高中物理必修课件：3.3《飞向太空》（粤教必修2）

欢迎进入物理课堂 一 火箭与人造卫星 1 人造卫星人造卫星要进入飞行轨道必须有足够大的速度 发射速度大于7 9km s可进入绕地球飞行的轨道 成为人造地球卫星 发射速度等于或大于11 2km s可成为太阳的人造行星或飞到其他行星上去 2 三级火箭 1 一级火箭最终速度达不到发射人造卫星所需要的速度 发射卫星要用多级火箭 2 三级火箭的工作过程火箭起飞时 第一级火箭的发动机 点火 燃料燃尽后 第二级火箭开始工作 并自动脱掉第一级火箭的外壳 以此类推 由于各级火箭的连接部位需大量附属设备 这些附属设备具有一定的质量 并且级数越多 连接部位的附属设备质量越大 并且所需的技术要求也相当精密 因此 火箭的级数并不是越多越好 一般用三级火箭 3 火箭发射卫星示意图 1 早期火箭技术是由我国发明的 2 我国现在发射神舟系列飞船及嫦娥系列探测器主要应用的是 长征 系列运载火箭 典例1 2010 天津高考 探测器绕月球做匀速圆周运动 变轨后在周期较小的轨道上仍做匀速圆周运动 则变轨后与变轨前相比 A 轨道半径变小B 向心加速度变小C 线速度变小D 角速度变小 解题指导 解答本题应注意变轨后在周期较小的轨道上做匀速圆周运动时轨道半径的变化 标准解答 选A 探测器做匀速圆周运动由万有引力提供向心力 则 整理得可知周期T较小的轨道 其半径r也小 A正确 由 man mr 2 整理得 可知半径变小 向心加速度变大 线速度变大 角速度变大 故B C D错误 规律方法 人造卫星运动规律巧析在讨论有关卫星的运动规律时 关键要明确向心力 轨道半径 线速度 角速度 周期和向心加速度彼此影响 互相联系 只要其中一个量确定了 其他的量也就不变了 只要一个量发生了变化 其他的量也随之变化 不管是定性分析还是定量计算 必须抓住卫星运动的特点 万有引力提供卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力 由求出相应物理量的表达式即可讨论或求解 需要注意的是a v T an均与卫星质量无关 变式训练 2010 海南高考 双选 火星直径约为地球的一半 质量约为地球的十分之一 它绕太阳公转的轨道半径约为地球公转半径的1 5倍 根据以上数据 以下说法正确的是 A 火星表面重力加速度的数值比地球表面小B 火星公转的周期比地球的长C 火星公转的线速度比地球的大D 火星公转的向心加速度比地球的大 解析 选A B 在地球表面万有引力等于重力 即在火星表面根据以上两式 可得g火 0 4g 故A正确 地球和火星绕太阳做匀速圆周运动所需向心力由太阳引力提供 根据牛顿第二定律得 解得 可知半径r越大 周期越长 B正确 又由得 可知半径越大 线速度越小 C错误 由得 可知半径越大 向心加速度越小 D错误 变式备选 2010 全国高考 已知地球同步卫星离地面的高度约为地球半径的6倍 若某行星的平均密度为地球平均密度的一半 它的同步卫星距其表面的高度是其半径的2 5倍 则该行星的自转周期约为 A 6小时B 12小时C 24小时D 36小时 解析 选B 根据牛顿第二定律和万有引力定律有 而M R3 解得T 地球同步卫星的周期为T1 24h 轨道半径为r1 7R1 密度为 1 某行星的同步卫星周期为T2 轨道半径为r2 3 5R2 密度 2 1 利用比值法解得T2 12h 故正确答案为B 二 空间探测器与卫星 或宇宙飞船 的变轨问题 1 空间探测器简介目前的载人航天还仅仅局限于地月系统 由于进行太空航行需要通过极长的距离 花费极长的时间 载人航行所需的技术条件要求极高 目前难以实现 因此进行深空探测 需要利用空间探测器 1989年 美国宇航局发射 伽利略号 探测器飞行六年到达木星 对木星进行了长达七年的考察 见证了 彗木大碰撞 的辉煌 向人们发回了许多宝贵资料 2003年6月与7月 美国的 机遇号 与 勇气号 火星探测器分别成功发射 其中 机遇号 登火星后失去联系 勇气号 于2004年1月登陆火星成功 2 卫星 宇宙飞船 的变轨问题卫星 宇宙飞船 在运行过程中 中心天体对卫星 宇宙飞船 的万有引力充当向心力 1 