高中物理-6.5宇宙航行(精讲优练课型)课件-新人教版必修2

5宇宙航行一、人造地球卫星1.牛顿的设想：如图所示，把物体水平抛出，如果速度_______，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为_____________。足够大人造地球卫星2.近地卫星的速度：(1)原理：飞行器绕地球做匀速圆周运动，运动所需的向心力由万有引力提供，所以=________，解得：v=______。(2)结果：用地球半径R代表近地卫星到地心的距离r，可算出：v=m/s=____km/s。2MmGr2vmrGMr112466.67105.98106.4107.9【想一想】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：不是，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。二、宇宙速度数值意义第一宇宙速度____km/s卫星在地球表面附近绕地球做_____________的速度第二宇宙速度_____km/s使卫星挣脱_____引力束缚的最小地面发射速度第三宇宙速度_____km/s使卫星挣脱_____引力束缚的_____地面发射速度7.9匀速圆周运动11.2地球16.7太阳最小【判一判】(1)第一宇宙速度是发射卫星的最小速度。()(2)无论从哪个星球上发射卫星，发射速度都要大于7.9km/s。()(3)当发射速度v7.9km/s时，卫星将脱离地球的吸引，不再绕地球运动。()提示：(1)√。只有发射速度大于等于第一宇宙速度，卫星才能不落回地面，第一宇宙速度是最小发射速度。(2)×。不同星球的第一宇宙速度不同。(3)×。使卫星脱离地球引力束缚的最小发射速度是11.2km/s。三、梦想成真(1)1957年10月4日_______成功发射了第一颗人造地球卫星。(2)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。(3)1969年7月，美国“阿波罗11号”飞船登上_____。(4)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。前苏联加加林月球杨利伟一、对第一宇宙速度的理解思考探究：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。【归纳总结】1.认识第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的速度，即近地卫星的环绕速度。2.推导：万有引力提供卫星运动的向心力重力提供卫星运动的向心力公式结果222MmvvGmmgmRRRGMvvgRR3.决定因素：由第一宇宙速度的计算式v=可以看出，第一宇宙速度的值由中心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量M和半径R，与卫星无关。GMR4.理解：(1)“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力。近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。(2)“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。22MmvGMGmvrrr可得，【典例示范】(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【解题探究】(1)绕地球表面做匀速圆周运动的航天器的速率为________。(2)航天器绕星球表面做匀速圆周运动时，速率满足什么规律？提示：根据万有引力提供向心力，速率满足7.9km/s22MmvGmrr。【正确解答】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。22MmvGmrr，GMr地近地，GMr火航，vMr5vMr5航火近地近地地航，【过关训练】1.(2015·四川高考)登上火星是人类的梦想。“嫦娥之父”欧阳自远透露：中国计划于2020年登陆火星。地球和火星公转视为匀速圆周运动，忽略行星自转影响。根据下表，火星和地球相比()行星半径/m质量/kg轨道半径/m地球6.4×1066.0×10241.5×1011火星3.4×1066.4×10232.3×1011A.火星的公转周期较小B.火星做圆周运动的加速度较小C.火星表面的重力加速度较大D.火星的第一宇宙速度较大【解析】选B。根据结合表中数据，可算出火星的公转周期较大，A错；根据=ma，得a=，可判断火星的加速度较小，B对；根据g=，可算出火星表面的重力加速度较小，C错；第一宇宙速度v=，可算出火星的第一宇宙速度较小，D错。222223Mm4T4GmrrTrGM，得，2MmGr2MGr2MGRGMR2.一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，所以所以v月=v地=×7.9km/s≈1.8km/s。故正确答案为B。22MmvGMGmvrrr，所以，vMr42vMr819月月地地地月。29293.地球的半径为R，地表的重力加速度为g，万有引力常量为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)若不考虑地球的自转，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：22MmvGmgmRR，vgR。2RRT2vg。R1gR22g【补偿训练】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()Rh2RhA.B.tt2RhC.D.2Rhtt【解析】选Ｂ。由可得根据第一宇宙速度的计算公式可得选项Ｂ正确。21hgt2，22hgt，vgR，2Rhvt，【误区警示】发射速度与发射轨道(1)当11.2km/sv≥7.9km/s时，卫星绕地球运动，其轨道是圆或椭圆，地球位于一个焦点上，且发射速度越大，椭圆的半长轴越大。(2)当16.7km/sv≥11.2km/s时，卫星绕太阳旋转，成为太阳系的一颗“小行星”。(3)当v≥16.7km/s时，卫星脱离太阳的引力束缚跑到太阳系以外的空间中去。二、人造地球卫星思考探究：在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动，请思考：(1)这些卫星的轨道平面有什么特点？(2)这些卫星的线速度、角速度、周期跟什么因素有关呢？提示：(1)这些卫星的轨道平面一定过地心。(2)人造地球卫星的线速度、角速度、周期随卫星轨道半径的变化而变化。【归纳总结】1.人造卫星的轨道：卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力充当向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道。当然也存在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道。如图所示。2.人造卫星的运行规律：人造卫星的运行规律类似行星运行规律。(1)常用关系式。(2)常用结论：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。可以概括为“越远越慢、越远越小”。2222222Mmv4GmmrmrrrTMmmgGrMmGmar①。②。③。3.地球同步卫星：(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。(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)。【典例示范】(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=mBmC，则对于三颗卫星，正确的是()A.运行线速度关系为vAvB=vCB.运行周期关系为TATB=TCC.向心力大小关系为FA=FBFCD.半径与周期关系为333CAB222ABCRRRTTT【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333CAB222ABCRRRkTTT。【正确解答】选A、B、D。由所以vAvB=vC，选项A正确；由所以TATB=TC，选项B正确；由=man得an=所以aAaB=aC，又mA=mBmC，所以FAFB，FBFC，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。22MmvGMGmvrrr得，2322Mm4rGmrT2rTGM得，2MmGr2MGr，333CAB222ABCRRRTTT，【过关训练】1.(拓展延伸)在【典例示范】中，若卫星A由于某种原因，半径逐渐增大，最终和B、C在同一轨道上运动，则下列说法正确的是()A.速率逐渐变小，周期逐渐变小B.速率逐渐变小，周期逐渐变大C.速率逐渐变大，周期逐渐变大D.速率逐渐变大，周期逐渐变小【解析】选B。人造地球卫星的半径逐渐增大时，仍可认为卫星绕地球做匀速圆周运动，根据得卫星的轨道半径越大，速率越小，周期越大，选项B正确。2222Mmv4GmmrrrT，2.(2015·福建高考)如图，若两颗人造卫星a和b均绕地球做匀速圆周运动，a、b到地心O的距离分别为r1、r2，线速度大小分别为v1、v2，则()121121222212112122vrvrA.B.vrvrvrvrC.D.vrvr()()【解析】选A。根据故选A。212221vrMmvGMGmvrrrvr，得，因此，3.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vAvBvCB.运转角速度满足ωAωBωCC.向心加速度满足aAaBaCD.运动一周后，A最先回到图示位置gr【解析】选C。由r大，则v小，故vAvBvC，A错误；由=mω2r得，ω=，r大，则ω小，故ωAωBωC，B错误；由r大，则a小，故aAaBaC，C正确；由r大，则T大，故TATBTC，因此运动一周后，C最先回到图示位置，D错误。22MmvGMGmvrrr得，，2MmGr3GMr22MmGMGmaarr得，，2322Mm4rGmrT2rTGM得，，【补偿训练】(2015·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