高中物理人教版必修2课件：第六章-第5讲-宇宙航行

第六章——第5讲宇宙航行目标定位1.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度的公式.2.理解掌握人造卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系.3.了解人造卫星的相关知识及我国卫星发射的情况，激发学生的爱国热情.1预习导学梳理·识记·点拨2课堂讲义理解·深化·探究3对点练习巩固·应用·反馈4第5讲宇宙航行预习导学梳理·识记·点拨一、人造地球卫星1.牛顿的设想：如图1所示，在高山上水平抛出一物体，当物体的初速度时，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.图1人造地球卫星足够大5第5讲宇宙航行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＝mv2r，则卫星在轨道上运行的线速度v＝.想一想卫星离地面越高，其线速度越大吗？答案不是.由v＝GMr可知，卫星离地面越高，线速度越小.万有引力匀速圆周GMmr2GMr6第5讲宇宙航行二、宇宙速度1.第一宇宙速度v1＝km/s，卫星在绕地球做匀速圆周运动的速度，又称环绕速度.地球表面附近7.97第5讲宇宙航行2.第二宇宙速度v2＝km/s，使卫星挣脱引力束缚的最小地面发射速度，又称脱离速度.3.第三宇宙速度v3＝km/s，使卫星挣脱引力束缚的地面发射速度，也叫逃逸速度.最小11.2地球16.7太阳8第5讲宇宙航行想一想下列说法是否正确：(1)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10km/s.()(2)在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9km/s.()答案卫星绕地球做圆周运动飞行时的轨道半径越小，其线速度就越大，最大速度等于第一宇宙速度7.9km/s，(1)错；地球卫星的最小发射速度为7.9km/s，即第一宇宙速度，(2)对.9第5讲宇宙航行三、梦想成真1957年10月成功发射了第一颗人造地球卫星；1969年7月美国“阿波罗11号”登上；2003年10月15日我国航天员被送入太空.杨利伟苏联月球10第5讲宇宙航行课堂讲义理解·深化·探究一、对三个宇宙速度的理解宇宙速度是在地球上满足不同要求的卫星发射速度.1.第一宇宙速度(环绕速度)(1)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.11第5讲宇宙航行(2)推导：对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径R＝6400km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，取g＝9.8m/s2，则12第5讲宇宙航行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发射速度，其大小为16.7km/s.注意：第一宇宙速度是人造卫星的最大环绕速度，也是最小发射速度.13第5讲宇宙航行例1我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”.设该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181，月球的半径约为地球半径的14，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最大速率约为()A.0.4km/sB.1.8km/sC.11km/sD.36km/s解析星球的第一宇宙速度即为围绕星球做圆周运动的轨道半径为该星球半径时的环绕速度，由万有引力提供向心力即可得出这一最大环绕速度.14第5讲宇宙航行卫星所需的向心力由万有引力提供，GMmr2＝mv2r，得v＝GMr，又由M月M地＝181、r月r地＝14，故月球和地球上第一宇宙速度之比v月v地＝29，故v月＝7.9×29km/s≈1.8km/s，因此B项正确.答案B15第5讲宇宙航行例2某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t后，物体以速率v落回手中.已知该星球的半径为R，求该星球上的第一宇宙速度.解析根据匀变速运动的规律可得，该星球表面的重力加速度为g＝2vt，该星球的第一宇宙速度，即为卫星在其表面附近绕它做匀速圆周运动的线速度，该星球对卫星的引力(重力)提供卫星做圆周运动的向心力，则mg＝mv21R，该星球表面的第一宇宙速度为v1＝gR＝2vRt.答案2vRt16第5讲宇宙航行二、人造卫星运动问题的处理思路及规律1.轨道及特点(1)轨道：赤道轨道、极地轨道及其他轨道.如图2所示.图2(2)特点：所有的轨道圆心都在地心.17第5讲宇宙航行2.处理思路及规律将人造卫星视为绕地球(或其他天体)做匀速圆周运动，所需向心力等于地球(或其他天体)对卫星的万有引力，即：GMmr2＝mv2r＝mω2r＝m2πT2r＝ma所以v＝GMr，r越大，v越小，ω＝GMr3，r越大，ω越小，18第5讲宇宙航行注意：地球卫星的a、v、ω、T由地球的质量M和卫星的轨道半径r决定，与卫星的质量、形状等因素无关.T＝2πr3GM，r越大，T越大，a＝GMr2，r越大，a越小.19第5讲宇宙航行例3a、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，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上.