

4、速度v=,其大小隨半徑的增大而減小,且小于或等于第一宇宙速度.但是由于在人造地球衛(wèi)星的發(fā)射過程中火箭要克服地球引力做功,所以將衛(wèi)星發(fā)射到離地面越遠的軌道,需要克服地球引力做功越多,在地面上所需的發(fā)射速度就越大.注意:區(qū)分發(fā)射速度與環(huán)繞速度.衛(wèi)星的發(fā)射事實上并不是一次給衛(wèi)星一個初速度,也不可能一次給一個如此大的速度(大于第一宇宙速度),而是通過火箭的作用逐漸加速的.3.利用運載火箭發(fā)射人造衛(wèi)星時,發(fā)送分三個階段:發(fā)射升高階段、飄移進入軌道階段和進入預定軌道繞地球運行階段.三種宇宙速度為:(1)第一宇宙速度(環(huán)繞速度):指的是衛(wèi)星脫離地球表面成為地球近地衛(wèi)星的線速度,它是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度,又

5、是衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最大環(huán)繞速度.v1=7.9 km/s.(2)第二宇宙速度(脫離速度):使物體掙脫地球引力的束縛,而成為太陽的行星的最小發(fā)射速度.v2=11.2 km/s.(3)第三宇宙速度(逃逸速度):使物體掙脫太陽引力束縛成為與太陽平等的一顆行星的最小發(fā)射速度.v3=16.7 km/s.【例1】 如圖7-5-2,a、b、c是地球大氣層外圓形軌道上運動的三顆衛(wèi)星,a和b質量相等且小于c的質量,則圖7-5-2A.b所需向心力最小B.b、c的周期相同且大于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、c的線速度大小相等,且小于a的線速度思路:萬有引力提供向心力,結

6、合適當?shù)膱A周運動公式分析.答案:ABD【例2】 已知物體從地球上的逃逸速度(第二宇宙速度)v2=,其中G、ME、REG×10-11 N·m2/kg2,c×108 m/s.求下列問題:(1)逃逸速度大于真空中光速的天體叫做黑洞,設某黑洞的質量等于太陽的質量M×1030 kg,求它的可能最大半徑(這個半徑叫Schwarzschild半徑）；（2）在目前天文觀測范圍內,物質的平均密度為10-27 kg/m3,如果認為我們的宇宙是這樣一個均勻大球體,其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的速度c,因此任何物體都不能脫離宇宙,問宇宙的半徑至少為多大?思路:將地球上的

7、逃逸速度v=推廣到任何天體,就得到黑洞的逃逸速度公式,公式再變形即可求出最大半徑.×103 m×1010光年自主練習1.研究天體運動時，它們做勻速圓周運動的向心力是 ，公式是 .答案：它們受到的萬有引力 G=m或G=mr2=mr2.把衛(wèi)星的運動看成勻速圓周運動，通過測出和及.特別是若衛(wèi)星在天體表面環(huán)繞時，只要測出.答案：天體的衛(wèi)星的環(huán)繞周期T 軌道半徑r M= = 環(huán)繞周期T =3.在地球表面上，重力近似等于，表達式為，由此可得地球表面的重力加速度為.答案：萬有引力 mg=G g=知識鏈接萬有引力定律的應用領域，主要是自然天體和人造天體的運動，人造地球衛(wèi)星是萬有引力定律具體

8、應用的典型.根據(jù)衛(wèi)星環(huán)繞運動時萬有引力等于向心力，可以算出衛(wèi)星的環(huán)繞速度、角速度、周期等.知識總結有關人造衛(wèi)星的知識,根本問題就是抓住萬有引力提供人造地球衛(wèi)星做圓周運動的向心力這一基本力學關系,由此出發(fā)導出描述衛(wèi)星做圓周運動的各物理量的關系式,應用時可根據(jù)實際情況選用適當?shù)墓竭M行分析和計算:F萬有=ma=mr2=mv=mr在地球表面,mg第一宇宙速度:人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動,其軌道半徑近似等于地球半徑RM,根據(jù)萬有引力定律和勻速圓周運動的規(guī)律可得:=得v=m/s=7.9 km/s或者由mg=得v=m/s=7.9 kmv=,指的是人造衛(wèi)星在各自軌道上做勻速圓周運動的運行速度,其