当万有引力恰好提供向心力时 卫星 宇宙飞船 在原轨道上运动 2 当万有引力小于所需要向心力时 卫星 宇宙飞船 做远离中心天体的运动 3 当万有引力大于所需要向心力时 卫星 宇宙飞船 做靠近中心天体的运动 典例2 宇宙飞船在轨道上运行 由于地面指挥人员发现某一火箭残体的轨道与飞船轨道有一交点 通知宇航员某一时间飞船有可能与火箭残体相遇 宇航员随即开动飞船上的发动机使飞船加速 脱离原轨道 关于飞船的运动 下列说法正确的是 A 飞船高度降低B 飞船高度升高C 飞船周期变小D 飞船的向心加速度变大 解题指导 解答本题可按以下思路进行分析 标准解答 选B 当宇宙飞船加速时 它所需向心力增大 因此飞船做离心运动 轨道半径增大 由此知A错误 B正确 由式子可知 r增大 T增大 故C错误 由于r增大 a变小 D错误 规律方法 巧解天体运动问题 1 建立模型不管是自然天体 如 地球 月球等 还是人造天体 如 卫星 飞船等 只要它们是在绕某一中心天体做圆周运动 就可以将其简化为质点的匀速圆周运动模型 2 列方程求解根据中心天体对环绕天体的万有引力提供向心力 列出合适的向心力表达式进行求解 F向 F万 ma mg 3 巧用 黄金代换GM gR2 若不知天体的质量M但知道其表面的重力加速度g 则可利用物体在天体表面的重力等于万有引力 列出方程继而 GM gR2 用 gR2 替代 GM 将问题简单化 变式训练 双选 发射地球同步卫星时 先将卫星发射至近地圆轨道1 然后经点火 使其沿椭圆轨道2运行 最后再次点火 将卫星送入同步圆轨道3 轨道1 2相切于Q点 轨道2 3相切于P点 如图所示 则当卫星分别在1 2 3轨道上正常运行时 以下说法正确的是 A 卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率B 卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度 C 卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度D 卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度 解析 选B D 由得因为r3 r1 所以v3r1 所以 3 1 B对 卫星在轨道1上经过Q点时的加速度为地球引力产生的加速度 而在轨道2上经过Q点时 也是地球引力产生的加速度 故应相等 同理 卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度 C错 D对 变式备选 双选 2010年11月1日0时26分 我国在西昌卫星发射中心用 长征三号丙 运载火箭成功将第六颗北斗导航卫星送入太空 并定位在东经160 赤道上空的同步轨道上 关于成功定点后的该北斗导航卫星 下列说法正确的是 A 运行速度大于7 9km sB 离地面高度一定 相对地面静止C 绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大D 向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等 解析 选B C 由题中描述知北斗导航卫星是地球同步卫星 所以它的运行速度小于7 9km s 离地高度一定 相对地面静止 故A错误 B正确 由于其运行半径比月球绕地球运行半径小 由知 其运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大 C正确 该卫星角速度与赤道上物体的角速度相同 由公式a r 2知 该卫星的向心加速度大于静止在赤道上物体的向心加速度 D错误 典例 宇宙飞船和空间站在同一轨道上运行 若飞船想与前面的空间站对接 飞船为了追上空间站 可以采取的方法是 A 飞船加速直到追上空间站 完成对接B 飞船从原轨道减速至一个较低轨道 再加速追上空间站完成对接C 飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接D 无论飞船采取何种措施 均不能与空间站对接 解题指导 