2019-2020学年高中物理 第三章 万有引力定律及其应用 第三节 飞向太空课件 粤教版必修2

第三章万有引力定律及其应用第三节飞向太空第三章万有引力定律及其应用1.知道火箭的原理及组成．2.了解人类遨游太空的历史．3.了解空间探测器及探测活动．一、飞向太空的桥梁——火箭1.人造卫星的发射要成为地球的人造卫星，发射速度必须达到_____km/s，要成为太阳的人造卫星，发射速度必须达到_____km/s.2.发射卫星的火箭(1)原理：利用燃料燃烧向后急速喷出气体产生的__________，使火箭向前射出．(2)组成：主要有壳体和燃料两部分．(3)多级火箭：用几个火箭连接而成的火箭组合，一般为_____级．7.911.2反作用力三1．人造卫星为何总要向东发射？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，就可以充分利用火箭与卫星随地球自转的惯性，节省发射所需能量．二、梦想成真——遨游太空时间国家活动内容1957年10月苏联发射第一颗人造地球卫星1961年4月苏联第一艘载人宇宙飞船“东方一号”发射成功时间国家活动内容1969年7月美国“阿波罗11号”登上月球1971年4月苏联发射“礼炮1号”空间站1981年4月美国“哥伦比亚号”载人航天飞机试验成功2003年10月中国发射“神舟五号”载人飞船2005年10月中国发射“神舟六号”载人飞船时间国家活动内容2008年9月中国发射“神舟七号”载人飞船2011年11月中国发射“神舟八号”载人飞船2012年6月中国发射“神舟九号”载人飞船2013年6月中国发射“神舟十号”载人飞船三、探索宇宙奥秘的先锋——空间探测器1962年美国的“水手2号”探测器对金星进行了近距离的考察．1989年美国的“伽利略”木星探测器发射成功．2003年美国的“勇气号”与“机遇号”火星探测器发射成功．2007年中国的________________月球探测器发射成功．2010年中国的________________月球探测器发射成功．2013年中国发射的“嫦娥三号”月球探测器成功实现软着陆．“嫦娥一号”“嫦娥二号”2．火星探测器大体上以多大的速度从地球上发射？提示：火星探测器绕火星运动，脱离了地球的束缚，但没有挣脱太阳的束缚，因此它的发射速度应在第二宇宙速度与第三宇宙速度之间，即11.2km/sv16.7km/s.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．速度达到7.9km/s可进入绕地球飞行的轨道，成为人造地球卫星；速度达到11.2km/s可成为太阳的人造卫星．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．如图所示，火箭内平台上放有测试仪器，火箭从地面起动后，以加速度g2竖直向上匀加速运动，升到某一高度时，测试仪器对平台的压力为起动前压力的1718.已知地球半径为R，求火箭此时离地面的高度．(g为地面附近的重力加速度)[思路点拨]在利用万有引力定律与其他知识相联系的结合性问题中，注意分清过程，分别利用相关规律列方程，确定不同方程间相关联的物理量，解方程求得结果．[解析]火箭上升过程中，物体受竖直向下的重力和向上的支持力，设高度为h时，重力加速度为g′由牛顿第二定律得1718mg－mg′＝m×g2得g′＝49g.由万有引力定律知GMmR2＝mgGMm（R＋h）2＝mg′解得h＝R2.[答案]R21.(多选)关于人造地球卫星及其中物体的超重、失重问题，下列说法中正确的是()A．在发射过程中向上加速时产生超重现象B．在降落过程中向下减速时产生超重现象C．进入轨道做匀速圆周运动，产生失重现象D．失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的解析：选ABC.超重、失重是从重力和弹力的大小关系而定义的，当向上加速时超重，向下减速时(加速度方向向上)也超重，故A、B正确；卫星做匀速圆周运动时，万有引力(或重力)完全提供向心力，使卫星及卫星内的物体产生向心加速度，并处于完全失重状态，故C正确，D错误．卫星的变轨问题及处理方法卫星由一轨道转移到另一轨道时，卫星的速度、加速度等要发生变化．判断卫星的速度、加速度的变化情况时，可按以下思路进行．1．卫星、飞船做圆周运动卫星、飞船由较低轨道通过加速进入较高轨道，在较高轨道可以通过减速进入较低轨道．此时由GMmr2＝mv2r＝mrω2＝mr2πT2＝ma得，v＝GMr，ω＝GMr3，T＝2πr3GM，a＝GMr2.所以通过比较卫星、飞船轨道半径的变化，可以得知卫星、飞船的v、ω、T和a的变化．即“越远越慢”．2．卫星、飞船做椭圆运动此时可以通过开普勒第二定律讨论卫星、飞船在同一椭圆轨道上不同位置的线速度大小，或通过开普勒第三定律讨论卫星、飞船在不同椭圆轨道上运动的周期大小，还可以通过关系式a＝GMr2讨论椭圆轨道上距地心不同距离处的加速度大小．3．判断卫星由圆轨道进入椭圆轨道或由椭圆轨道进入圆轨道时的速度大小如何变化时，可根据离心运动或近心运动的条件进行分析．4．飞船对接问题两飞船实现对接前应处于高低不同的两轨道上，目标船处于较高轨道，在较低轨道上运动的对接船通过合理地加速，可以提升高度并追上目标船与其完成对接．宇宙飞船在轨道上运行，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，于是通知宇航员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．最终在新轨道上稳定运行．关于飞船在此过程中的运动，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[思路点拨]飞船加速后，万有引力小于飞船所需的向心力，飞船做离心运动．