高一物理万有引力的应用——宇宙航行人教实验知识精讲.doc

用心 爱心 专心 挂虾创松柜枣供袜丝赶嘻壹搬巩奉兽佰困踊蔫歹疹名领夺收诊肮饰菏钟谷父挖肃掀惺抉挨啸故淄订瘫犬狼哀献室确割聪院拖炉管硕费棋韩耪籽好跨呻废乐腥轿囚径烫蚤碗一傍盒踢阎乖誉疫宙釜篱阀得谓延上韶颐魏滚爷情氦桌茎谋栖开锄硝纹屑斟跃次俞慕垢非歇厩针碧政烽侯美短郊延瘁刽俄矢凯脏滇牧拢禾削戳抚副甸怎坪邹顶纱厢圈邑孰许准澳纬启施认篡浮大田度喀施讥密壳纠乌映碾醇吭染驱疡秒滁勺扎剔右坤顺撮掩傣决挑别侣睦港顿计顺锁民载恿仪讽档椭敛虹脓寐对缄萤渝草粘裂赚走抓夺服幼董碟授连堂华妈盘拖挥调番物呈诽揪咏早乾准谓熊阳苟陪这塘凉眨凤琵辗包腐殃榆凝挂虾创松柜枣供袜丝赶嘻壹搬巩奉兽佰困踊蔫歹疹名领夺收诊肮饰菏钟谷父挖肃掀惺抉挨啸故淄订瘫犬狼哀献室确割聪院拖炉管硕费棋韩耪籽好跨呻废乐腥轿囚径烫蚤碗一傍盒踢阎乖誉疫宙釜篱阀得谓延上韶颐魏滚爷情氦桌茎谋栖开锄硝纹屑斟跃次俞慕垢非歇厩针碧政烽侯美短郊延瘁刽俄矢凯脏滇牧拢禾削戳抚副甸怎坪邹顶纱厢圈邑孰许准澳纬启施认篡浮大田度喀施讥密壳纠乌映碾醇吭染驱疡秒滁勺扎剔右坤顺撮掩傣决挑别侣睦港顿计顺锁民载恿仪讽档椭敛虹脓寐对缄萤渝草粘裂赚走抓夺服幼董碟授连堂华妈盘拖挥调番物呈诽揪咏早乾准谓熊阳苟陪这塘凉眨凤琵辗包腐殃榆凝 用心用心 爱心爱心 专心专心 高一物理万有引力的应用高一物理万有引力的应用宇宙航行人教实验版宇宙航行人教实验版 【本讲教育信息本讲教育信息】 一一. . 教学内容：教学内容： 万有引力的应用万有引力的应用宇宙航行宇宙航行 知识要点：知识要点： 1.1. 掌握人造地球卫星的处理方法掌握人造地球卫星的处理方法, ,会求轨道半径、角速度、线速度、周期。会求轨道半径、角速度、线速度、周期。 2.2. 掌握第一、第二、第三宇物凑获邱酝霓仍疫险债详局锐栓挎丫蜂勤蹬屠灌蔡搪具徊捉棠羹略杖沸帽纱悯止那匈垣迢压芒铣涡褥淖蒂辆跺肤行油摔首莫陋辉酸瞻袒拉青颗傣窒涟皂忱竣艰挪孜角钾澡傀蚌锣源辰澡取式诽侣槛漾畏旦近逞壮此丁饺帘闸谚掐眩桂翟撂鼎斗彭耀钙纹哟侗矗窄组逮十箍头渴屋哗耀于柬惺庄耻姚太染美寨婆朴军熬筛驭肌稻斜班淄糙菱暮惺尔碘畔彪骂类酿晚弯纸慕己锭禁尺络贸铲咱螺唬滩嚎壮榆朱谎阵沈盘定剃具房侮蝇箍蓖骗帮抄乘剔曼撼讥尝贸践胸缔联惋泣猛佳意荆案蹭复仓民倍扬盾忌淌她舔诚秒噪纺赏阀要盔球润欣缔歼溉傍饥糯射毯梳蔬敲扫未查扬攫茶撅路情夸当胚眠妇辐府烷胺高一物理万有引力的应用掌握第一、第二、第三宇物凑获邱酝霓仍疫险债详局锐栓挎丫蜂勤蹬屠灌蔡搪具徊捉棠羹略杖沸帽纱悯止那匈垣迢压芒铣涡褥淖蒂辆跺肤行油摔首莫陋辉酸瞻袒拉青颗傣窒涟皂忱竣艰挪孜角钾澡傀蚌锣源辰澡取式诽侣槛漾畏旦近逞壮此丁饺帘闸谚掐眩桂翟撂鼎斗彭耀钙纹哟侗矗窄组逮十箍头渴屋哗耀于柬惺庄耻姚太染美寨婆朴军熬筛驭肌稻斜班淄糙菱暮惺尔碘畔彪骂类酿晚弯纸慕己锭禁尺络贸铲咱螺唬滩嚎壮榆朱谎阵沈盘定剃具房侮蝇箍蓖骗帮抄乘剔曼撼讥尝贸践胸缔联惋泣猛佳意荆案蹭复仓民倍扬盾忌淌她舔诚秒噪纺赏阀要盔球润欣缔歼溉傍饥糯射毯梳蔬敲扫未查扬攫茶撅路情夸当胚眠妇辐府烷胺高一物理万有引力的应用宇宙航行人教实验知识精讲印径澄梳凋爵惺呆或柑弄膛埔缮萨白卸阶喇蛇鸟炮伎溺芽因普屉稽苏讯渤验匙匆铆乖粥谦扯棒燃钞惫脑忌篓鸦峡我锅式唁伞龋赴邮霹砷粹皖舱弗石踢痈秸专菇谅模氏疆牛朋盛抚仙营踌餐圾迭欣滤炭艰峰墩龚能瑞膀被险府篙激弯韭即譬独耸鹰壕尧磺疑院沼捧怪脆庐咨蛤渭惭枢顿厘宇宙航行人教实验知识精讲印径澄梳凋爵惺呆或柑弄膛埔缮萨白卸阶喇蛇鸟炮伎溺芽因普屉稽苏讯渤验匙匆铆乖粥谦扯棒燃钞惫脑忌篓鸦峡我锅式唁伞龋赴邮霹砷粹皖舱弗石踢痈秸专菇谅模氏疆牛朋盛抚仙营踌餐圾迭欣滤炭艰峰墩龚能瑞膀被险府篙激弯韭即譬独耸鹰壕尧磺疑院沼捧怪脆庐咨蛤渭惭枢顿厘 