高中物理 6.5宇宙航行（探究导学课型）课件 新人教版必修2.ppt

5宇宙航行 一 人造地球卫星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 2 原理 一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做 运动 向心力由地球对它的 提供 即 则卫星在轨道上运行的线速度v 初速度 人造地球 卫星 匀速圆周 万有引力 自我思悟 1 人造卫星能够绕地球转动而不落回地面 是否是由于卫星不再受到地球引力的作用 提示 卫星仍然受到地球引力的作用 但地球引力全部用来提供向心力 2 为何只有当水平抛出的物体的速度足够大时才不会落回地面 提示 水平抛出的物体如果速度比较小 则其受到的地球引力F 物体将做 近心 运动 只有当F 时物体才不会落回地面 故v必须足够大 二 宇宙速度 7 9 匀速圆周运动 11 2 地球 16 7 太阳 最小 自我思悟 1 通常情况下人造卫星总是向东发射的 为什么 提示 由于地球的自转由西向东 如果我们顺着地球自转的方向 即向东发射卫星 就可以充分利用地球自转的速度 节省发射所需要的能量 2 我们要想往月球上发射一颗人造卫星 则发射速度必须要大于等于11 2km s吗 提示 不需要 11 2km s是使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度 而月球在地球引力的控制范围内 三 梦想成真1957年10月4日 成功发射了第一颗人造地球卫星 1961年4月12日 苏联空军少校 进入 东方一号 载人飞船 铸就了人类进入太空的丰碑 1969年7月 美国 阿波罗11号 飞船登上月球 2003年10月15日 我国 神舟五号 宇宙飞船发射成功 把中国第一位航天员 送入太空 苏联 加加林 杨利伟 自我思悟 1 从出现人造卫星的设想到第一颗人造卫星发射成功经历了长达几百年的时间 主要原因是什么 提示 人造卫星需要的发射速度很大 至少要达到7 9km s 要想使物体获得这样大的速度是非常困难的 2 神舟五号 宇宙飞船成功发射具有什么样的意义 提示 神舟五号 的成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想 标志着我国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家 为进一步进行空间科学研究奠定了坚实的基础 一 三个宇宙速度深化理解宇宙速度是在地球上满足不同要求的卫星的最小发射速度 并非卫星的运行速度 1 第一宇宙速度 环绕速度 1 定义 又叫环绕速度 是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度 是人造地球卫星的最小发射速度 v 7 9km s 同时也是最大环绕速度 2 推导 设地球的质量为M 卫星的质量为m 卫星到地心的距离为r 卫星做匀速圆周运动的线速度为v 2 第二宇宙速度 脱离速度 在地面上发射物体 使之能够脱离地球的引力作用 成为绕太阳运动的人造行星或绕其他行星运动的人造卫星所必需的最小发射速度 其大小为11 2km s 3 第三宇宙速度 逃逸速度 在地面上发射物体 使之最后能脱离太阳的引力作用 飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度 其大小为16 7km s 微思考 1 天宫一号 目标飞行器在距地面355km的轨道上做圆周运动 它的线速度比7 9km s大还是小 提示 第一宇宙速度7 9km s是卫星 包括飞船 在地面上空做圆周运动飞行时的最大速度 是卫星紧贴地球表面飞行时的速度 天宫一号 目标飞行器距离地面355km 轨道半径大于地球半径 运行速度小于7 9km s 