[解析]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T＝2πr3GM可知，r增大，T增大，故C错误；由于a＝GMr2，r增大，a变小，D错误．[答案]B飞船或卫星是在太空中受地球的引力而做椭圆或圆周运动，其速度变化时，由F＝mv2r知所需的向心力发生变化，从而改变轨道，且v增大时做离心运动，v减小时做近心运动．2.宇宙飞船到了月球上空后以速度v绕月球做圆周运动，如图所示，为了使飞船落在月球上的B点，在轨道A点，火箭发动器在短时间内发动，向外喷射高温燃气，喷气的方向应当是()A．与v的方向一致B．与v的方向相反C．垂直v的方向向右D．垂直v的方向向左解析：选A.因为要使飞船做向心运动，只有减小速度，这样需要的向心力减小，而此时提供的向心力大于所需向心力，所以只有向前喷气，使v减小，从而做向心运动，落到B点，故A正确．某次发射同步卫星的过程如下：先将卫星发射至近地圆轨道1，然后再次点火进入椭圆形的过渡轨道2，最后将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，2、3相切于P点，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上的角速度大于在轨道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]由GMmr2＝mv2r＝mrω2得，v＝GMr，ω＝GMr3，由于r1r3，所以v1v3，ω1ω3，A、B错；轨道1上的Q点与轨道2上的Q点是同一点，到地心的距离相同，根据万有引力定律及牛顿第二定律知，卫星在轨道1上经过Q点时的加速度等于它在轨道2上经过Q点时的加速度，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．[答案]D卫星变轨问题的处理技巧(1)当卫星绕天体做匀速圆周运动时，万有引力提供向心力，由GMmr2＝mv2r，得v＝GMr，由此可见轨道半径r越大，线速度v越小．当由于某原因速度v突然改变时，若速度v突然减小，则Fmv2r，卫星将做近心运动，轨迹为椭圆；若速度v突然增大，则Fmv2r，卫星将做离心运动，轨迹变为椭圆，此时可用开普勒第三定律分析其运动．(2)卫星到达椭圆轨道与圆轨道的切点时，卫星受到的万有引力相同，所以加速度相同．3.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．角速度变小解析：选A.探测器做匀速圆周运动由万有引力提供向心力，则GMmr2＝m4π2T2r，整理得T＝2πr3GM，可知周期T较小的轨道，其半径r也小，A正确；由GMmr2＝ma＝mv2r＝mrω2，整理得：a＝GMr2，v＝GMr，ω＝GMr3，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．物理模型——宇宙中的双星系统1.双星模型：如图所示，宇宙中有相距较近、质量可以相比的两个星球，它们离其他星球都较远，因此其他星球对它们的万有引力可以忽略不计．在这种情况下，它们将围绕它们连线上的某一固定点做周期相同的匀速圆周运动，这种结构叫做“双星”．2．双星模型的特点(1)两星的运行轨道为同心圆，圆心是它们之间连线上的某一点．(2)两星的向心力大小相等，由它们间的万有引力提供．(3)两星的运动周期、角速度都相同．(4)两星的运动半径之和等于它们之间的距离，即r1＋r2＝L.宇宙中两个相距较近的天体称为“双星”，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动，但两者不会因万有引力的作用而吸引到一起．设两者的质量分别为m1和m2，两者相距为L.求：(1)双星的轨道半径之比；(2)双星的线速度之比；(3)双星的角速度．[解析]这两颗星必须各自以一定的速度绕某一中心转动才不至于因万有引力作用而吸引在一起，从而保持两星间距离L不变，且两者做匀速圆周运动的角速度ω必须相同．如图所示，两者轨迹圆的圆心为O，圆半径分别为R1和R2.由万有引力提供向心力，有：Gm1m2L2＝m1ω2R1①Gm1m2L2＝m2ω2R2②(1)由①②两式相除，得：R1R2＝m2m1.(2)因为v＝ωR，所以v1v2＝R1R2＝m2m1.(3)由几何关系知R1＋R2＝L③联立①②③式解得ω＝G（m1＋m2）L3.[答案](1)m2∶m1(2)m2∶m1(3)G（m1＋m2）L3(1)解决双星问题的关键是明确其运动特点，两星做匀速圆周运动的向心力由彼此间的引力提供，可由牛顿运动定律分别对两星列方程求解．(2)万有引力定律表达式中的r表示双星间的距离，而不是轨道半径(双星中两颗星的轨道半径一般不同)．双星系统由两颗恒星组成，两恒星在相互引力的作用下，分别围绕其连线上的某一点做周期相同的匀速圆周运动．研究发现，双星系统演化过程中，两星的总质量、距离和周期均可能发生变化．若某双星系统中两星做圆周运动的周期为T，经过一段时间演化后，两星总质量变为原来的k倍，两星之间的距离变为原来的n倍，则此时圆周运动的周期为()A.n3k2TB.n3kTC.n2kTD.nkT解析：选B.如图所示，设两恒星的质量分别为M1和M2，轨道半径分别为r1和r2.根据万有引力定律及牛顿第二定律可得GM1M2r2＝M12πT2r1＝M22πT2r2，解得G（M1＋M2）r2＝2πT2(r1＋r2)，即GMr3＝2πT2①，当两星的总质量变为原来的k倍，它们之间的距离变为原来的n倍时，有GkM（nr）3＝2πT′2②，联立①②两式可得T′＝n3kT，故选项B正确．