2020高中物理第六章万有引力与航天第5节宇宙航行课件 人教版必修2 46页

第六章 万有引力与航天 第五节　宇宙航行 素养目标定位 ※ 知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度 ※ 能运用万有引力定律及匀速圆周运动的规律解决卫星运动的有关问题 ※ 感知人类探索宇宙的梦想，培养献身科学的人生价值观 素养思维脉络 课前预习反馈 1 ．牛顿的设想 如图所示，当物体的 __________ 足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕地球转动的 ________________ 。 知识点 1 人造地球卫星 初速度　 人造地球卫星　 匀速圆周　 万有引力　 知识点 2 宇宙速度 数值 意义 第一宇 宙速度 ________km/s 卫星在地球表面附近绕地球做 ________________ 的速度 第二宇 宙速度 _________km/s 使卫星挣脱 ________ 引力束缚的最小地面发射速度 第三宇 宙速度 _________km/s 使卫星挣脱 ________ 引力束缚的 ________ 地面发射速度 7.9 　 匀速圆周运动　 11.2 　 地球　 16.7 　 太阳　 最小　 1957 年 10 月 ________ 成功发射了第一颗人造卫星； 1969 年 7 月美国 “ 阿波罗 11 号 ” 登上 ________ ； 2003 年 10 月 15 日我国航天员 __________ 踏入太空。 2008 年 9 月 27 日我国航天员 __________ 太空行走； 2013 年 6 月 20 日我国航天员 __________ 首次太空授课。 知识点 3 梦想成真 苏联　 月球　 杨利伟　 翟志刚　 王亚平　 『 判一判 』 (1) 第一宇宙速度是发射卫星的最小速度。 ( 　　 ) (2) 无论从哪个星球上发射卫星，发射速度都要大于 7.9 km/s 。 ( 　　 ) (3) 绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是 10 km/s 。 ( 　　 ) (4) 人造地球卫星离地面越高，运动速度越小。 ( 　　 ) (5) 如果在地面发射卫星的速度大于 11.2 km/s ，卫星会永远离开地球。 ( 　　 ) 辨析思考 √ 　 × 　 × 　 √　 √　 『 选一选 』 2013 年 6 月 11 日， “ 神舟十号 ” 飞船在酒泉卫星发射中心发射升空，航天员王亚平进行了首次太空授课。在飞船进入圆形轨道环绕地球飞行时，它的线速度大小 ( 　　 ) A ．等于 7.9 km/s B ．介于 7.9 km/s 和 11.2 km/s 之间 C ．小于 7.9 km/s D ．介于 7.9 km/s 和 16.7 km/s 之间 C 　 答案： 正确。 课内互动探究 探究一　人造地球卫星　 在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动，请思考： (1) 这些卫星的轨道平面有什么特点？ (2) 这些卫星的线速度、角速度、周期跟什么因素有关呢？ 1 1 ．卫星的轨道 (1) 卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道。 (2) 卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心是椭圆的一个焦点，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。 (3) 卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以地心必须是卫星圆轨道的圆心。 (4) 三类人造地球卫星轨道： A ．赤道轨道：卫星轨道在赤道所在平面上，卫星始终处于赤道上方； B ．极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星经过两极上空； C ．一般轨道：卫星轨道和赤道成一定角度。如图所示。 特别提醒： 不管卫星沿一个什么样的轨道运动，地心一定处于卫星轨道所在的平面上。 3 ．卫星中的超重与失重 (1) 超重：发射时加速上升过程；返回大气层时减速降低过程。 (2) 失重：卫星进入轨道后，卫星本身和其中的人、物都处于完全失重状态。 (3) 卫星中失效的物理仪器：凡工作条件或原理与重力有关的仪器都不能使用。 　　　 　 ( 多选 ) (2019 · 云南省腾冲市第八中学高一下学期期中 ) a 、 b 、 c 、 d 是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星，其中 a 、 c 的轨道相交于 P ( 图中未画出 ) ， b 、 d 在同一个圆轨道上， b 、 c 轨道位于同一平面。某时刻四颗人造卫星的运行方向及位置如图所示。下列说法中正确的是 ( 　 　 ) 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 的线速度大小相等，且大于 d 的线速度 D ． a 、 c 存在相撞危险 AC 　 典例 1 解题指导： 万有引力提供向心力是解决卫星问题的核心，正确选用向心力的不同表达式是解题的关键。 〔 对点训练 1〕 　如图所示，有关地球人造卫星轨道的正确说法有 ( 　　 ) A ． a 、 b 、 c 均可能是卫星轨道 B ．卫星轨道只可能是 a C ． a 、 b 均可能是卫星轨道 D ． b 可能是同步卫星的轨道 解析： 地球卫星围绕地球做匀速圆周运动，圆心是地球的地心，所以凡是地球卫星，轨道面必定经过地球中心，所以 a 、 b 均可能是卫星轨道， c 不可能是卫星轨道，故 A 、 B 错误， C 正确；同步卫星的轨道必定在赤道平面内，所以 b 不可能是同步卫星，故 D 错误。 C 　 探究二　宇宙速度 发射卫星，要有足够大的速度才行，请思考： (1) 对于不同轨道的卫星，哪一颗卫星最容易发射呢？这颗卫星的环绕速度与发射速度有什么关系？ (2) 如何求得第一宇宙速度？ 2 提示： (1) 轨道越低的卫星，更容易发射，故近地卫星最容易发射，发射后不需要升空，因此近地卫星的环绕速度与其发射速度相等； (2) 第一宇宙速度等于近地卫星的环绕速度，根据万有引力提供向心力，求出近地卫星的环绕速度即可。 2 ．第二宇宙速度 ( 脱离速度 ) (1) 大小： v 2 ＝ 11.2 km/s (2) 物理意义：卫星脱离地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度。 3 ． 第三宇宙速度 ( 逃逸速度 ) (1) 大小： v 3 ＝ 16.7 km/s (2) 物理意义：卫星脱离太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小发射速度。 特别提醒： (1) 第一宇宙速度是最大环绕速度，也是最小发射速度。 (2) 当在地面上以 7.9 km/s< v <11.2 km/s 的速度发射卫星时，该卫星的轨道是椭圆，地球位于椭圆的一个焦点上。 (3) 三个宇宙速度分别为在三种不同情况下在地面附近的最小发射速度。 　　　 　 (2019 · 河南省洛阳市高一下学期期中 )2019 年 1 月 3 日 “ 嫦娥四号 ” 探测器首次在月球背面软着陆，开展原位和巡视探测，让月球背面露真颜，设想嫦娥四号登月飞船贴近月球表面做匀速圆周运动，发射的月球车在月球软着陆后，自动机器人在月球表面上沿竖直方向以初速度 v 0 抛出一个小球，测得小球经时间 t 落回抛出点，已知月球半径为 R ，万有引力常量为 G ，月球质量分布均匀，求： (1) 月球表面的重力加速度； (2) 月球的第一宇宙速度。 典例 2 〔 对点训练 2〕 　 (2019 · 河北省石家庄市高一下学期期末 )2017 年 9 月 25 日，微信启动页 “ 变脸 ” ：由美国卫星拍摄的地球静态图换成了我国 “ 风云四号 ” 卫星拍摄地球的动态图，如图所示。 “ 风云四号 ” 卫星是第二代地球静止轨道遥感气象卫星，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．经过一段时间， “ 风云四号 ” 可以运行到美国上空 B ． “ 风云四号 ” 运行速度大于第一宇宙速度 C ． “ 风云四号 ” 做圆周运动的向心加速度小于地球表面的重力加速度 D ． “ 风云四号 ” 卫星的发射速度大于第二宇宙速度 C 　 探究三　地球同步卫星 地球上空分布着许多的同步卫星，在地面上的人看来，始终静止不动，请思考： (1) 这些同步卫星是否就真的静止不动呢？ (2) 这些同步卫星有什么共同的特点呢？ 3 提示： (1) 这些同步卫星都在绕地心做匀速圆周运动； (2) 卫星相对于地球静止，因此卫星绕地球运动的周期一定等于地球自转的周期。 1 ．概念 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星，又叫通信卫星。 2 ． 特点 (1) 周期一定：它的运动周期等于地球自转的周期 T ＝ 24 h 。 (2) 角速度一定：同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度。 (3) 轨道一定：所有同步卫星的轨道半径都相同，即同步卫星都在同一轨道上随地球做匀速圆周运动，其轨道离地面的高度约为 3.59×10 4 km 。 (4) 环绕速度大小一定：所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的，约为 3.08 km/s 。 (5) 向心加速度大小一定：所有同步卫星由于到地心距离相同，所以，它们绕地球运动的向心加速度大小都相同，约为 0.23 m/s 2 。 特别提醒： (1) 所有同步卫星的周期 T 、轨道半径 r 、环绕速度 v 、角速度 ω 及向心加速度 a 的大小均相同。　 (2) 所有国家发射的同步卫星的轨道都与赤道为同心圆，它们都在同一轨道上运动且都相对静止。 典例 3 C 　 A ．静止轨道卫星的向心加速度比中轨道卫星大 B ．静止轨道卫星和中轨道卫星的线速度均大于地球的第一宇宙速度 C ．中轨道卫星的周期约为 12.7 h D ．地球赤道上随地球自转物体的向心加速度比静止轨道卫星大 解题指导： 同步卫星与一般的卫星遵循同样的规律，所以解决一般卫星问题的思路、公式均可运用在同步卫星问题的解答中。同步卫星同时又具备自身的特殊性，即有确定的周期、角速度、加速度、线速度、高度、轨道半径、轨道平面。 〔 对点训练 3〕 　同步地球卫星相对地面静止不动，犹如悬在高空中，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．同步卫星处于平衡状态 B ．同步卫星的速率是唯一的 解析： 根据同步卫星的特点知 B 正确， C 、 D 错误。同步卫星在万有引力作用下，绕地心作圆周运动，不是处于平衡状态， A 错误。 C ．不同卫星的轨道半径都相同，且一定在赤道的正上方，它们以第一宇宙速度运行 D ．它们可在我国北京上空运行，故用于我国的电视广播 B 　 核心素养提升 处理天体问题的方法 3 ．注意两个问题 (1) 在用万有引力等于向心力列式求天体的质量时，只能测出中心天体的质量，而环绕天体的质量在方程式中被消掉了。 (2) 应用万有引力定律求解时还要注意挖掘题目中的隐含条件。如地球公转一周是 365 天，自转一周是 24 小时，其表面的重力加速度约为 9.8 m/s 2 等。 　　　　 木星的卫星之一叫艾奥，它上面的珞珈火山喷出的岩块初速度为 18 m/s 时，上升高度可达 90 m 。已知艾奥的半径为 R ＝ 1 800 km ，引力常量 G ＝ 6.67×10 － 11 N · m 2 /kg 2 ，忽略艾奥的自转及岩块运动过程中受到稀薄气体的阻力，求： (1) 艾奥的质量； (2) 艾奥的第一宇宙速度。 解题指导： 根据上抛高度可求重力加速度，进而可求得星球的质量；根据万有引力充当向心力，当卫星绕星球表面运行时的速度为第一宇宙速度，代入数据即可求。 案 例 答案： (1)8.7×10 22 kg 　 (2)1.8×10 3 m/s