2 若想往冥王星发射一个探测器 发射速度应接近三个宇宙速度中的哪一个 提示 冥王星距离太阳非常遥远 接近太阳系的边缘 探测器需要接近摆脱太阳引力束缚的发射速度才能到达冥王星 因此 要想发射飞往冥王星的探测器 发射速度应接近第三宇宙速度 题组通关 示范题 2014 南京高一检测 某人在一星球上以速度v竖直上抛一物体 经时间t落回手中 已知该星球半径为R 则至少以多大速度沿星球表面发射 才能使物体不落回该星球 解题探究 1 关于星球上物体的运动 向上抛出后物体做 运动 根据抛出的速率和运动的时间 可求出该星球上的 2 关于星球上的第一宇宙速度 其意义是在该星球上发射卫星的 发射速度或该星球的表面卫星的 行星的表面上绕行的卫星向心力由 提供 此时万有引力大小等于 竖直上抛 重力加速度 最小 环绕速度 万有引力 重力 规范解答 选B 物体做竖直上抛运动 经时间t落回手中 故0 vt gt2 所以g 要想使物体不落回该星球 则mg 所以发射速度v 选项B正确 通关1 1 1 2014 江苏高考 已知地球的质量约为火星质量的10倍 地球的半径约为火星半径的2倍 则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为 A 3 5km sB 5 0km sC 17 7km sD 35 2km s 解析 选A 构建公转模型 对卫星由万有引力提供向心力 有对近地卫星v近地 同理对航天器有v航 联立两式有而v近地 7 9km s 解得v航 3 5km s A项正确 2 地球的半径为R 地表的重力加速度为g 万有引力常数为G 求 1 第一宇宙速度 用g R表示 2 卫星以第一宇宙速度环绕地球的周期 用g R表示 解析 1 若不考虑行星的自转 则所以第一宇宙速度 2 卫星以第一宇宙速度环绕地球的周期 答案 变式训练 1 一探月卫星的轨道是圆形的 且贴近月球表面 已知月球的质量约为地球质量的 月球半径约为地球半径的 地球上的第一宇宙速度约为7 9km s 则该探月卫星绕月运行的速率约为 A 0 4km sB 1 8km sC 11km sD 36km s 解析 选B 对于环绕地球或月球的人造卫星 其所受万有引力即为它们做圆周运动所需的向心力 即第一宇宙速度指的是最小发射速度 同时也是近地卫星的环绕速度 对于近地卫星来说 其轨道半径近似等于地球半径 所以所以v月 v地 7 9km s 1 8km s 故正确答案为B 2 2014 福建高考 若有一颗 宜居 行星 其质量为地球的p倍 半径为地球的q倍 则该行星卫星的环绕速度是地球卫星环绕速度的 解析 选C 据可得环绕速度v 利用比值法可知C正确 素养升华 天体环绕速度的计算方法对于任何天体 计算其环绕速度时 都是根据万有引力提供向心力的思路 卫星的轨道半径等于天体的半径 由牛顿第二定律列式计算 1 如果知道天体的质量和半径 可直接列式计算 2 如果不知道天体的质量和半径的具体大小 但知道该天体与地球的质量 半径关系 可分别列出天体与地球环绕速度的表达式 用比例法进行计算 二 人造地球卫星深化理解1 人造地球卫星的轨道 人造地球卫星的轨道可以是椭圆轨道 也可以是圆轨道 1 椭圆轨道 地心位于椭圆的一个焦点上 2 圆轨道 卫星绕地球做匀速圆周运动 卫星所需的向心力由万有引力提供 由于万有引力指向地心 所以卫星的轨道圆心必然是地心 即卫星在以地心为圆心的轨道平面内绕地球做匀速圆周运动 3 卫星的三种轨道 地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度 当轨道平面与赤道平面重合时 称为赤道轨道 当轨道平面与赤道平面垂直时 即通过极点 称为极地轨道 如图所示 2 人造地球卫星的线速度v 角速度 周期T和向心加速度a 由表格可以看出 卫星离地面高度越高 其线速度越小 角速度越小 周期越大 