2019-2020学年高中物理 第六章 万有引力与航天 第5节 宇宙航行课件 新人教版必修2

第5节宇宙航行核心素养点击物理观念知道三个宇宙速度的含义。科学思维会推导第一宇宙速度；掌握人造卫星的线速度、角速度、周期及向心加速度与轨道半径的关系。科学态度与责任查阅资料，了解人造卫星的相关知识及我国卫星发射的情况。一、人造地球卫星1．概念当物体的_______足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地面，成为一颗绕地球转动的人造卫星，如图所示。初速度2．运动规律一般情况下可认为人造卫星绕地球做运动。3．向心力来源人造地球卫星的向心力由地球对它的提供。二、宇宙速度匀速圆周万有引力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7.911.216.7匀速圆周运动地球太阳最小三、梦想成真1957年10月，苏联成功发射了第一颗人造卫星。1969年7月，美国“阿波罗11号”登上。2003年10月15日，我国航天员踏入太空。2013年6月11日，我国的“神舟十号”飞船发射成功。2013年12月2日，我国的“嫦娥三号”登探测器发射升空。……月球杨利伟月(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。()(3)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。()(4)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。()×√×√[澄清微点](1)通常情况下，人造卫星总是向东发射的，为什么？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，就可以充分利用地球自转的惯性，节省发射所需要的能量。(2)“天宫一号”目标飞行器在距地面355km的轨道上做圆周运动，它的线速度比7.9km/s大还是小？提示：第一宇宙速度7.9km/s是卫星(包括飞船)在地面上空做圆周运动飞行时的最大速度，是卫星紧贴地球表面飞行时的速度。“天宫一号”飞行器距离地面355km，轨道半径大于地球半径，运行速度小于7.9km/s。1．第一宇宙速度(环绕速度)：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，也是人造地球卫星的最小发射速度，v＝7.9km/s。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。知识点一对三个宇宙速度的理解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速度，其大小为16.7km/s。4．第一宇宙速度的推导：设地球的质量为M＝5.98×1024kg，近地卫星的轨道半径等于地球半径R＝6.4×106m，重力加速度g＝9.8m/s2。方法一：万有引力提供向心力由GMmR2＝mv2R得v＝GMR＝7.9km/s。方法二：重力提供向心力由mg＝mv2R得v＝gR＝7.9km/s。[典例]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。[思路点拨](1)物体做竖直上抛运动的加速度等于星球表面的重力加速度。(2)物体在星球表面做匀速圆周运动的向心力等于物体所受的重力。(3)物体沿星球表面做匀速圆周运动的线速度即为该星球的第一宇宙速度。[合作共研][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＝mv12R，该星球表面的第一宇宙速度为v1＝gR＝2vRt。[答案]2vRt天体环绕速度的计算方法对于任何天体，计算其环绕速度时，都是根据万有引力提供向心力的思路，卫星的轨道半径等于天体的半径，由牛顿第二定律列式计算。(1)如果知道天体的质量和半径，可直接列式计算。(2)如果不知道天体的质量和半径的具体大小，但知道该天体与地球的质量、半径关系，可分别列出天体与地球环绕速度的表达式，用比例法进行计算。探规寻律1．(多选)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小行星的最小发射速度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[即时应用]解析：选CD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；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；第二宇宙速度是使物体挣脱地球束缚而成为太阳的一颗人造小行星的最小发射速度，选项C正确。2．