高中物理必修二《4 宇宙航行》獲獎(jiǎng)?wù)f課課件

1、4.宇 宙 航 行一、第一宇宙速度【思考】如圖,把物體水平拋出,如果速度足夠大,物體就不再落到地面,它將繞地球運(yùn)動(dòng),成為地球的人造衛(wèi)星,是什么力使物體繞地球運(yùn)動(dòng)?提示:地球與物體之間的萬(wàn)有引力。(1)物體繞地球速度推導(dǎo):物體繞地球的運(yùn)動(dòng)可視作勻速圓周運(yùn)動(dòng),萬(wàn)有引力提供物體運(yùn)動(dòng)所需的向心力,有 =m ,由此解出:v=_(m地為地球質(zhì)量,r為物體做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑)。(2)數(shù)值:已知地球的質(zhì)量,近似用地球半徑R代替r,算出v= =_,這就是物體在地球附近做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度,叫作第一宇宙速度。7.9 km/s二、第二宇宙速度當(dāng)飛行器的速度等于或大于_時(shí),它就會(huì)克服地球的引力,永遠(yuǎn)離開(kāi)地球,我們把_叫

2、作第二宇宙速度。11.2 km/s11.2 km/s三、第三宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器,如果要使其掙脫太陽(yáng)引力的束縛,飛到太陽(yáng)系外,必須使它的速度等于或大于_,這個(gè)速度叫作第三宇宙速度。16.7 km/s一第一宇宙速度的定性分析和定量計(jì)算任務(wù)1 第一宇宙速度的定性分析1.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(yùn)動(dòng)必須具備的速度,即近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度。2.決定因素:由第一宇宙速度的計(jì)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(wú)關(guān)。3.“最小發(fā)射速度”:如果發(fā)射速度低于第一宇宙速度,因?yàn)槭艿降厍蛞ψ饔?發(fā)射出

3、去的衛(wèi)星就會(huì)再回到地球上,所以第一宇宙速度是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度。4.“最大環(huán)繞速度”:在所有環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星中,近地衛(wèi)星的軌道半徑最小,由 可得 軌道半徑越小,線速度越大,所以在這些衛(wèi)星中,近地衛(wèi)星的線速度即第一宇宙速度是最大環(huán)繞速度?！舅伎加懻摗吭?00200 km高度飛行的地球衛(wèi)星,能說(shuō)在地面附近飛行嗎?為什么?(科學(xué)思維)提示:可以。因?yàn)?00200 km與地球半徑6 400 km相比,可以忽略?！镜淅痉?】 (多選)關(guān)于第一宇宙速度,以下敘述正確的是()A.它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B.它是近地圓軌道上人造衛(wèi)星運(yùn)行的速度C.它是使衛(wèi)星進(jìn)入近地圓形軌道的最小發(fā)

4、射速度D.它是人造衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的最大速度【解析】選B、C。第一宇宙速度是指衛(wèi)星圍繞天體表面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度,滿足關(guān)系 即v= ,且由該式知,它是最大環(huán)繞速度;衛(wèi)星發(fā)射得越高,需要的發(fā)射速度越大,故第一宇宙速度等于最小發(fā)射速度,選項(xiàng)B、C正確。任務(wù)2 第一宇宙速度的定量計(jì)算方法1.根據(jù)星球表面的重力加速度可計(jì)算它的第一宇宙速度,依據(jù)是mg=m 。2.根據(jù)星球的近地衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)情況可計(jì)算它的第一宇宙速度,依據(jù)是 【典例示范2】 已知某星球的質(zhì)量是地球的n倍,半徑是地球的k倍,地球的第一宇宙速度為v,則該星球的第一宇宙速度為()A.v B.v C.v D.nkv【解析】選A。對(duì)于地球: ;對(duì)于星球