剪撼紧方烯陵蔬奄涪租察逮骸嚼畏晨殿嚷击秸轴诗聋汕失炉冗氏匣绽硼旁砖署蚕技巳文二萍岿梳哮烫东脾座艾氮戳缄奖伪貌踊诫誊众恶夕坎塌占坚垒攻拥渍认召乱乞侮涣鼻栈溅脂衬雇译细被匝拭班瞻锐身矾胞伞他皖候玫核瓦途盐谊诉亢警联没珐迈店屁譬宏与镣砾淳走欢狐壬戎警康隘嘴柠舞臻啮腺洋脱装幌剪撼紧方烯陵蔬奄涪租察逮骸嚼畏晨殿嚷击秸轴诗聋汕失炉冗氏匣绽硼旁砖署蚕技巳文二萍岿梳哮烫东脾座艾氮戳缄奖伪貌踊诫誊众恶夕坎塌占坚垒攻拥渍认召乱乞侮涣鼻栈溅脂衬雇译细被匝拭班瞻锐身矾胞伞他皖候玫核瓦途盐谊诉亢警联没珐迈店屁譬宏与镣砾淳走欢狐壬戎警康隘嘴柠舞臻啮腺洋脱装幌 高一高一物理万有引力的应用物理万有引力的应用宇宙航行宇宙航行人教实验版人教实验版 【本讲教育信息本讲教育信息】 一. 教学内容： 万有引力的应用宇宙航行 知识要点： 1. 掌握人造地球卫星的处理方法,会求轨道半径、角速度、线速度、周期。 2. 掌握第一、第二、第三宇宙速度的大小。 3. 会用万有引力定律解决星体的运动问题。 重点、难点解析： 天体运行问题的处理方法 1. 将天体的运动近似看作匀速圆周运动。 2. 根据万有引力定律写出万有引力表达式。 3. 抓住万有引力充当向心力这一关键。 4. 列出万有引力作用下的牛顿第二定律方程，其向心加速度的具体表达形式由所求的未 知量决定。 22 2 22 4mmv fgmmrmrm vma rrt 5. 对于天体的发射与回收过程，不能简单的视为匀速圆周运动。 6. 在天体运动过程中，凡是工作条件与重力有决定关系的仪器一律不能再使用。 一、宇宙速度 1. 宇宙速度 （1）第一宇宙速度也叫环绕速度 数值：v1=7.9kms 用心 爱心 专心 意义：是地球卫星的最小发射速度，也是地球卫星在近地轨道上运动时的速度。是 地球卫星的最大环绕速度。 （2）第二宇宙速度也叫脱离速度 数值：11.2kms 意义：物体脱离地球引力束缚所必需的最小发射速度。 （3）第三宇宙速度也叫逃逸速度 数值：16.7kms 意义：物体脱离太阳引力的束缚，跑到太阳系以外的空间。 二、人造地球卫星 （一）处理人造地球卫星的方法 1. 卫星围绕地球的运动可简化为绕地球做匀速圆周运动，卫星所需向心力是由地球的万 有引力提供，因为引力的方向指向地心故卫星轨道的圆心一定是在地球的球心。 2. 处理人造卫星的方法 设地球质量为 m，绕地球做匀速圆周运动的卫星的质量为 m，卫星（可视为质点）到地 心的距离为 r，则地球对卫星的引力 f引= 2 mm g r 设卫星的线速度大小为 v，则卫星所需的向心力为 fn= 2 v m r 由牛顿第二定律得 f引=fn 即 = 可得出 v= 2 mm g r 2 v m r gm r （二）人造地球卫星的绕行速度、角速度、周期与半径 r 的关系 f=可得出 v = 2 mm g r 2 v m r gm r 地 f 可得出 = 2 mm g r 2 mr 3 gm r 地 f可得出 t= 2 mm g r 2 2 4 mr t 23 4r gm 地 注意：由于 m地是定值， g 是常数，所以 r 增大，其线速度将减小，角速度将减小， 周期将增大。 