高中物理 第六章 萬有引力與航天 第5節(jié) 宇宙航行課件 新人教必修2

1、第第六六章章新知預習新知預習巧設計巧設計名師課堂名師課堂一點通一點通要點一要點一要點二要點二第第5 5節(jié)節(jié)創(chuàng)新演練創(chuàng)新演練大沖關大沖關隨堂檢測歸納小結隨堂檢測歸納小結課下作業(yè)綜合提升課下作業(yè)綜合提升要點三要點三1了解人造衛(wèi)星的有關知識。了解人造衛(wèi)星的有關知識。2知道三個宇宙速度的涵義，會推導第知道三個宇宙速度的涵義，會推導第 一宇宙速度。一宇宙速度。3能運用萬有引力定律及勻速圓周運動能運用萬有引力定律及勻速圓周運動 的規(guī)律解決衛(wèi)星運動的有關問題。的規(guī)律解決衛(wèi)星運動的有關問題。讀教材讀教材填要點填要點 1宇宙速度宇宙速度 (1)牛頓的設想：牛頓的設想： 把物體從高山上水平拋出，如果把物體從高山上

2、水平拋出，如果 足夠大，物體就足夠大，物體就不再落回地面，它將繞不再落回地面，它將繞 運動，成為運動，成為 。速度速度地球地球人造地球衛(wèi)星人造地球衛(wèi)星宇宙速度宇宙速度大小大小物理意義物理意義第一宇宙第一宇宙速度速度v km/s 物體在物體在 繞地球做勻速圓周繞地球做勻速圓周運動的速度運動的速度第二宇宙第二宇宙速度速度v km/s 當物體的速度等于或大于當物體的速度等于或大于 /s時，時，它會克服地球的引力，永遠離開地球它會克服地球的引力，永遠離開地球第三宇宙第三宇宙速度速度v km/s 在地面附近發(fā)射物體的速度等于或大在地面附近發(fā)射物體的速度等于或大于于 /s時，物體會掙脫時，物體會掙脫 引力

3、的束縛引力的束縛而飛到而飛到 外外(2)三種宇宙速度：三種宇宙速度：地面附近地面附近太陽太陽太陽系太陽系7.97.911.211.216.716.711.211.2 2夢想成真夢想成真 1957年年10月，月， 成功發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星；成功發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星； 1969年年7月，美國月，美國“阿波羅阿波羅11號號”登上登上 ； 2003年年10月月15日，我國航天員日，我國航天員 踏入太空；踏入太空； 2008年年9月，我國成功發(fā)射月，我國成功發(fā)射“神舟七號神舟七號”載人飛船，載人飛船，并首次實現太空行走。并首次實現太空行走。蘇聯蘇聯月球月球楊利偉楊利偉試身手試身手夯基礎夯基礎1關于第一宇

4、宙速度，下面說法正確的是關于第一宇宙速度，下面說法正確的是()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它是人造地球衛(wèi)星在近地圓形軌道上的運行速度它是人造地球衛(wèi)星在近地圓形軌道上的運行速度C它是能使衛(wèi)星進入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度它是能使衛(wèi)星進入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度D它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時近地點的速度它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時近地點的速度解析：解析：第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，也是衛(wèi)星環(huán)第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，也是衛(wèi)星環(huán)繞地球做圓周運動的最大速度，離地越遠，速度越小。衛(wèi)繞地球做圓周運動的最大速度，離地越遠，速度越小。衛(wèi)星沿橢圓軌道運

5、行時，在近地點做離心運動，說明近地點星沿橢圓軌道運行時，在近地點做離心運動，說明近地點的速度大于環(huán)繞速度，故的速度大于環(huán)繞速度，故B、C正確，正確，A、D錯誤。錯誤。答案：答案：BC2關于繞地球運行的人造衛(wèi)星，下列說法正確的是關于繞地球運行的人造衛(wèi)星，下列說法正確的是 ()A質量越大，離地面越遠，速度越大質量越大，離地面越遠，速度越大B與質量無關，離地面越近，速度越大與質量無關，離地面越近，速度越大C人造衛(wèi)星的運行速度大于等于人造衛(wèi)星的運行速度大于等于7.9 km/sD人造衛(wèi)星的發(fā)射速度等于人造衛(wèi)星的發(fā)射速度等于7.9 km/s答案：答案：B B3探測器繞月球做勻速圓周運動，變軌后在周期較小的