5、: ,解以上兩式得: v1=v ?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.(多選)第一宇宙速度是物體在地球表面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度,則有()A.被發(fā)射的物體質(zhì)量越大,第一宇宙速度越大B.被發(fā)射的物體質(zhì)量越小,第一宇宙速度越大C.第一宇宙速度與被發(fā)射物體的質(zhì)量無(wú)關(guān)D.第一宇宙速度與地球的質(zhì)量有關(guān)【解析】選C、D。第一宇宙速度v1= ,與地球質(zhì)量M有關(guān),與發(fā)射物體質(zhì)量無(wú)關(guān)。故選項(xiàng)C、D正確。2.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6倍,半徑是地球的1.5倍,此行星的第一宇宙速度約為()A.16 km/sB.32 km/sC.4 km/s D.2 km/s【解析】選A。由 因?yàn)樾行堑馁|(zhì)量M

6、是地球質(zhì)量M的6倍,半徑R是地球半徑R的1.5倍,即M=6M,R=1.5R。由 得v=2v=28 km/s=16 km/s。【補(bǔ)償訓(xùn)練】已知地球自轉(zhuǎn)的角速度為7.2910-5 rad/s,月球到地球中心的距離為3.84108 m,在地球表面發(fā)射衛(wèi)星的第一宇宙速度為7.9103 m/s,第二宇宙速度為11.2 103 m/s,第三宇宙速度為16.7103 m/s,假設(shè)地球上有一棵蘋果樹(shù)長(zhǎng)到了接近月球那么高,則當(dāng)蘋果脫離蘋果樹(shù)后,將()A.落向地面B.成為地球的同步“蘋果衛(wèi)星”C.成為地球的“蘋果月亮”D.飛向茫茫宇宙【解析】選D。v=r=3.841087.2910-5 m/s 2.8104 m/

7、s16.7103 m/s,故蘋果將飛向茫茫宇宙。二人造地球衛(wèi)星任務(wù)1 人造地球衛(wèi)星的軌道特點(diǎn)1.衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)遵循的規(guī)律:衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)時(shí),地心在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上,衛(wèi)星的周期和半長(zhǎng)軸的關(guān)系遵循開(kāi)普勒第三定律。2.衛(wèi)星軌道的圓心:衛(wèi)星繞地球沿圓軌道運(yùn)動(dòng)時(shí),因?yàn)榈厍驅(qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力提供了衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的向心力,而萬(wàn)有引力指向地心,所以地心必定是衛(wèi)星圓軌道的圓心。3.衛(wèi)星的軌道:衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)(如同步衛(wèi)星),可以通過(guò)兩極上空(極地軌道衛(wèi)星),也可以和赤道平面成任一角度,如圖所示。【思考討論】人造地球衛(wèi)星按怎樣的軌道運(yùn)行,誰(shuí)提供向心力?(物理觀念)提示:人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周

8、運(yùn)動(dòng),由地球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供向心力,地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力指向地心?！镜淅痉?】 如圖所示,有關(guān)人造地球衛(wèi)星軌道的正確說(shuō)法有()A.a、b、c均可能是衛(wèi)星軌道B.衛(wèi)星軌道只可能是aC.a、b均可能是衛(wèi)星軌道 D.b可能是同步衛(wèi)星的軌道【解析】選C。地球衛(wèi)星圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),圓心是地球的地心,所以凡是地球衛(wèi)星,軌道面必定經(jīng)過(guò)地球中心,所以a、b均可能是衛(wèi)星軌道,c不可能是衛(wèi)星軌道,故A、B錯(cuò)誤,C正確;同步衛(wèi)星的軌道必定在赤道平面內(nèi),所以b不可能是同步衛(wèi)星的軌道,故D錯(cuò)誤。任務(wù)2 地球同步衛(wèi)星1.地球同步衛(wèi)星:位于地球赤道上方,相對(duì)于地面靜止不動(dòng),它的角速度跟地球的自轉(zhuǎn)角速度相同,廣泛應(yīng)

9、用于通信,又叫同步通信衛(wèi)星。2.地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn):項(xiàng)目?jī)?nèi)容周期一定與地球自轉(zhuǎn)周期相同,即T=24 h=86 400 s角速度一定與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同高度一定衛(wèi)星離地面高度h=r-R6R(為恒量)速度大小一定v= =3 km/s(為恒量)項(xiàng)目?jī)?nèi)容向心加速度大小一定a=0.23 m/s2軌道平面一定軌道平面與赤道平面共面【典例示范2】 (多選)“靜止”在赤道上空的地球同步氣象衛(wèi)星把廣闊視野內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)發(fā)回地面,為天氣預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確、全面和及時(shí)的氣象資料。設(shè)地球同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的n倍,下列說(shuō)法中正確的是()A.同步衛(wèi)星距地面的高度是地球半徑的(n-1)倍B.同步衛(wèi)星運(yùn)行速度是第一宇宙速