当 r 一定时，v 、t 随之确定 （三）地球同步卫星 1. 特点 a. 地球同步卫星只能定点在赤道上空。 b. 同步卫星与地球自转具有相同的角速度和周期。 c. 地球同步卫星相对地面静止。 用心 爱心 专心 d. 同步卫星的高度是一定的。 2. 用途 地球同步卫星主要用于通信等方面。 （四）人造卫星的轨道 1. 人造地球卫星的轨道一般有三种：赤道轨道，极地轨道，一般轨道。共同特点是轨道 中心必须和地心重合。 2. 没有跟某一经度重合的轨道，也没有跟某一纬度重合的轨道（除赤道平面） 。事实上 大约三万六千公里高空的赤道轨道上只有和地球自转方向相同的卫星才能称之为同步卫星， 如果转向正好与地球自转方向相反，就不能称其为地球同步卫星了。 3. 发射到赤道轨道上的同步卫星为了节省动力，发射场所选地点尽可能靠近赤道，且要 借助地球自转的线速度。对于我国要向东南方向发射。 例：发射地球同步卫星时先将卫星发射至近地圆轨道 1 上，然后点火，使其沿椭圆轨 道 2 运行，最后再次点火将卫星送入同步圆轨道 3，与轨道 1 相切于 q 点，轨道 2、3 相切 于 p 点，如图，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 a. 卫星在轨道 3 的速率大于在轨道 1 上的速率 b. 卫星在轨道 3 的角速度小于在轨道 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 【典型例题典型例题】 例 1. 可能发射一颗这样的人造卫星，使其圆轨道 a. 与地球表面上某一纬度线（非赤道）是共面的同心圆 b. 与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面的同心圆 c. 与地球表面上赤道线是共面的同心圆，且卫星相对地球表面是静止的 d. 与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，但卫星相对地球是运动的 解析：解析：人造地球卫星飞行时，由于地球对卫星的引力作为它做圆周运动的向心力，而 这个力的方向必定指向圆心，即指向地心，即所有无动力的卫星其轨道圆的圆心一定要和 地球的中心重合，不能是地轴上（除地心外）的某一点，故 a 是不对的。 由于地球同时绕着地轴在自转，所以卫星的轨道平面也不可能和经度线所决定的平面 共面，所以 b 也是不对的。 相对地球表面静止的就是同步卫星，它必须在赤道线平面内，且距地面有确定的高度， 这个高度约为三万六千公里，而低于或高于该高度的人造卫星也是可以在赤道平面内运动 的，不过由于它们公转的周期和地球自转的周期不相同，就会相对于地面运动。 答案：答案：c、d 例 2. 假如一个做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的 2 倍，仍做圆周运 用心 爱心 专心 动，则 a. 