高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行4 宇宙航行说课ppt课件

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一、第一宇宙速度【情境思考】牛顿说在高山上架起一门大炮,只要这门炮的威力足够大,炮弹将不会落到地面,成为地球的一颗卫星,是什么力使炮弹绕地球运动呢?提示:炮弹与地球之间的万有引力。
1.对第一宇宙速度的理解:第一宇宙速度是在地面上发射卫星的最小速度,等于卫星围绕地球表面做匀速圆周运动的速度。2.第一宇宙速度数值推导:物体绕地球运动可视作匀速圆周运动,万有引力充当做匀速圆周运动所需的向心力,即 (m地是地球的质量,r是物体做圆周运动的半径)。r近似等于地球半径代入数据得 v= ≈7.9 km/s。
二、第二宇宙速度v=11.2 km/s时,使飞行器挣脱地球束缚的最小地面发射速度,这个速度叫作第二宇宙速度。三、第三宇宙速度v=16.7 km/s时,使飞行器挣脱太阳束缚的最小地面发射速度。这个速度叫作第三宇宙速度。
【易错辨析】(1)第一宇宙速度是卫星绕地球做匀速圆周运动的最小速度。( )(2)第一宇宙速度的大小与地球质量有关。( )(3)月球的第一宇宙速度也是7.9 km/s。( )(4)若物体的速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度,则物体可绕太阳运行。( )(5)要发射一颗月球卫星,在地面的发射速度应大于16.7 km/s。( )
　知识点一　第一宇宙速度角度1 第一宇宙速度的定性分析1.第一宇宙速度:第一宇宙速度是卫星近地环绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度,即近地环绕速度。提醒:卫星近地环绕地球运动时轨道半径可近似看成地球半径。
2.决定因素:由公式v= 可得出第一宇宙速度数值由中心天体决定,大小取决于地球质量m地和地球半径R。 提醒:由 =mg还可得出第一宇宙速度v= 。3.“最小发射速度”:发射人造卫星的速度如果低于第一宇宙速度,由于受到地球引力的作用,卫星会落到地球上。所以第一宇宙速度是最小的发射速度。 提醒:发射速度是指卫星与火箭分离时的速度。
4.“最大环绕速度”:在所有的环绕地球做圆周运动的卫星中,近地卫星的轨道半径最小,由公式 得v= ,轨道半径越小,线速度越大,所以第一宇宙速度是最大的环绕速度。 提醒:环绕速度即运行速度与发射速度概念不同。
【问题探究】　在离地面150 km左右飞行的航天器,能说在地面附近飞行吗?为什么?提示:能,150 km相对于地球6 400 km的半径来说可以忽略。
【典例示范】【典例1】(多选)关于第一宇宙速度,以下叙述正确的是(　　)A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B.它是近地圆轨道上人造卫星的运行速度C.它是使卫星进入轨道的最小发射速度D.它是人造卫星发射时的最大速度
【解析】选B、C。第一宇宙速度是卫星绕天体表面做匀速圆周运动的线速度。第一宇宙速度满足关系式 由此得到v= ,由此式可得到第一宇宙速度是最大的环绕速度。卫星发射得越高,需要的发射速度越大,故第一宇宙速度是最小的发射速度。选项B、C正确。
角度2 第一宇宙速度的定量计算1.根据星球表面的重力加速度计算它的第一宇宙速度,依据 2.根据星球近地卫星做匀速圆周运动计算它的第一宇宙速度,依据
【典例示范】【典例2】(多选)已知火星的质量约为地球质量的 ,火星的半径约为地球半径的 。下列关于火星探测器的说法中正确的是(　　)A.发射速度只要大于第一宇宙速度即可B.发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C.发射速度应大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度D.火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的
【解析】选C、D。根据三个宇宙速度的意义,可知选项A、B错误,选项C正确;已知M火= ,R火= ,则
【素养训练】1.(母题追问)(多选)在【典例1】的情景中下列说法正确的是(　　)A.被发射的物体质量越大,第一宇宙速度越大B.被发射的物体质量越小,第一宇宙速度越大C.第一宇宙速度与被发射物体的质量无关D.第一宇宙速度与地球的质量有关
【解析】选C、D。设地球质量为M,半径为R,则由 得第一宇宙速度v= ,故v与地球质量有关,与被发射物体的质量无关。
2.(教材二次开发·教材P64【练习与应用】T4变式)金星的半径是地球半径的95%,质量为地球质量的82%,近地卫星与环绕金星表面卫星的周期之比是多少?向心加速度之比是多少?