某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图3所示，下列说法中正确的是()图320第5讲宇宙航行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，且小于d的线速度D.a、c存在P点相撞的危险解析由GMmr2＝mv2r＝mω2r＝m4π2T2r＝ma可知，选项B、C错误，选项A正确；因a、c轨道半径相同，周期相同，只要图示时刻不撞，以后就不可能相撞了.答案A21第5讲宇宙航行三、地球同步卫星1.同步卫星：指相对于地面静止的卫星，又叫通讯卫星.2.六个“一定”：(1)运行方向一定：同步卫星的运行方向与地球的自转方向一致；(2)周期一定：运转周期与地球自转周期相同，T＝24h；(3)角速度一定：等于地球自转角速度；(4)轨道平面一定：所有地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面内；(5)高度一定：所有同步卫星离地面高度相同，均为36000km；(6)速率一定：所有同步卫星的环绕速度相同.22第5讲宇宙航行特别提醒(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；但因质量可能不同，所受万有引力(向心力)可能不同.(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.23第5讲宇宙航行例4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由GMmr2＝mv2r得r＝GMv2，可知轨道半径与卫星质量无关，A错；24第5讲宇宙航行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；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；所谓“同步”就是卫星保持与地面赤道上某一点相对静止，所以同步卫星的角速度与地球自转角速度相同，D对.答案D25第5讲宇宙航行对点练习巩固·应用·反馈对三个宇宙速度的理解1.下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是()A.第一宇宙速度v1＝7.9km/s，第二宇宙速度v2＝11.2km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1，小于v2B.美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度C.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度26第5讲宇宙航行D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度解析根据v＝GMr可知，卫星的轨道半径r越大，即距离地面越远，卫星的环绕速度越小，v1＝7.9km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度，选项D正确；27第5讲宇宙航行实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项A错误；美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，仍在太阳系内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选项B错误；第二宇宙速度是在地面附近使物体挣脱地球束缚而成为太阳的一颗人造行星的最小发射速度，选项C正确.答案CD28第5讲宇宙航行人造卫星运动的规律2.火星有两颗卫星，分别是火卫一和火卫二，它们的轨道近似为圆.已知火卫一的周期为7小时39分，火卫二的周期为30小时18分，则两颗卫星相比()A.火卫一距火星表面较近B.火卫二的角速度较大C.火卫一的运动速度较大D.火卫二的向心加速度较大29第5讲宇宙航行解析由GMmr2＝ma＝mv2r＝m4π2T2r得：a＝GMr2，v＝GMr，r＝3GMT24π2，则T大时，r大，a小，v小，且由ω＝2πT知T大，ω小，故正确选项为A、C.答案AC30第5讲宇宙航行3.设地球的半径为R，质量为m的卫星在距地面高为2R处做匀速圆周运动，地面的重力加速度为g，则()A.卫星的线速度为gR3B.卫星的角速度为g8RC.卫星做圆周运动所需的向心力为19mgD.卫星的周期为2π3Rg31第5讲宇宙航行解析由GMmR2＝mg和GMm3R2＝mv23R＝mω2·3R＝m4π2T2·3R可求得卫星的线速度为v＝gR3，角速度ω＝13g3R，周期T＝6π3Rg，卫星做圆周运动所需的向心力等于万有引力，即F＝GMm3R2＝19mg，故选项A、C正确.答案AC32第5讲宇宙航行地球同步卫星4.由于通讯和广播等方面的需要，许多国家发射了地球同步轨道卫星，这些卫星的()A.质量可以不同B.轨道半径可以不同C.轨道平面可以不同D.速率可以不同解析万有引力提供卫星的向心力GMmr2＝m(2πT)2r＝mv2r，解得周期T＝2πr3GM，环绕速度v＝GMr，可见周期相同的情况下轨道半径必然相同，B错误.33第5讲宇宙航行轨道半径相同必然环绕速度相同，D错误.同步卫星相对于地面静止在赤道上空，所有的同步卫星轨道运行在赤道上空同一个圆轨道上，C错误.同步卫星的质量可以不同，A正确.答案A