2020版高中物理 第六章 万有引力与航天 5 宇宙航行 6经典力学的局限性课件 新人教版必修2

5.宇宙航行6.经典力学的局限性1.宇宙速度:任务驱动中国计划将会在2020年左右发射一颗火星探测卫星,要使火星探测卫星离开地球,其发射速度至少多大?提示:发射速度至少11.2×103m/s。(1)地球对周围的物体有引力的作用,因而水平抛出的物体要_________。但是抛出的初速度越大,物体就会飞得越___。如果没有_____,当速度足够大时,物体就永远不会落到地面上,将围绕地球运转,成为一颗绕地球运动的_____。落回地面远引力卫星(2)第一宇宙速度的表达式是________和__________。(3)要使人造卫星绕地球运行,它进入地面附近轨道的速度必须等于或大于____km/s,并且小于_____km/s,要使卫星脱离地球引力不再绕地球运行,成为人造行星,必须使它的速度等于或大于_____km/s;要想使它飞到太阳系以外的地方去,它的速度必须等于或大于_____km/s。GMvR地vgR地7.911.211.216.72.梦想成真:(1)1957年10月4日,世界上第一颗人造卫星在_____发射成功,1961年4月12日,苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船,铸就了人类进入太空的丰碑。苏联(2)1969年7月16日,_______________在美国卡纳维拉尔角点火升空,7月20日,指挥长阿姆斯特朗和驾驶员奥尔德林在月面登陆。(3)1992年,中国载人航天工程正式启动。阿波罗11号飞船(4)2003年10月15日9时,________宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射,把中国的第一位航天员_______送入太空。神舟5号杨利伟3.从宏观到微观:经典力学有它的适用范围:只适用于_________,不适用于_________;只适用于_________,不适用于_________。低速运动高速运动宏观世界微观世界主题一宇宙速度【问题探究】牛顿曾提出过一个著名的思想实验:如图所示,从高山上水平抛出一个物体,当抛出的速度足够大时,物体将环绕地球运动,成为人造地球卫星。(1)当抛出速度较小时,物体做什么运动?提示:平抛运动。(2)当物体刚好不落回地面时,物体做什么运动?提示:物体绕地球表面做匀速圆周运动。(3)如何推导第一宇宙速度公式?提示:方法一:若已知地球的质量为M,地球半径为R地,引力常量为G时,物体在地球表面绕地球做匀速圆周运动时,万有引力提供向心力,即,故v=。22MmvGmRR地地GMR地方法二:若已知地球表面附近物体的重力加速度g和地球半径R地时,那么物体绕地球做匀速圆周运动需要的向心力也就等于重力,即mg=,故v=。2vmR地gR地(4)为什么第一宇宙速度既是最大的环绕速度,也是最小的发射速度?提示:第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度,在所有的卫星里其轨道半径最小,根据v=可知其线速度最大;同时在进行卫星发射时,只有发射速度大于等于第一宇宙速度时,该卫星才能发射成功,所以说第一宇宙速度既是最大的环绕速度,也是最小的发射速度。GMr【探究总结】三个宇宙速度(1)第一宇宙速度为7.9km/s,是最小发射速度,最大环绕速度,称为环绕速度。(2)第二宇宙速度为11.2km/s,称为脱离速度。(3)第三宇宙速度为16.7km/s,称为逃逸速度。【典例示范】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,该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,得即v′=2v=2×8km/s=16km/s。故选A。22MmvGMGmvRRR得。