2019-2020学年高中物理 第5章 万有引力与航天 4 飞出地球去课件 沪科版必修2

第5章万有引力与航天5．4飞出地球去第5章万有引力与航天1．理解第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度．(重点)2．了解人类冲出地球，飞向宇宙的艰难历程和伟大成就，同时了解我国航天工作者的丰功伟绩．一、三个宇宙速度1．第一宇宙速度要想发射人造卫星，必须具有足够的速度，发射人造卫星最小的发射速度称为第一宇宙速度，又叫地面附近的环绕速度．v＝______＝_________．GMr7．9km/s2．第二宇宙速度——飞出地球去当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于___________时，它绕地球运行的轨迹就不再是圆形，而是椭圆形．当卫星的速度等于或大于___________时，卫星就会脱离地球的引力不再绕地球运行，成为绕太阳运行的人造行星或飞到其他行星上去，我们把____________称为第二宇宙速度，又叫__________．7．9km/s11．2km/s11．2km/s脱离速度3．第三宇宙速度——飞出太阳系当物体的速度等于或大于_____________时，物体便将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间中去，我们把_____________称为第三宇宙速度，又叫地面附近的__________．16．7km/s16．7km/s逃逸速度卫星发射速度和运行速度一样吗？提示：不一样．(1)发射速度：发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充．三个宇宙速度都是发射速度，要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度．(2)运行速度：运行速度是指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度．当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，由v＝GMr得运行速度小于第一宇宙速度．二、为了和平与进步1957年10月4日，________发射了世界上第一颗人造卫星．1961年4月12日，前苏联发射了第一艘载人飞船．1969年7月20日，______的宇宙飞船“阿波罗11号”第一次实现人类登月．1976年7月和9月，______的“海盗”1号和“海盗”2号在火星先后成功地软着陆．1984年4月12日，第一架航天飞机“哥伦比亚”号发射成功．前苏联美国美国2003年10月15日，______第一艘载人飞船“神舟五号”发射成功．2005年10月12日，中国自主研制的“神舟六号”载人飞船在酒泉卫星发射中心发射升空后，准确进入预定轨道，“神舟六号”载人飞船发射成功．中国2008年9月25日“神舟七号”航天飞船上载有三名宇航员，翟志刚出舱作业，刘伯明在轨道舱内协助，实现了中国历史上第一次的太空漫步．2011年11月1日，“神舟八号”发射成功．2012年6月中旬，“神舟九号”发射成功．2013年6月11日，“神舟十号”首次开展我国航天员太空授课活动．宇宙速度1．第一宇宙速度三种不同的说法(1)最小的发射速度；(2)环绕速度；(3)近地卫星的线速度．2．第一宇宙速度的计算方法(1)由GMmR2＝mv2R得：v＝GMR．(2)由mg＝mv2R得：v＝gR．3．人造卫星发射速度与运行速度的区别(1)发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度，并且一旦发射后就再也没有补充能量，被发射物仅依靠自身的初速度克服地球引力上升一定高度，进入运行轨道．要发射一颗人造卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度．因此，第一宇宙速度又是最小的发射速度．卫星离地面越高，卫星的发射速度越大．贴近地球表面的卫星(近地卫星)的发射速度最小，其运行速度即第一宇宙速度．(2)运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度．根据v＝GMr可知，卫星越高，轨道半径越大，卫星的运行速度就越小，近地卫星可认为v发＝v运，其他较高卫星的v发v运．(3)人造卫星的发射速度与运行速度之间的大小关系：11．2km/sv发射≥7．9km/s≥v运行．(4)距地面越高的卫星绕行速度越小，但是向距地面越高的轨道发射卫星却越困难．因为向高轨道发射卫星，火箭克服地球对它的引力消耗的能量多，所以发射卫星需要的速度较大．命题视角1对三种宇宙速度的理解(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[解析]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．[答案]CD命题视角2第一宇宙速度的推导计算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．[思路探究](1)物体做什么性质的运动？该星球表面的重力加速度为多少？(2)计算第一宇宙速度用公式v1＝gR较为简单．[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星球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＝mv21R，该星球表面的第一宇宙速度为v1＝gR＝2vRt．[答案]2vRt【通关练习】1．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．