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解析：选A根据题设条件可知：M地＝10M火，R地＝2R火，由万有引力提供向心力GMmR2＝mv2R，可得v＝GMR，即v火v地＝M火R地M地R火＝15，因为地球的第一宇宙速度为v地＝7.9km/s，所以航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率v火≈3.5km/s，选项A正确。1．人造地球卫星的轨道(1)椭圆轨道：地心位于椭圆的一个焦点上。(2)圆轨道：卫星绕地球做匀速圆周运动，卫星所需的向心力由万有引力提供，由于万有引力指向地心，所以卫星的轨道圆心必然是地心，即卫星在以地心为圆心的轨道平面内绕地球做匀速圆周运动。知识点二人造地球卫星(3)卫星的三种轨道：地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度，当轨道平面与赤道平面重合时，称为赤道轨道；当轨道平面与赤道平面垂直时，即通过极点，称为极地轨道，如图所示。2．地球同步卫星(1)定义：相对于地面静止的卫星，又叫静止卫星。(2)六个“一定”。①同步卫星的运行方向与地球自转方向一致。②同步卫星的运转周期与地球自转周期相同，T＝24h。③同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度。④同步卫星的轨道平面均在赤道平面上，即所有的同步卫星都在赤道的正上方。⑤同步卫星的高度固定不变。由GMmr2＝mr2πT2知r＝3GMT24π2。由于T一定，故r一定，而r＝R＋h，h为同步卫星离地面的高度，h＝3GMT24π2－R。又因GM＝gR2，代入数据T＝24h＝86400s，g取9.8m/s2，R＝6.38×106m，得h＝3.6×104km。⑥同步卫星的环绕速度大小一定：设其运行速度为v，由于GMmR＋h2＝mv2R＋h，所以v＝GMR＋h＝gR2R＋h＝9.8×6.38×10626.38×106＋3.6×107m/s＝3.1×103m/s。1．如图所示是小明同学画的人造地球卫星轨道的示意图，则卫星()A．在a轨道运行的周期为24hB．在b轨道运行的速度始终不变C．在c轨道运行的速度大小始终不变D．在c轨道运行时受到的地球引力大小是变化的[即时应用]解析：选D同步卫星的运行周期是24h，它必须在赤道正上空36000km处，a轨道是极地卫星轨道，周期一般为12h左右，选项A错误；b轨道上的卫星的速度方向不断变化，选项B错误；c轨道上卫星运行到近地点时速度大，运行到远地点时速度小，选项C错误；根据F＝GMmr2可知c轨道上的卫星受到的地球引力大小不断变化，D正确。2．同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星，则()A．它可以在地面上任一点的正上方，且离地面的高度可按需要选择不同的值B．它可以在地面上任一点的正上方，但离地面的高度是一定的C．它只能在赤道的正上方，但离地面的高度可按需要选择不同的值D．它只能在赤道的正上方，且离地面的高度是一定的解析：选D同步卫星只能在赤道的正上方，且离地面的高度是一定的，大约为地球半径的5.6倍，可以粗略记为6倍。3．(多选)原计划的“铱”卫星通信系统是在距地球表面780km的太空轨道上建立一个由77颗小卫星组成的星座。这些小卫星均匀分布在覆盖全球的7条轨道上，每条轨道上有11颗卫星，由于这一方案的卫星排布像化学元素“铱”原子的核外77个电子围绕原子核运动一样，所以称为“铱”星系统。后来改为由66颗卫星，分布在6条轨道上，每条轨道上由11颗卫星组成，仍称它为“铱”星系统。“铱”星系统的66颗卫星，其运行轨道的共同特点是()A．以地轴为中心的圆形轨道B．以地心为中心的圆形轨道C．轨道平面必须处于赤道平面内D．“铱”星运行轨道远低于同步卫星轨道解析：选BD“铱”卫星系统作为覆盖全球的通信卫星系统，在地球引力的作用下，在以地心为中心的圆形轨道上运行，故B正确，A、C错误。“铱”卫星系统距地面的高度为780km，远低于同步卫星距地面的高度，故D正确。[典例]如图所示，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()知识点三卫星变轨问题[合作共研]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，所以加速度也相同。探规寻律1．宇宙飞船正在轨道上运行，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．飞船的高度降低B．飞船的高度升高C．飞船的周期变小D．飞船的向心加速度变大解析：选B由GMmr2＝ma＝m4π2T2r知，飞船加速后，做离心运动，r增大，T增大，a减小，故A、C、D错误，B正确。[即时应用]B．不论在轨道1还是轨道2运行，卫星在P点的加速度都相同C．卫星在轨道1的任何位置都具有相同加速度D．卫星在轨道2的任何位置都具有相同加速度2．如图所示，一颗人造卫星原来在椭圆轨道1绕地球E运行，在P点变轨后进入轨道2做匀速圆周运动。下列说法正确的是()A．不论在轨道1还是轨道2运行，卫星在P点的速度都相同解析：选B在P点，沿轨道1运行时，地球对人造卫星的引力大于人造卫星做圆周运动需要的向心力，即F引＞