GMvMRR2vMRGMR，【规律方法】第一宇宙速度的三种求解方法(1)若已知中心天体质量M,则可通过v=求解。(2)若已知中心天体表面的重力加速度g,则可由公式v=求解。(3)若已知该星球表面卫星的转动周期T,则可由v=求解。GMRgR2RT【探究训练】1.下列表述正确的是()A.第一宇宙速度又叫环绕速度B.第一宇宙速度又叫脱离速度C.第一宇宙速度跟地球的质量无关D.第一宇宙速度跟地球的半径无关【解析】选A。第一宇宙速度又叫环绕速度,A正确,B错误。根据可知,环绕速度与地球的质量和半径有关,C、D错误。22MmvGmRR＝2.(2019·洛阳高一检测)已知地球自转的角速度为7.29×10-5rad/s,月球到地球中心的距离为3.84×108m。在地球表面发射卫星的第一宇宙速度为7.9×103m/s,第二宇宙速度为11.2×103m/s,第三宇宙速度为16.7×103m/s,假设地球上有一棵苹果树长到了接近月球那么高,则当苹果脱离苹果树后,将()A.竖直向下落回地面B.成为地球的同步“苹果卫星”C.成为地球的“苹果月亮”D.飞向茫茫宇宙【解析】选D。因为地球自转的角速度为7.29×10-5rad/s,月球到地球中心的距离为3.84×108m,当苹果树长到了接近月球那么高时,苹果的线速度为v=ωr=7.29×10-5×3.84×108m/s≈28×103m/s=28km/s,此速度已经大于地球的第三宇宙速度,况且月球表面的第三宇宙速度远小于地球第三宇宙速度,故当苹果脱离苹果树后将飞向茫茫宇宙,D正确。【补偿训练】1.中国“北斗”卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统,是继美国GPS系统和俄罗斯“格洛纳斯”(GLONASS)系统之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成,其中空间端包括5颗地球同步卫星和30颗非地球同步卫星,以下说法正确的是()A.这5颗地球同步卫星的运行速度都大于第一宇宙速度B.这5颗地球同步卫星的运行周期都与地球自转周期相等C.这5颗地球同步卫星运动的加速度大小不一定相同D.为避免相撞,不同国家发射的地球同步卫星必须运行在不同的轨道上【解析】选B。根据万有引力提供向心力,列出等式:解得v=,可知这5颗地球同步卫星的运行速度小于第一宇宙速度,选项A错误;由于这5颗卫星是地球的同步卫星,则其运行周期都与地球自转周期相等,选项B正确;同步卫星的加速度a=,所以这5颗地球同步卫星的加速度大小一定相同,故C错误;地球同步卫星的轨道与赤道平面重合,卫星离地面的高度相同,在相同的轨道上,故D错误;故选B。22GMmvm,rrGMr2GMr2.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7～20km,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半径,且中子星对卫星的万有引力充当向心力,由得v=,又M=ρV=ρ,得v=r=1×104×m/s=5.8×107m/s。22MmvGmrr＝，GMr34r34G3111743.146.67101.2103主题二人造卫星【问题探究】情景1:卫星种类主要有侦察卫星、通讯卫星、气象卫星、地球资源勘测卫星等,不同种类的卫星轨道半径不同。情景2:同步卫星是相对于地面静止的、和地球自转具有相同的周期的卫星。(1)不同种类的卫星,轨道不同,轨道的中心是否相同?提示:无论卫星沿什么轨道运动,轨道的中心都是地心。(2)同一轨道上的两颗卫星,所受的向心力大小是否相同?提示:根据v=知,同一轨道上的卫星线速度相同,由Fn=知,由于卫星的质量不一定相同,故向心力不一定相同。GMr2mvr(3)根据同步卫星的特点,判断同步卫星的轨道平面的特点?提示:由于同步卫星相对于地面静止,且轨道的中心在地心,故同步卫星应在赤道的正上方,其轨道平面与赤道平面重合。(4)不同国家发射的同步卫星离地面高度是否相同?