由GMmr2＝mv2r得，对于地球表面附近的航天器有：GMmr2＝mv21r，对于火星表面附近的航天器有：GM′mr′2＝mv22r′，由题意知M′＝110M、r′＝r2，且v1＝7．9km/s，联立以上各式得v2≈3．5km/s，选项A正确．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飞行器的环绕速度．飞行器的轨道半径近似认为是该中子星的半径，且中子星对飞行器的万有引力充当向心力，由GMmr2＝mv2r，得v＝GMr，又M＝ρV＝ρ4πr33，得v＝r4πGρ3＝1×104×4×3.14×6.67×10－11×1.2×10173m/s≈5．8×107m/s＝5．8×104km/s．人造地球卫星1．人造卫星运行轨道卫星绕地球的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道(1)若是椭圆轨道，地心是椭圆的一个焦点，其运动遵循开普勒三定律．(2)若是圆轨道，卫星所需的向心力由地球对它的万有引力提供．由于万有引力指向地心，所以卫星圆轨道的圆心必然是地心，即卫星绕地心做匀速圆周运动．(3)轨道平面：卫星的轨道平面可以跟赤道平面重合，也可以跟赤道平面垂直，也可以跟赤道平面成任意角度．轨道平面一定过地心，如图所示．2．卫星的运行速度、角速度、周期与轨道半径r的关系项目推导关系线速度v与轨道半径r的关系由GMmr2＝mv2r得v＝GMr∝1r12半径越大，速度越小角速度ω与轨道半径r的关系由GMmr2＝mω2r得ω＝GMr3∝1r32半径越大，角速度越小项目推导关系周期T与半径r的关系由GMmr2＝m4π2T2r得T＝4π2r3GM∝r32半径越大，周期越大向心加速度a与半径r的关系由GMmr2＝ma得a＝GMr2∝1r2半径越大，向心加速度越小卫星轨道的最小半径为r＝R(R为地球半径)，此时加速度最大，a＝g；线速度最大，为第一宇宙速度7．9km/s；其角速度最大，周期最小，约为85min．(多选)如图所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗卫星，a和b质量相等且小于c的质量，则()A．b所需向心力最小B．b、c的周期相同且大于a的周期C．b、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度D．b、c的线速度大小相等，且小于a的线速度[思路点拨]解此题关键是两点：(1)行星的轨道为圆轨道，万有引力充当向心力．(2)灵活应用线速度，周期与半径的关系．[解析]因卫星运行的向心力就是它们所受的万有引力，由F向＝GMmr2知b所受的引力最小，故A对．由GMmr2＝ma，得a＝GMr2．即卫星的向心加速度与轨道半径的平方成反比，所以b、c的向心加速度大小相等且小于a的向心加速度，C错．由GMmr2＝m4π2T2·r，得T＝2πr3GM．即地球卫星运行的周期与其轨道半径三次方的平方根成正比，所以b、c的周期相等且大于a的周期，B对．由GMmr2＝m·v2r得v＝GMr．即地球卫星的线速度与其轨道半径的平方根成反比，所以b、c线速度大小相等且小于a的线速度，D对．[答案]ABD解决同一中心天体的卫星运动问题时，一般是先由万有引力提供向心力，采取向心力的不同形式，推导出a＝GMr2，v＝GMr，ω＝GMr3，T＝2πr3GM，由以上关系式可以看出：(1)上述各物理量都是r的函数，我们应该建立函数的思想．(2)运动学物理量v、a、ω、F随着r的增大而减小，只有T随着r的增大而增大．(多选)我国发射的“嫦娥三号”登月探测器靠近月球后，先在月球表面附近的近似圆轨道上绕月运行；然后经过一系列过程，在离月面4m高处做一次悬停(可认为是相对于月球静止)；最后关闭发动机，探测器自由下落．已知探测器的质量约为1．3×103kg，地球质量约为月球的81倍，地球半径约为月球的3．7倍，地球表面的重力加速度大小约为9．8m/s2．则此探测器()A．在着陆前的瞬间，速度大小约为8．9m/sB．悬停时受到的反冲作用力约为2×103NC．从离开近月圆轨道到着陆这段时间内，机械能守恒D．在近月圆轨道上运行的线速度小于人造卫星在近地圆轨道上运行的线速度解析：选BD．设月球表面的重力加速度为g月，则g月g地＝GM月R2月GM地R2地＝M月M地·R2地R2月＝181×3．72，解得g月≈1．7m/s2．由v2＝2g月h，得着陆前的速度为v＝2g月h＝2×1.7×4m/s≈3．7m/s，选项A错误．悬停时受到的反冲力F＝mg月≈2×103N，选项B正确．从离开近月圆轨道到着陆过程中，除重力做功外，还有其他外力做功，故机械能不守恒，选项C错误．设探测器在近月圆轨道上和人造卫星在近地圆轨道上的线速度分别为v1、v2，则v1v2＝GM月R月GM地R地＝M月M地·R地R月＝3.7811，故v1v2，选项D正确．卫星变轨问题卫星在运动中的“变轨”有两种情况：离心运动和向心运动．当万有引力恰好提供卫星所需的向心力，即GMmr2＝mv2r时，卫星做匀速圆周运动；当某时刻速度发生突变，所需的向心力也会发生突变，而突变瞬间万有引力不变．1．制动变轨：卫星的速率变小时，使得万有引力大于所需向心力，即GMmr2mv2r，卫星做近心运动，轨道半径将变小．所以要使卫星的轨道半径变小，需开动反冲发动机使卫星做减速运动．2．加速变轨：卫星的速率变大时，使得万有引力小于所需向心力，即GMmr2mv2r，卫星做离心运动，轨道半径将变大．所以要使卫星的轨道半径变大，需开动反冲发动机使卫星做加速运动．命题视角1卫星变轨过程分析(多选)2017年5月，航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后，在A点从圆形轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ，B为轨道Ⅱ上的