向心加速度越小 a 微思考 人造卫星的运行速度与其质量有关吗 提示 无关 由可见人造卫星的运行速度与其质量无关 题组通关 示范题 多选 三颗人造地球卫星A B C绕地球做匀速圆周运动 如图所示 已知mA mBvB vCB 运行周期关系为TA TB TCC 向心力大小关系为FA FB FCD 半径与周期关系为 解题探究 1 关于人造卫星的运动 人造卫星的轨道半径越大 线速度 角速度 向心加速度 周期 在同一轨道上运行的卫星 线速度 角速度 向心加速度和周期都 越小 越小 越小 越大 相同 2 绕地球做匀速圆周运动的A B C三颗人造卫星 轨道半径与周期之间存在什么样的定量关系 提示 由开普勒第三定律得 规范解答 选A B D 由所以vA vB vC 选项A正确 由所以TA TB TC 选项B正确 由 man得an 所以aA aB aC 又mA mB mC 所以FA FB FB FC 选项C错误 三颗卫星都绕地球运行 故由开普勒第三定律得选项D正确 通关1 1 1 由于某种原因 人造地球卫星的轨道半径减小了 那么卫星的 A 速率变小 周期变小B 速率变小 周期变大C 速率变大 周期变大D 速率变大 周期变小 解析 选D 人造地球卫星的轨道半径越小 速率越大 周期越小 故选项D正确 2 有两颗人造卫星 都绕地球做匀速圆周运动 已知它们的轨道半径之比r1 r2 4 1 求这两颗卫星的 1 线速度之比 2 角速度之比 3 周期之比 4 向心加速度之比 解析 1 由得v 所以v1 v2 1 2 2 由所以 1 2 1 8 3 由T 得T1 T2 8 1 4 由 ma得a1 a2 1 16答案 1 1 2 2 1 8 3 8 1 4 1 16 变式训练 1 如图所示 在同一轨道平面上的几个人造地球卫星A B C绕地球做匀速圆周运动 某一时刻它们恰好在同一直线上 下列说法中正确的是 A 根据v 可知 运行速度满足vA vB vCB 运转角速度满足 A B CC 向心加速度满足aA aB aCD 运动一周后 A最先回到图示位置 解析 选C 由r大 则v小 故vATB TC 因此运动一周后 C最先回到图示位置 D错误 2 嫦娥三号 在登月之前先在圆轨道上绕月球运行几圈 在绕月球运行过程中 设 嫦娥三号 的轨道半径为r 运行速率为v 当 嫦娥三号 在飞越月球上一些环形山中的质量密集区上空时 A r v都将略微减小B r v都将保持不变C r将略微减小 v将略微增大D r将略微增大 v将略微减小 解析 选C 嫦娥三号 环绕月球运行 万有引力提供向心力 当到达质量密集区时 万有引力增大 嫦娥三号 将 向心 运动 半径将减小 速度增大 故C对 素养升华 求解人造卫星运动问题的技巧 1 人造卫星的an v T由地球的质量M和卫星的轨道半径r决定 当r确定后 卫星的an v T便确定了 与卫星的质量 形状等因素无关 当人造卫星的轨道半径r发生变化时 其an v T都会随之改变 2 在处理人造卫星的an v T与半径r的关系问题时 常用公式 gR2 GM 来替换出地球的质量M 会使问题解决起来更方便 三 地球同步卫星深化理解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 叫作地球同步卫星 又叫作通信卫星 2 特点 1 确定的转动方向 和地球自转方向一致 2 确定的周期 和地球自转周期相同 即T 24h 3 确定的角速度 等于地球自转的角速度 4 确定的轨道平面 所有的同步卫星都在赤道的正上方 其轨道平面必须与赤道平面重合 5 确定的高度 离地面高度固定不变 3 6 104km 6 确定的环绕速率 线速度大小一定 3 1 103m s 微思考 1 同步卫星的轨道为何必须在赤道的正上方 提示 同步卫星要想与地球保持同步 其运行方向就必须与地球自转方向相同 并且由于人造卫星绕地球转动时万有引力提供向心力 