9、大小隨軌道半徑的增大而減小,但由于人造衛(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上所需要的發(fā)射速度就越大.根據(jù)v運行=,第一宇宙速度v1=可知:由于rR地球,所以衛(wèi)星的運行速度不可能大于第一宇宙速度,人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運行速度的大小關系是:v發(fā)射7.9 km/sv運行所以第一宇宙速度是最小發(fā)射速度,又是衛(wèi)星最大環(huán)繞速度.第二宇宙速度:在地面上(r=R)發(fā)射物體,使之能夠脫離地球的引力作用,成為繞太陽運動的人造行星或飛到其他行星上去所必需的最小發(fā)射速度,稱為第二宇宙速度,其大小為v2=11.2 km/s.當11.2 km/sv27.9 km/s時,衛(wèi)星

10、繞地球旋轉,其軌道是橢圓,地球位于一個焦點上.第三宇宙速度: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必須的最小速度稱為第三宇宙速度,其大小為v3=16.7 km/s.當16.7 km/sv11.2 km/s時,衛(wèi)星脫離地球的束縛成為太陽系的一顆“小行星”.衛(wèi)星繞地球運動的軌道可以是橢圓軌道,也可以是圓形軌道,衛(wèi)星繞地球沿圓形軌道運動時,由于地球對衛(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球運動的向心力,而萬有引力指向地心,所以,地心必然是衛(wèi)星圓軌道的圓心,衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(如同步衛(wèi)星),也可以和赤道平面垂直,還可以和赤道平面成任一角度.衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運行

11、時,地心是橢圓的一個焦點,其周期和半長軸的關系遵循開普勒第三定律,這類問題在中學物理中很少討論.不同星體上的宇宙速度是各不相同的,以上給出的速度值是地球上的宇宙速度值,其計算方法完全可以推廣到其他任何天體.天體的質量越大,半徑越小,其宇宙速度值就越大.同步衛(wèi)星指在赤道平面內,以和地球自轉角速度相同的角速度繞地球運動的衛(wèi)星.同步衛(wèi)星又叫靜止軌道衛(wèi)星,有以下幾個特點:周期一定:同步衛(wèi)星在赤道上空相對地球靜止,它繞地球的運動與地球自轉同步,它的運動周期就等于地球自轉的周期,即T=24 h.角速度一定:同步衛(wèi)星繞地球運動的角速度等于地球自轉的角速度,且衛(wèi)星轉動的方向與地球自轉方向相同.軌道一定:a.由

12、于同步衛(wèi)星繞地球的運動與地球的自轉同步,這就決定了同步衛(wèi)星的軌道平面應與赤道平面平行.又由于同步衛(wèi)星繞地球運動的向心力是地球對衛(wèi)星的萬有引力,這就決定了同步衛(wèi)星做圓周運動的圓心為地心,所以,同步衛(wèi)星的軌道必在赤道平面內.b.由于所有同步衛(wèi)星的周期都相同,由r=可知,所有同步衛(wèi)星的軌道半徑相同,即同步衛(wèi)星都在同一軌道上繞地球做勻速圓周運動,其軌道離地面的高度h=-R×104 km.(地球半徑R=6400 km,自轉周期T=24 h=86400 s,地球表面重力加速度g=9.8 m/s2)環(huán)繞速度大小一定:所有同步衛(wèi)星繞地球運動的線速度的大小是一定的,都是 3.08 km/s,因為所有衛(wèi)星的環(huán)繞速度等各物理量都是由軌道決定的.向心加速度大小一定:所有同步衛(wèi)星由于到地心距離相同,所以它們繞地球運動的向心加速度大小都相同,約為0.23 m/s2.歸根到底,同步衛(wèi)星的以上特點,是由于同步衛(wèi)星與地球相對靜止這一特殊要求決定的.“超重”和“失重”問題的理解“超重”:衛(wèi)星在進入軌道前的加速過程中