10、度的 C.同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度是地球赤道上物體隨地球自轉(zhuǎn)獲得的速度的 D.同步衛(wèi)星的向心加速度是地球表面重力加速度的 (忽略地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng))【解析】選A、B。地球同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的n倍,所以同步衛(wèi)星距地面的高度是地球半徑的(n-1)倍,A正確。由萬(wàn)有引力提供向心力得 第一宇宙速度v= ,所以同步衛(wèi)星運(yùn)行速度是第一宇宙速度的 ,B正確。同步衛(wèi)星與地球赤道上的物體具有相同的角速度,根據(jù)v=r知,同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度是地球赤道上物體隨地球自轉(zhuǎn)的速度的n倍,C錯(cuò)誤。根據(jù) =ma,得a= ,則同步衛(wèi)星的向心加速度是地球表面重力加速度的 ,D錯(cuò)誤?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.(多選)地球的質(zhì)量為M,半徑為R,

11、自轉(zhuǎn)角速度為,萬(wàn)有引力常量為G,地球表面的重力加速度為g,同步衛(wèi)星距地面的距離為h,則同步衛(wèi)星的線速度大小為()A.(R+h)B. C.R D. 【解析】選A、B。同步衛(wèi)星與地球同步做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則由線速度定義可得:v= =(R+h);由于地球的引力提供向心力,讓同步衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則有: ;解之得:v= ;當(dāng)忽略地球自轉(zhuǎn)時(shí),由黃金代換式:g= ,可得:v=R ,由于本題沒(méi)有說(shuō)明是否忽略地球自轉(zhuǎn),故A、B正確,C、D錯(cuò)誤。2.已知地球質(zhì)量為M,自轉(zhuǎn)周期為T,萬(wàn)有引力常量為G。將地球視為半徑為R、質(zhì)量分布均勻的球體,不考慮空氣的影響。若把一質(zhì)量為m的物體放在地球表面的不同位置,由于地球自轉(zhuǎn)

12、,它對(duì)地面的壓力會(huì)有所不同。(1)若把物體放在北極的地表,求該物體對(duì)地表的壓力F1的大小;(2)若把物體放在赤道的地表,求該物體對(duì)地表的壓力F2的大小;(3)若把物體放在赤道的地表,請(qǐng)你展開(kāi)想象的翅膀,假想地球的自轉(zhuǎn)不斷加快,當(dāng)該物體剛好“飄起來(lái)”時(shí),求此時(shí)地球的“一天”T的表達(dá)式。【解析】(1)當(dāng)物體放在北極的地表時(shí),萬(wàn)有引力與支持力相平衡,有:F1= 根據(jù)牛頓第三定律,該物體對(duì)地表的壓力F1=F1= (2)當(dāng)物體放在赤道的地表時(shí),萬(wàn)有引力與支持力的合力提供向心力,有: F2= 根據(jù)牛頓第三定律,該物體對(duì)地表的壓力F2=F2= (3)物體剛好“飄起來(lái)”時(shí),即F2=0,則有: 解得T=2 答案: (1) (2) (3)T=2 【補(bǔ)償訓(xùn)練】將地球看作質(zhì)量均勻分布的球體,在其上空有許多同步衛(wèi)星,下列說(shuō)法中正確的是()A.它們的質(zhì)量可能不同B.它們的角速度可能不同C.它們的向心加速度可能不同D.它們離地心的距離可能不同【解析】選A。所謂地球同步衛(wèi)星,是相對(duì)地面靜止且和地球有相同周期、角速度的衛(wèi)星。同步衛(wèi)星定位于赤道的正上方,離地面的高度約為3.6104 km。因此所有同步衛(wèi)星離地心的