其轨道平面必须经过地心 故同步卫星的轨道必须在赤道的正上方 2 同步卫星距地面的高度h为何必须固定不变 提示 同步卫星要想与地球保持同步 其运行周期必须与地球的自转周期相同 即T 24h 由得r R h 由于G M T都一定 故h必须固定不变 题组通关 示范题 2011 新课标全国卷 卫星电话信号需要通过地球同步卫星传送 如果你与同学在地面上用卫星电话通话 则从你发出信号至对方接收到信号所需最短时间最接近于 可能用到的数据 月球绕地球运动的轨道半径约为3 8 105km 运行周期约为27天 地球半径约为6400km 无线电信号的传播速度为3 108m s A 0 1sB 0 25sC 0 5sD 1s 解题探究 1 月球和同步卫星的运动 它们都绕地球做 都是 做向心力 2 无线电信号 做 往复运动的距离是 匀速圆周运动 万有引力 匀速直线运动 同步卫星高度的2倍 规范解答 选B 根据万有引力提供向心力 则同步卫星的轨道半径为r卫 代入题设已知得 r卫 因此同步卫星到地面的高度为L r卫 R 4 22 107m 6 4 106m 3 58 107m 从发出信号至对方接收到信号所需最短时间 t 0 24s 即A C D错误 B正确 通关1 1 1 2014 中山高一检测 关于 亚洲一号 地球同步通讯卫星 下述说法正确的是 A 已知它的质量是1 24t 若将它的质量增为2 84t 其同步轨道半径将变为原来的2倍B 它的运行速度大于7 9km sC 它可以绕过北京的正上方 所以我国能利用它进行电视转播D 它距地面的高度约为地球半径的5倍 故它的向心加速度约为其下方地面上物体的重力加速度的 解析 选D 同步卫星的轨道半径是固定的 与质量大小无关 A错 7 9km s是人造卫星的最小发射速度 同时也是卫星的最大环绕速度 卫星的轨道半径越大 其线速度越小 同步卫星距地面很高 故其运行速度小于7 9km s B错 同步卫星只能在赤道的正上方 C错 由可得 同步卫星的加速度故选项D正确 2 2013 海南高考 北斗 卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星 同步卫星 中轨道卫星和倾斜同步卫星组成 地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行 它们距地面的高度分别约为地球半径的6倍和3 4倍 下列说法正确的是 A 静止轨道卫星的周期约为中轨道卫星的2倍B 静止轨道卫星的线速度大小约为中轨道卫星的2倍C 静止轨道卫星的角速度大小约为中轨道卫星的D 静止轨道卫星的向心加速度大小约为中轨道卫星的 解析 选A 根据可得T 代入数据 A正确 根据代入数据 B错误 根据代入数据 C错误 根据代入数据 D错误 变式训练 1 多选 2014 济宁高一检测 2013年12月21日 我国在西昌卫星发射中心 将玻利维亚通信卫星成功送入地球同步轨道 发射任务获得圆满成功 关于成功定点后的同步卫星 下列说法正确的是 A 运行速度大于第一宇宙速度 小于第二宇宙速度B 离地面的高度一定 且一定在赤道上方C 绕地球运行的线速度比静止在赤道上的物体的线速度大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 第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度 同时也是人造卫星的最大环绕速度 故成功定点后的同步卫星的运行速度小于第一宇宙速度 A错 由于同步卫星的运行周期与地球自转的周期相同 故离地面的高度一定 且一定在赤道上方 B对 同步卫星的角速度与地球自转的角速度相同 故由v r可知同步卫星绕地球运行的线速度比静止在赤道上的物体的线速度大 C对 同步卫星的角速度与地球自转的角速度相同 故由an 