2019-2020高中物理 第三章 万有引力定律及其应用 3 飞向太空课件 粤教版必修2

第三节飞向太空一、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,发射速度必须大于____km/s,要成为太阳的人造卫星,发射速度至少达到_____km/s。7.911.22.发射卫星的火箭:(1)原理:利用燃料燃烧向后急速喷出的气体产生的_________,使火箭向前射出的。(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。反作用力三【生活链接】发射卫星,要有足够大的速度才行,请思考:(1)不同星球的第一宇宙速度是否相同?第一宇宙速度的决定因素是什么?(2)把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小?提示:(1)不同星球的第一宇宙速度不同,第一宇宙速度与星球的质量、半径有关。(2)卫星轨道越高需要的发射速度越大。二、遨游太空及空间探测器1.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“________”发射成功1969年7月美国“_______11号”登上月球东方1号阿波罗时间国家活动内容1971年4月苏联发射“礼炮1号”空间站1981年4月美国“___________”载人航天飞机试验成功2003年10月中国首次载人航天飞行哥伦比亚号2.空间探测器:1962年美国的“________”探测器对金星进行了近距离的考察。1989年美国的“_________”木星探测器发射成功。2003年美国的“_______”与“_______”火星探测器发射成功水手2号伽利略号勇气号机遇号【思考辨析】(1)在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9km/s。()(2)如果在地面发射卫星的速度大于11.2km/s,卫星会永远离开地球。()(3)要发射一颗人造月球卫星,在地面的发射速度应大于16.7km/s。()提示:(1)√。地球卫星的最小发射速度为7.9km/s,即第一宇宙速度。(2)√。第二宇宙速度是11.2km/s,当卫星的发射速度大于此速度时,卫星将永远离开地球。(3)×。若将某卫星在地面上以大于16.7km/s的速度发射,该卫星会脱离太阳的束缚,而跑到太阳系以外的空间。一火箭和人造卫星【典例】(多选)2018年5月21日5时28分,“鹊桥”号成功发射,中国人让月球背面第一次有了信号。若已知月球质量为m月,半径为R,引力常量为G,以下说法正确的是()世纪金榜导学号86326050A.若在月球上发射一颗绕月球做圆周运动的卫星,则最大运行速度为B.若在月球上发射一颗绕月球做圆周运动的卫星,则最小周期为2πRGm月3RGm月C.若在月球上以较小的初速度v0竖直上抛一个物体,则物体上升的最大高度为D.若在月球上以较小的初速度v0竖直上抛一个物体,则物体从抛出到落回抛出点所用时间为220Rv2Gm月20RvGm月【解析】选B、C。根据万有引力提供向心力,G=m=mrω2=mr=ma,得v=,T=。当轨道半径r取月球半径R,月球质量为m月时,卫星的最大运行速度为v=,卫星的最小周期为T=,故选项A错误,B正确;忽略月球自转的影响,2Mmr2vr224TGMr234rGMGmR月234RGm月根据万有引力等于重力,即G=mg,在月球上以初速度v0竖直上抛一个物体,物体上升的最大高度h=,由以上两式解得h=,故选项C正确;在月球上以初速度v0竖直上抛一个物体,物体落回到抛出点所用时间t==,故选项D错误。2mmR月20v2g220Rv2Gm月02vg202RvGm月【核心归纳】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。【过关训练】1.(2018·佛山高一检测)若取地球的第一宇宙速度为8km/s,某行星的质量是地球的6倍,半径是地球的1.5倍,此行星的第一宇宙速度约为()A.16km/sB.32km/sC.4km/sD.2km/s【解析】选A。由G=m,得v=。因为行星的质量M′是地球质量M的6倍,半径R′是地球半径R的1.5倍,即M′=6M,R′=1.5R,得===2,即v′=2v=2×8km/s=16km/s。2MmR2vRGMRvvGMRGMRMRMR2.恒星演化发展到一定阶段,可能成为恒星世界的“侏儒”——中子星。中子星的半径较小,一般在7km～20km,但它的密度大得惊人。若某中子星的半径为10km,密度为1.2×1017kg/m3,那么该中子星上的第一宇宙速度约为()A.7.9km/sB.16.7km/sC.2.9×104km/sD.5.8×104km/s【解析】选D。中子星上的第一宇宙速度即为它表面处的卫星的环绕速度,此时卫星的轨道半径近似地认为是该中子星的球半径,且中子星对卫星的万有引力充当向心力,由G=m,得v=,又M=ρV=ρ,得v=r=1×104×m/s=5.8×107m/s。故选D。2Mmr2vrGMr34r34G3-111743.146.67101.2103【补偿训练】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/s18114【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=m,所以v=,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中心天体半径,所以===。2GMmr2vrGMrvv月地Mr·Mr月地地月48129所以v月=v地=×7.9km/s≈1.8km/s。