6、軌探測器繞月球做勻速圓周運動，變軌后在周期較小的軌道上仍做勻速圓周運動，則變軌后與變軌前相比道上仍做勻速圓周運動，則變軌后與變軌前相比()A軌道半徑變小軌道半徑變小B向心加速度變小向心加速度變小C線速度變小線速度變小 D角速度變小角速度變小答案：答案：A 1地球的第一宇宙速度及推導地球的第一宇宙速度及推導 第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度，是人造衛(wèi)星近地第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度，是人造衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運動必須具有的速度，也是人環(huán)繞地球做勻速圓周運動必須具有的速度，也是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，其大小的推導有兩種造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，其大小的推導有兩種方法：方法：方法方法1：方法方法2：

7、 2第二宇宙速度第二宇宙速度 在地面附近發(fā)射飛行器，使之能夠脫離地球的引力作用在地面附近發(fā)射飛行器，使之能夠脫離地球的引力作用永遠離開地球所必需的最小發(fā)射速度，也叫脫離速度，其大永遠離開地球所必需的最小發(fā)射速度，也叫脫離速度，其大小為小為v11.2 km/s。 3第三宇宙速度第三宇宙速度 在地面上發(fā)射物體，使之最后能脫離太陽的引力范圍，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需的最小速度，也叫逃逸速飛到太陽系以外的宇宙空間所必需的最小速度，也叫逃逸速度，其大小為度，其大小為v16.7 km/s。 名師點睛名師點睛 (1)當當11.2 km/sv7.9 km/

8、s時，衛(wèi)星繞地球旋轉的軌道是時，衛(wèi)星繞地球旋轉的軌道是橢圓，地球位于一個焦點上。橢圓，地球位于一個焦點上。 (2)當當16.7 km/sv11.2 km/s時，衛(wèi)星脫離地球的束縛，時，衛(wèi)星脫離地球的束縛，成為太陽系的一顆成為太陽系的一顆“小行星小行星”或繞其他行星運動的衛(wèi)星?；蚶@其他行星運動的衛(wèi)星。 (3)不同星體的宇宙速度是各不相同的，大小由星體的質不同星體的宇宙速度是各不相同的，大小由星體的質量及其半徑，星體表面的重力加速度決定。量及其半徑，星體表面的重力加速度決定。 思路點撥思路點撥先推導行星上的第一宇宙速度與地球上的先推導行星上的第一宇宙速度與地球上的第一宇宙速度的關系，再利用地球上的

9、第一宇宙速度求解此第一宇宙速度的關系，再利用地球上的第一宇宙速度求解此行星上的第一宇宙速度。行星上的第一宇宙速度。答案答案A 對于任何天體，計算其近地衛(wèi)星環(huán)繞速度時，都對于任何天體，計算其近地衛(wèi)星環(huán)繞速度時，都是根據萬有引力提供向心力，近地衛(wèi)星的軌道半徑等是根據萬有引力提供向心力，近地衛(wèi)星的軌道半徑等于天體的半徑，然后利用牛頓第二定律列式計算。于天體的半徑，然后利用牛頓第二定律列式計算。 1人造衛(wèi)星繞地球運行的動力學原理人造衛(wèi)星繞地球運行的動力學原理 人造衛(wèi)星在繞地球運行時，只受到地球對它的萬有引力人造衛(wèi)星在繞地球運行時，只受到地球對它的萬有引力作用，人造衛(wèi)星做圓周運動的向心力由萬有引力提供。

10、作用，人造衛(wèi)星做圓周運動的向心力由萬有引力提供。 2衛(wèi)星的軌道衛(wèi)星的軌道 (1)衛(wèi)星繞地球運動的軌道可以是橢圓軌道，也可以是圓衛(wèi)星繞地球運動的軌道可以是橢圓軌道，也可以是圓軌道。軌道。 (2)衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運行時，地心是橢圓的一個焦衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運行時，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。點，其周期和半長軸的關系遵循開普勒第三定律。 (3)衛(wèi)星繞地球沿圓軌道運行時，由于地球對衛(wèi)星的萬有衛(wèi)星繞地球沿圓軌道運行時，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，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，地心一定是衛(wèi)星

11、圓軌道的圓心。所以，地心一定是衛(wèi)星圓軌道的圓心。 (4)三類人造地球衛(wèi)星軌道：三類人造地球衛(wèi)星軌道： 赤道軌道，衛(wèi)星軌道在赤道所在平面上，衛(wèi)星始終處赤道軌道，衛(wèi)星軌道在赤道所在平面上，衛(wèi)星始終處于赤道上方；于赤道上方； 極地軌道，衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直，衛(wèi)星經過極地軌道，衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直，衛(wèi)星經過兩極上空；兩極上空； 一般軌道，衛(wèi)星軌道和赤道成一般軌道，衛(wèi)星軌道和赤道成一定角度。如圖一定角度。如圖651所示。所示。 (3)衛(wèi)星的種類：衛(wèi)星的種類： 衛(wèi)星的種類主要是按衛(wèi)星有什么樣的功能來進行命名的。衛(wèi)星的種類主要是按衛(wèi)星有什么樣的功能來進行命名的。主要有偵察衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導航衛(wèi)星