2r可知同步卫星的向心加速度比静止在赤道上物体的向心加速度大 D错 2 多选 2014 沈阳高一检测 地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍 近地卫星的轨道半径近似等于地球半径 则 A 近地卫星的运行速度等于第一宇宙速度B 近地卫星的运行速度与地球赤道上的物体随地球自转速度等大C 同步卫星的运行速度是近地卫星运行速度的倍D 同步卫星的运行速度是地球赤道上的物体随地球自转速度的n倍 解析 选A C D 近地卫星的运行速度又叫作第一宇宙速度 A对 近地卫星的运行速度要比地球赤道上的物体随地球自转的速度大得多 B错 由可得 故同步卫星的运行速度是近地卫星运行速度的倍 C对 同步卫星的角速度与赤道上的物体随地球自转的角速度相同 故由v r可得 同步卫星的运行速度是地球赤道上的物体随地球自转速度的n倍 D对 素养升华 对同步卫星的理解 1 对于不同的同步卫星 它们的周期 角速度相同 线速度大小相等 2 由于同步卫星的角速度与地球的自转角速度相同 所有同步卫星的线速度都大于地球表面物体的线速度 3 所有的同步卫星都沿同一轨道运动 且距地面高度保持不变 资源平台 备选角度 同步卫星与赤道上物体运动的比较 示范题 同步卫星离地心的距离为r 运行速率为v1 加速度为a1 地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2 第一宇宙速度为v2 地球半径为R 则 标准解答 选D 同步卫星的角速度与赤道上的物体随地球自转的角速度相同 所以选项A B错 对于同步卫星 所以对于近地卫星 所以C错 D对 双星问题 案例剖析 两个星球组成双星 它们在相互之间的万有引力作用下 绕连线上某点做周期相同的匀速圆周运动 现测得两星中心距离为R 其运动周期为T 求两星的质量之和 精讲精析 设两星质量分别为M1 M2 都绕连线上O点做周期为T的圆周运动 星球1和星球2到O点的距离分别为l1 l2 由万有引力定律和牛顿第二定律及几何条件可得 而R l1 l2 所以 两星的质量之和 M M1 M2 答案 名师指津 求解双星问题的思路1 两个星球之间的万有引力为它们做匀速圆周运动提供向心力 2 两个星球的角速度和周期都相同 3 两个星球做匀速圆周运动时圆心为同一点 4 两个星球的轨道半径之和等于它们之间的距离 自我小测 多选 两颗靠得很近的天体称为双星 它们都绕两者连线上某点做匀速圆周运动 因而不至于由于万有引力而吸引到一起 以下说法中正确的是 A 它们做圆周运动的角速度之比与其质量成反比B 它们做圆周运动的线速度之比与其质量成反比C 它们做圆周运动的半径与其质量成正比D 它们做圆周运动的半径与其质量成反比 解析 选B D 两子星绕连线上的某点做圆周运动的周期相等 角速度也相等 故A错 因为两子星做圆周运动的向心力由两子星间的万有引力提供 向心力大小相等 由 M1r1 2 M2r2 2可知 M1r1 2 M2r2 2 所以它们的轨道半径与它们的质量成反比 C错 D对 而线速度又与轨道半径成正比 所以线速度与它们的质量也是成反比的 B对 补偿训练 多选 2014 雅安高一检测 甲 乙两恒星相距为L 质量之比它们离其他天体都很遥远 我们观察到它们的距离始终保持不变 由此可知 A 两恒星一定绕它们连线的某一位置做匀速圆周运动B 甲 乙两恒星的角速度之比为2 3C 甲 乙两恒星的线速度之比为D 甲 乙两恒星的向心加速度之比为3 2 解析 选A D 由于甲 乙两恒星之间存在万有引力 要想距离始终保持不变 两恒星一定绕它们连线上的某一位置做匀速圆周运动 否则距离将会发生变化 A对 甲 乙两恒星绕它们连线上的某一位置做匀速圆周运动时周期和角速度均相同 B错 两恒星做匀速圆周运动时万有引力提供向心力 即 m甲 2r甲 m乙 2r乙 故C错 由an 2r可得 D对