故正确答案为B。29292.有宇航员站在月球表面上做自由落体实验,将某物体由距月球表面高h处释放,经时间t后落到月球表面,若月球半径为R,据上述信息可推出月球的第一宇宙速度约为()A.B.C.D.Rht2Rht2Rht2Rht【解析】选B。由h=gt2,可得g=,根据第一宇宙速度的计算公式v=,可得v=,选项B正确。1222htgR2Rht二航天器及人造卫星变轨问题【典例】(多选)(2018·韶关高一检测)假设将来人类登上了火星,考察完毕后,乘坐一艘宇宙飞船从火星返回地球时,经历了如图所示的变轨过程,则有关这艘飞船的下列说法正确的是世纪金榜导学号86326051()A.飞船在轨道Ⅰ上经过P点时的速度大于飞船在轨道Ⅱ上经过P点时的速度B.飞船在轨道Ⅱ上运动时,经过P点时的速度大于经过Q点时的速度C.飞船在轨道Ⅲ上运动到P点时的加速度等于飞船在轨道Ⅱ上运动到P点时的加速度D.飞船绕火星在轨道Ⅰ上运动的周期跟飞船返回地球的过程中绕地球以与轨道Ⅰ同样的轨道半径运动的周期相同【解析】选B、C。飞船在轨道Ⅰ上运动至P点时必须点火加速才能进入轨道Ⅱ,因此飞船在轨道Ⅰ上经过P点时的速度小于飞船在轨道Ⅱ上经过P点时的速度,A错误;由开普勒第二定律可知,飞船在轨道Ⅱ上运动时,经过P点时的速度大于经过Q点时的速度,B正确;由公式a=G可知,飞船在轨道Ⅲ上运动到P点时的加速度等于飞船在轨道Ⅱ上运动到P点时的加速度,2MrC正确;由公式T=2π可知,因地球质量和火星质量不同,所以飞船绕火星在轨道Ⅰ上运动的周期跟飞船返回地球的过程中绕地球以与轨道Ⅰ同样的轨道半径运动的周期不相同,D错误。3rGM【核心归纳】1.卫星轨道的渐变:当卫星由于某种原因速度突然改变时(开启或关闭发动机或空气阻力作用),万有引力不再等于向心力,卫星将做变轨运行:(1)当卫星的速度突然增加时,Gm,即万有引力不足以提供向心力,卫星将做离心运动,脱离原来的圆轨道,轨道半径变大,当卫星进入新的轨道稳定运行时由v=可知其运行速度比原轨道时减小。2Mmr2vrGMr(2)当卫星的速度突然减小时,Gm,即万有引力大于所需要的向心力,卫星将做近心运动,脱离原来的圆轨道,轨道半径变小,当卫星进入新的轨道稳定运行时由v=可知其运行速度比原轨道时增大;卫星的发射和回收就是利用这一原理。2Mmr2vrGMr2.卫星轨道的突变:由于技术上的需要,有时要在适当的位置短时间内启动飞行器上的发动机,使飞行器轨道发生突变,使其进入预定的轨道。如图所示,发射同步卫星时,可以分多过程完成:(1)先将卫星发送到近地轨道Ⅰ。(2)使其绕地球做匀速圆周运动,速率为v1,变轨时在P点点火加速,短时间内将速率由v1增加到v2,使卫星进入椭圆形的转移轨道Ⅱ。(3)卫星运行到远地点Q时的速率为v3,此时进行第二次点火加速,在短时间内将速率由v3增加到v4,使卫星进入同步轨道Ⅲ,绕地球做匀速圆周运动。【过关训练】1.(2018·佛山高一检测)“神舟十一号”与“天宫二号”已成功实现自动交会对接。如果对接前“神舟十一号”和“天宫二号”在同一轨道上运动,若“神舟十一号”与前面的“天宫二号”对接,“神舟十一号”为了追上“天宫二号”,可采用的方法是()A.“神舟十一号”加速追上“天宫二号”,完成对接B.“神舟十一号”从原轨道减速至一个较低轨道,再加速追上“天宫二号”完成对接C.“神舟十一号”加速至一个较高轨道再减速追上“天宫二号”完成对接D.无论“神舟十一号”如何采取措施,均不能与“天宫二号”对接【解析】选B。“神舟十一号”要追上“天宫二号”,“神舟十一号”应先减速,使它的半径减小,速度增大,故在低轨道上“神舟十一号”可接近或超过“天宫二号”,当“神舟十一号”运动到合适的位置时再加速,使其轨道半径增大,速度减小,当刚好运动到“天宫二号”所在轨道时停止加速,则“神舟十一号”的速度刚好等于“天宫二号”的速度,可以完成对接,B正确。2.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。当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,以下说法错误的是世纪金榜导学号86326052()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点时的速率小于它在轨道2上经过Q点时的速率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A。人造地球卫星在进入圆形轨道上运行时的线速度v=。由于轨道3比轨道1的半径大,故卫星在轨道3上的速率小于在轨道1上的速率,A错;卫星在圆形轨道上的角速度ω=,轨道3的半径比轨道1的半径大,线速度小,故角速度也比轨道1上的角速度小;星在Q点时,在圆形轨道1时的速率一定小于GMrvr在轨道2上经过Q点的速率,因为卫星在轨道1时所受的地球的引力提供给它的向心力使它刚好做匀速圆周运动,而在轨道2上的Q点,地球对卫星的引力不足以提供卫星的向心力,所以卫星在轨道2上将做离心运动,与地球的距离增大;卫星在轨道2上经过P点的加速度等于在轨道3上经过P点的加速度。因为在P点处,卫星无论是在轨道2还是在轨道3上,它所受到地球的引力相等,且引力方向与速度方向垂直,引力提供向心力,所以它们的加速度相等。综上所述,A错误,B、C、D正确。【拓展例题】考查内容:火箭发射问题【典例】如图所示,火箭内平台上放有测试仪,火箭从地面启动后,以加速度竖直向上做匀加速运动,升到某一高度时,测试仪对平台的压力为启动前压力的。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