12、、氣象衛(wèi)星、地球資主要有偵察衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、地球資源勘測衛(wèi)星、科學研究衛(wèi)星、預警衛(wèi)星和測地衛(wèi)星等。源勘測衛(wèi)星、科學研究衛(wèi)星、預警衛(wèi)星和測地衛(wèi)星等。 4 4同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星 地球同步衛(wèi)星與其他地球衛(wèi)星的運行原理一樣，都是靠地地球同步衛(wèi)星與其他地球衛(wèi)星的運行原理一樣，都是靠地球的萬有引力充當向心力，但地球同步衛(wèi)星與其他衛(wèi)星相比，球的萬有引力充當向心力，但地球同步衛(wèi)星與其他衛(wèi)星相比，具有以下幾個特點：具有以下幾個特點：圖圖6 65 51 1 名師點睛名師點睛 (1)無論衛(wèi)星沿什么軌道運動，地心一定處于衛(wèi)星軌無論衛(wèi)星沿什么軌道運動，地心一定處于衛(wèi)星軌道所在的平面上。道所在的平面上。

13、 (2)所有國家發(fā)射的同步衛(wèi)星均在同一圓軌道上的不所有國家發(fā)射的同步衛(wèi)星均在同一圓軌道上的不同位置繞地球做勻速圓周運動，且始終相對地面靜止，好同位置繞地球做勻速圓周運動，且始終相對地面靜止，好像懸掛在天上一般。像懸掛在天上一般。 思路點撥思路點撥同步衛(wèi)星與一般的衛(wèi)星遵循同樣的規(guī)律，同步衛(wèi)星與一般的衛(wèi)星遵循同樣的規(guī)律，所以解決一般衛(wèi)星問題的思路、公式均可運用在同步衛(wèi)星所以解決一般衛(wèi)星問題的思路、公式均可運用在同步衛(wèi)星問題的解答中。同步衛(wèi)星同時又具備自身的特殊性，即有問題的解答中。同步衛(wèi)星同時又具備自身的特殊性，即有確定的周期、角速度、加速度、線速度、高度、軌道半徑、確定的周期、角速度、加速度、線

14、速度、高度、軌道半徑、軌道平面。軌道平面。答案答案BD 所有的地球同步衛(wèi)星的軌道都與赤道為同心圓，所有的地球同步衛(wèi)星的軌道都與赤道為同心圓，且都在同一軌道上，衛(wèi)星的運動周期、角速度與地且都在同一軌道上，衛(wèi)星的運動周期、角速度與地球自轉的周期、角速度相同。球自轉的周期、角速度相同。 3.發(fā)射地球同步衛(wèi)星時，先將衛(wèi)星發(fā)射至發(fā)射地球同步衛(wèi)星時，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道近地圓軌道1，然后點火，使其沿橢圓軌道，然后點火，使其沿橢圓軌道2運運行，最后再次點火，將衛(wèi)星送入同步圓軌道行，最后再次點火，將衛(wèi)星送入同步圓軌道3。軌道軌道1、2相切于相切于Q點，軌道點，軌道2、3相切于相切于P點，如點，如圖圖652

15、所示。當衛(wèi)星分別在所示。當衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運行時，軌道上正常運行時，以下說法正確的是以下說法正確的是 ()圖圖652 A衛(wèi)星在軌道衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道上的速率大于在軌道1上的速率上的速率 B衛(wèi)星在軌道衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道上的角速度小于在軌道1上的角速度上的角速度 C衛(wèi)星在軌道衛(wèi)星在軌道1上經過上經過Q點時的加速度大小大于它在軌道點時的加速度大小大于它在軌道2上經過上經過Q點時的加速度大小點時的加速度大小 D衛(wèi)星在軌道衛(wèi)星在軌道2上經過上經過P點時的加速度大小等于它在軌道點時的加速度大小等于它在軌道3上經過上經過P點時的加速度大小點時的加速度大小 思路點撥思路