提示:同步卫星的周期都是24h,根据T=知T相等,r也相等,故所有的同步卫星离地面高度相同。234rGM【探究总结】1.人造卫星的运动规律:(1)人造卫星的线速度、角速度、周期均与人造卫星的质量无关。(2)轨道半径越大,线速度越小,角速度越小,周期越长。常用规律表达式:①由可得:v=,r越大,v越小。②由=mω2r可得:ω=,r越大,ω越小。22MmvGmrrGMr2MmGr3GMr③由可得:T=2π,r越大,T越大。④由=ma可得:a=,r越大,a越小。22Mm2Gm()rrT3rGM2MmGr2GMr2.同步卫星的特点:(1)定轨道平面:所有地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面内。(2)定周期:运转周期与地球自转周期相同,T=24h。(3)定高度(半径):离地面高度为36000km。(4)定速率:运行速率为3.1×103m/s。【典例示范】(2019·福州高一检测)如图所示,在地球轨道外侧有一小行星带。假设行星带中的小行星都只受太阳引力作用,并绕太阳做匀速圆周运动。下列说法正确的是()A.小行星带内侧行星的加速度小于外侧行星的加速度B.与太阳距离相等的每一颗小行星,受到太阳的引力大小都相等C.各小行星绕太阳运动的周期大于一年D.小行星带内各行星绕太阳公转的线速度均大于地球公转的线速度【解析】选C。小行星带内侧行星受到太阳的万有引力大于外侧行星的万有引力,所以小行星带内侧行星的加速度大于外侧行星的加速度,所以A错误;根据可得T=,可知卫星轨道半径越大,周期越大,因为地球的周期为一年,而小行星的轨道半径大于地球的轨道半径,则各小行星绕太阳运动的周期大于一2MmGr224mrT234rGM年,故C正确;由于每颗小行星的质量不一定相等,故与太阳距离相等的每一颗小行星,受到太阳的引力大小不一定都相等,B错误;由G=m,可得v=,可知轨道半径越大,线速度越小,所以小行星带内各行星绕太阳公转的线速度均小于地球公转的线速度,故D错误。2Mmr2vrGMr【探究训练】1.(2019·太原高一检测)2018年2月,我国首颗电磁监测试验卫星“张衡一号”在酒泉卫星发射中心成功发射,标志着我国地震监测和地球物理探测正式迈入太空。卫星质量约为730kg,运行高度为500km,通过两极的太阳同步轨道,对同一地点的重访周期为5d。下列说法正确的是()A.“张衡一号”绕地球运行的速度大于第一宇宙速度B.“张衡一号”绕地球运行的周期为5dC.“张衡一号”的加速度小于地面的重力加速度D.“张衡一号”的轨道平面与地球赤道平面共面【解析】选C。卫星的轨道半径大于近地轨道半径,所以速度要小于第一宇宙速度,故A错误;由于卫星通过两极的太阳同步轨道,所以对同一地点的重访周期不是卫星本身的运行周期,B错误;由G=mg可得卫星上的重力加速度要小于地面上的重力加速度,故C正确;通过两极的太阳同步轨道与赤道不能共面,故D错误。2Mmr2.我国计划2020年发射火星探测器,实现火星的环绕、着陆和巡视探测。已知火星和地球绕太阳公转的轨道都可近似为圆轨道,火星公转轨道半径约为地球公转轨道半径的,火星的半径约为地球半径的,火星的质量约为地球质量的,以下说法正确的是()321219A.火星的公转周期比地球小B.火星的公转速度比地球大C.探测器在火星表面时所受火星引力比在地球表面时所受地球引力小D.探测器环绕火星表面运行的速度比环绕地球表面运行的速度大【解析】选C。设太阳质量为M,行星质量为m,根据万有引力提供向心力有=m,得T=,v=,由于火星的公转半径比地球的公转半径大,所以火星的公转周期比地球的公转周期大,火星的公转速度比地球的公转速度小,故A、B错误;设探测器质量为m1,则探测器在火星表面受到火星的引力F1=G,222Mm4GmrrT2vr234rGMGMr12MmR火火探测器在地球表面所受地球的引力F2=G,则,即F1F2,即探测器在火星表面时所受火星的引力比在地球表面所受地球的引力小,故C