【解析】地球和金星的近地卫星都是万有引力提供做圆周运动所需的向心力,即 答案:1.02　0.91
【加固训练】　　某人在一星球表面上以速度v0竖直上抛一物体,经过时间t后物体落回手中。已知星球半径为R,那么沿星球表面将物体抛出,要使物体不再落回星球表面,抛射速度至少为(　　)
【解析】选B。要使物体不再落回星球表面,抛射速度必须达到星球的第一宇宙速度,满足 而由竖直上抛规律知v0= gt,所以v= 。
知识点二　人造地球卫星角度1 人造地球卫星轨道特点 1.卫星运动遵循的规律:卫星绕地球沿椭圆轨道运动时,地心在椭圆的一个焦点上,卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。
2.卫星轨道的圆心:卫星绕地球沿圆形轨道运动时,因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,而万有引力指向地心,所以地心是卫星圆轨道的圆心。3.卫星的轨道:卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星),可以通过两极上空(极地卫星),也可以和赤道平面成任意角度。
【问题探究】地球的周围,有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动,这些卫星运动所需的向心力都是什么力提供的?提示:地球对卫星的万有引力提供向心力。
【典例示范】【典例1】(多选)如图所示的三颗人造地球卫星,则下列说法正确的是(　　)A.卫星可能的轨道为a、b、cB.卫星可能的轨道为a、cC.同步卫星可能的轨道为a、cD.同步卫星可能的轨道为a
【解析】选B、D。卫星的轨道平面可以在赤道平面内,也可以和赤道平面垂直,还可以和赤道平面成任一角度。但是由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,所以,地心必须是卫星圆轨道的圆心,因此卫星可能的轨道一定不会是b。同步卫星只能位于赤道的正上方,所以同步卫星可能的轨道为a。
角度2 地球同步卫星1.地球同步卫星:位于地球赤道上空,相对于地面静止不动,它的角速度跟地球的自转角速度相同,广泛应用于通信,又叫作同步通信卫星。
2.地球同步通信卫星的特点
【典例示范】【典例2】北斗问天,国之夙愿。我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星,其轨道半径约为地球半径的7倍。与近地轨道卫星相比,地球静止轨道卫星(　　) A.周期大　　　B.线速度大C.角速度大D.加速度大
【解析】选A。根据天体环绕的“高轨、低速、长周期”可知,地球静止轨道卫星的轨道半径高于近地卫星,所以线速度和角速度均小于近地卫星,周期长于近地卫星,故A正确,B、C错误。由 =ma可知,加速度与轨道半径的平方成反比,地球静止轨道卫星的加速度小于近地卫星的加速度,故D错误。
【素养训练】(多选)同步卫星与地心的距离为r,运行速率为v1,向心加速度为a1,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2,第一宇宙速度为v2,地球半径为R,则下列关系式正确的是(　　)
【解析】选A、D。地球同步卫星:轨道半径为r,运行速率为v1,向心加速度为a1;地球赤道上的物体:轨道半径为R,随地球自转的向心加速度为a2;以第一宇宙速度运行的卫星为近地卫星。对于卫星,其共同特点是万有引力提供向心力,则 对于同步卫星和地球赤道上的物体,其共同特点是角速度相等,则an=ω2r,故 ,故A、D正确。
【拓展例题】考查内容:三个处于不同位置的做圆周运动物体的比较【典例】(多选)如图所示,赤道上随地球自转的物体A、赤道上空的近地卫星B、地球同步卫星C,它们的运动都可视为匀速圆周运动,比较三个物体的运动情况,以下判断正确的是(　　)A.三者的周期关系为TAaB>aCC.三者角速度的大小关系为ωA=ωC<ωBD.三者线速度的大小关系为vA【解析】选C、D。因为同步卫星转动周期与地球自转周期相同,故TA=TC,故A错误;因为同步卫星的周期和地球自转周期相同,故ωA=ωC,根据a=rω2知,A和C的向心加速度大小关系为aA【生活情境】我国的“北斗”导航系统,在交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测等领域发挥巨大的作用。该系统有5颗静止轨道卫星,27颗中轨道卫星(离地高度约21 000 km),以及其他轨道卫星共35颗。探究:(1)静止轨道卫星能定位在北京上空吗?(2)中轨道卫星与同步卫星谁的线速度大?
【解析】(1)静止卫星即地球同步卫星,只能在赤道上空。(2)中轨道卫星离地面高度小于同步轨道卫星高度,所以中轨道卫星的线速度大。答案:见解析
【生产情境】我国的空间站有望投入运转,支持在轨实施空间天文、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空间材料科学等学科领域的科学研究与应用项目。探究:(1)为什么宇宙飞船与空间站对接前不在同一轨道?(2)宇宙飞船与空间站对接后,空间站的周期会变化吗?