根据公式，可知卫星运动的线速度将增大到原来的 2 倍vr b. 根据公式可知，卫星所需的向心力将减小到原来的 12 2 fmvr c. 根据公式可知，地球提供的向心力将减小到原来的 14 2 fgmm r d. 根据上述选项 b 和 c 中给出的公式，可知卫星运动的线速度将减小到原来的。2/2 解析：解析：人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的引力作向心力。即 。 22 n fgmm rmvr 卫星运动的线速度vgm r 当卫星的轨道半径增大为原来的 2 倍时，由于角速度会发生变化，所以卫星的线速度 不是增大为原来的 2 倍，而是减小到原来的。a 错，d 正确。2 2 同理，当卫星的轨道半径增大为原来的 2 倍时，由于线速度的变化，卫星所需的向心 力不是减为原来的 12，而是减小到原来的 14。b 错。c 正确。 答案：答案：c、d 说明：说明：（1）物体做匀速圆周运动时，线速度、角速度、向心加速度、向心力和轨道半 径间有一定的牵制关系。 （2）只有当不变时，线速度才与半径成正比；同样，当线速度不变时，同一物体 的向心力才与半径成反比。使用中不能脱离条件。 （3）研究卫星的运动时，最根本的是抓住引力等于向心力这一关系。 （4）选用关系式判断某个物理量的变化情况时，一定要分清哪些是不变的量，哪些是 变化的量。 例 3. 在某行星上一昼夜时间为 t6h，若弹簧秤在其“赤道”上比在其“两极”处测同 一物体受到的重力时，示数减小 10%，设想该行星自转角速度增加到某一数值时，在“赤 道”上的物体会自动“飘”起来，试求这时行星的自转周期 t/。 解析：解析：行星表面上的物体要随地球做自转运动，在“赤道”上称物体时，物体实际上 是在万有引力和弹簧秤拉力的作用下做匀速圆周运动，轨道半径等于行星的半径。在“两 极”称物体时，弹簧秤的拉力等于万有引力。这里“示数减小 10%” ，其含义是指示数减小 值与两极示数之比是 10%。 根据题意，是先在“两极”处测，后在“赤道”上测，则 在两极处： 1 2 0 gmm f r 在赤道处： 2 2 22 4gmm fmr rt 且有 12 1 10% ff f 用心 爱心 专心 物体“飘”起时有 2 2/2 4gmm mr rt 解得： / 111.897tth 讨论：讨论：若在“两极”处比在“赤道”上测同一物体，读数增加 10%，则 12 1 10% ff f 例 4. 用 m 表示地球同步卫星的质量 h 表示它离开地面的高度，r0表示地球的半径，g0 表示地球表面处的重力加速度，表示地球的自转角速度，则同步卫星所受的地球的万有 0 引力大小有 a. 0b. 2 2 000 ()mg rrh c. d. 以上都不对 324 00 mr g 解析：解析：同步卫星的角速度等于地球的自转角速度，地球的万有引力充当向心力。地球 表面处的万有引力等于重力： 在地球表面处： 0 2 0 mm gmg r 在离地面 h 高处， 2 0 () mm fg rh 2 0 2 0 () () n mm ffgm rh rh 由得： 2 2 000 ()fmg rrh 由得：。 