16、點撥解答本題時應注意以下兩點：解答本題時應注意以下兩點： (1)衛(wèi)星在不同圓形軌道上做勻速圓周運動的速率、角速度衛(wèi)星在不同圓形軌道上做勻速圓周運動的速率、角速度與軌道半徑的關系。與軌道半徑的關系。 (2)衛(wèi)星受到的萬有引力為衛(wèi)星的合外力，產生衛(wèi)星的加速衛(wèi)星受到的萬有引力為衛(wèi)星的合外力，產生衛(wèi)星的加速度。度。答案答案BD解析：解析：第一宇宙速度是近地衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運第一宇宙速度是近地衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的線速度，其運行周期約動的線速度，其運行周期約85分鐘，該同學認為衛(wèi)星分鐘，該同學認為衛(wèi)星的周期為的周期為24 h，因此得出錯誤的結果，故，因此得出錯誤的結果，故D正確。正確。答案：答案

17、：D2(對應要點二對應要點二)如圖如圖653所示的所示的三顆人造地球衛(wèi)星，則下列說法三顆人造地球衛(wèi)星，則下列說法正確的是正確的是()A衛(wèi)星可能的軌道為衛(wèi)星可能的軌道為a、b、cB衛(wèi)星可能的軌道為衛(wèi)星可能的軌道為a、cC同步衛(wèi)星可能的軌道為同步衛(wèi)星可能的軌道為a、cD同步衛(wèi)星可能的軌道為同步衛(wèi)星可能的軌道為a圖圖6 65 53 3解析：解析：衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內，也可以和赤道衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內，也可以和赤道平面垂直，還可以和赤道平面成任一角度。但是由于地球平面垂直，還可以和赤道平面成任一角度。但是由于地球對衛(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球運動的向心力，所以，對衛(wèi)星的萬有引力提

18、供了衛(wèi)星繞地球運動的向心力，所以，地心必須是衛(wèi)星圓軌道的圓心，因此衛(wèi)星可能的軌道一定地心必須是衛(wèi)星圓軌道的圓心，因此衛(wèi)星可能的軌道一定不會是不會是b。同步衛(wèi)星只能位于赤道的正上方，所以同步衛(wèi)星。同步衛(wèi)星只能位于赤道的正上方，所以同步衛(wèi)星可能的軌道為可能的軌道為a。綜上所述，正確選項為。綜上所述，正確選項為BD。答案：答案：BD3(對應要點二對應要點二)(2012北京高考北京高考)關于環(huán)繞地球運動的衛(wèi)星，關于環(huán)繞地球運動的衛(wèi)星，下列說法正確的是下列說法正確的是 ()A分別沿圓軌道和橢圓軌道運行的兩顆衛(wèi)星，不可能具分別沿圓軌道和橢圓軌道運行的兩顆衛(wèi)星，不可能具 有相同的周期有相同的周期B沿橢圓軌道

19、運行的一顆衛(wèi)星，在軌道不同位置可能具沿橢圓軌道運行的一顆衛(wèi)星，在軌道不同位置可能具 有相同的速率有相同的速率C在赤道上空運行的兩顆地球同步衛(wèi)星，它們的軌道半在赤道上空運行的兩顆地球同步衛(wèi)星，它們的軌道半 徑有可能不同徑有可能不同D沿不同軌道經過北京上空的兩顆衛(wèi)星，它們的軌道平沿不同軌道經過北京上空的兩顆衛(wèi)星，它們的軌道平 面一定會重合面一定會重合答案：答案：B B4(對應要點三對應要點三)同步衛(wèi)星在赤道上空同步同步衛(wèi)星在赤道上空同步軌道上定位以后，由于受到太陽、月軌道上定位以后，由于受到太陽、月球及其他天體的引力作用影響，會產球及其他天體的引力作用影響，會產生漂移運動而偏離原來的位置，若偏生漂

20、移運動而偏離原來的位置，若偏離達到一定程度，就要發(fā)動衛(wèi)星上的離達到一定程度，就要發(fā)動衛(wèi)星上的小發(fā)動機進行修正。如圖小發(fā)動機進行修正。如圖654所示所示中中A為離地面為離地面36 000 km的同步軌道，的同步軌道，B和和C為兩個已經偏離軌道但仍在赤道平為兩個已經偏離軌道但仍在赤道平面內運行的同步衛(wèi)星，要使它們回到面內運行的同步衛(wèi)星，要使它們回到同步軌道上應同步軌道上應()圖圖6 65 54 4A開動開動B的小發(fā)動機向前噴氣，使的小發(fā)動機向前噴氣，使B適當減速適當減速B開動開動B的小發(fā)動機向后噴氣，使的小發(fā)動機向后噴氣，使B適當加速適當加速C開動開動C的小發(fā)動機向前噴氣，使的小發(fā)動機向前噴氣，使C適當減速適當減速D開動開動C的小發(fā)動機向后噴氣，使的小發(fā)動機向后噴氣，使C適當加速適當加速解析：解析：當衛(wèi)星速度突然變大時，由于萬有引力不足以提供向