飞船绕地球运行的速度是由其轨道半径决定的 半径越小 速度越大 标准解答 选B 由于宇宙飞船做圆周运动的向心力是由地球对其施加的万有引力提供的 由牛顿第二定律有得想追上同轨道上的空间站 直接加速会导致飞船轨道半径增大 由上式知飞船在一个新轨道上运行时速度比空间站的速度小 无法对接 故A错 飞船若先减速 它的轨道半径减小 但速度增大了 故在低轨道上飞船可接近或超过空间站 如图所示 当飞船运 动到合适的位置后再加速 则其轨道半径增大 同时速度减小 当刚好运动到空间站所在轨道处时停止加速 则飞船的速度刚好等于空间站的速度 可完成对接 若飞船先加速到一个较高轨道 其速度小于空间站速度 此时空间站比飞船运动快 当二者相对运动一周后 使飞船减速 轨道半径减小又使飞船速度增大 仍可追上空间站 但这种方法易造成飞船与空间站碰撞 不是最好方法 且空间站追飞船不合题意 综上所述 方法应选B 双选 假如一做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍 仍做圆周运动 则 A 根据公式v r 卫星运动的线速度增大到原来的2倍B 根据公式卫星所需的向心力将减小为原来的C 根据公式地球提供的向心力将减小为原来的D 根据上述选项B和C给出的公式 可知卫星运动的线速度将减小到原来的 对卫星运动的特点认识不清导致错误 正确解答 选C D A选项中线速度与半径成正比是在角速度一定的情况下 而r变化时 角速度也变 所以A错误 同理B选项也是如此 F 是在v一定时 但r变化时v也变化 故B错误 C选项中G M m都是恒量 所以F 即半径增大为原来的两倍时 万有引力变为原来的四分之一 C正确 由B C选项中两式结合解得GM为常数 所以半径变为两倍时 速度变为原来的 D正确 易错分析 本题易错选项及错误原因具体分析如下 1 双选 把太阳系各行星的运动近似看做匀速圆周运动 则离太阳越远的行星 A 周期越小B 线速度越小C 角速度越大D 加速度越小 解析 选B D 由万有引力提供向心力可得所以离太阳越远 行星的周期越大 线速度越小 角速度越小 加速度越小 故B D正确 2 火星的质量和半径分别约为地球的和 地球表面的重力加速度为g 则火星表面的重力加速度约为 A 0 2gB 0 4gC 2 5gD 5g 解析 选B 在星球表面物体所受重力约等于星球对其的万有引力 则有 即g星球 所以即g火 0 4g 选项B正确 3 2011 徐州高一检测 关于我国发射的 亚洲一号 地球同步通讯卫星的说法 正确的是 A 若其质量加倍 则轨道半径也要加倍B 它在北京上空运行 故可用于我国的电视广播C 它以第一宇宙速度运行D 它运行的角速度与地球自转角速度相同 解析 选D 从得 可知轨道半径与卫星质量无关 A错误 同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合 即在赤道上空运行 不能在北京上空运行 B错误 第一宇宙速度是卫星在最低圆轨道上运行的速度 而同步卫星在高轨道上运行 其运行速度小于第一宇宙速度 C错误 所谓同步就是卫星保持与地球相对静止 所以同步卫星的角速度与地球自转角速度相同 D正确 4 2011 上海高考 人造地球卫星在运行过程中由于受到微小的阻力 轨道半径将缓慢减小 在此运动过程中 卫星所受万有引力大小将 填 减小 或 增大 其动能将 填 减小 或 增大 解析 根据万有引力公式在轨道半径r减小的过程中 万有引力增大 根据环绕速度公式在轨道半径r减小的过程中 环绕速度增大 卫星的动能增大 答案 增大增大 5 某宇宙飞船绕地球遨游太空t 7天后顺利返回地面 飞船在运动过程中进行了预定的空间科学实验 获得圆满成功 1 设飞船轨道离地高度为h 地球半径为R 地面重力加速度为g 则该飞船绕地球正常运转多少圈 用给定字母表示 2 若h 600km 且已知R 6400km 则圈数为多少 解析 1 在轨道上 在地球表面 联立 式得 故 2 代入数据解得 n 105圈答案 1 2 105圈 Thankyou 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全