4 3 000 fm r g 答案：答案：b、c 【模拟试题模拟试题】 （答题时间：（答题时间：4040 分钟）分钟） 1. 两个卫星的质量分别为 m1和 m2，绕地球运行的轨道半径分别是 r1和 r2，若它们只受 地球的引力作用，那么这两个卫星的向心加速度之比为 （ ） a. l b. c. d. 2 1 1 2 m r m r 1 2 2 1 m r m r 2 2 2 1 r r 2. 关于第一宇宙速度，下面说法正确的是 （ ） a. 它是人造地球卫星绕地球飞行的最大速度 b. 它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度 用心 爱心 专心 c. 它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度 d. 它是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度 3. 1999 年 11 月 21 日，我国第一艘飞船“神舟”号搭载不少特殊“乘客”安然归来， 这标志着我国搭载飞船的试验顺利完成，为以后发射载人飞船打下了良好的基础，据悉飞 船除搭载有纪念意义的国旗外，还搭载不少植物种子，为我国农业科学研究提供了便利条 件。飞船进入正常运行轨道后，因特殊情况而降低了轨道的高度，那么飞船的线速度将 （ ） a. 增大b. 减小c. 保持不变d. 无法判断 4. 在太空运行了 15 年的俄罗斯“和平号”轨道空间站已于 2000 年 3 月 23 日坠毁， 其残骸洒落在南太平洋预定海域。坠毁前，因受高空稀薄空气阻力和地面控制作用的影响， 空间站在绕地球运转（可看作圆周运动）的同时逐渐地向地球靠近，这个过程中空间站运 动的 （ ） a. 角速度逐渐减小b. 线速度逐渐减小 c. 加速度逐渐减小d. 周期逐渐减小 5. 地球同步卫星是相对于地面不动的人造地球卫星，下面说法正确的是 （ ） a. 它可以在地面上任一点的正上方，且离地心的距离可按人的需要选择不同的数值 b. 它可以在地面上任一点的正上方，但离地心的距离是一定的 c. 它只能在地球赤道的正上方，但离地心的距离可按人的需要选择不同的数值 d. 它只在地球赤道的正上方，且离地心的距离是一定的 6. 设地面附近重力加速度为 g0，地球半径为 r0，人造地球卫星圆形轨道半径为 r，那么 以下说法正确的是 （ ） a. 卫星在轨道上向心加速度大小为 22 00 g rr b. 卫星运行速度大小为 2 00 g rr c. 卫星运行的角速度大小为 32 00 rg r d. 卫星运行的周期为 32 00 2rg r 7. 地球同步卫星距地面高度为 h，地球表面的重力加速度为 g，地球半径为 r，地球自 转的角速度为，那么同步卫星绕地球转动的线速度为 （ ） a. b. ()vrh()vrgrh c. d. ()vr grh 2 3 vr g 8. 地球赤道上有一物体随地球的自转而做圆周运动，所受的向心力为 f1，向心加速度 为 a1，线速度为 v1，角速度为；绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星（高度忽略）所 1 受的向心力为 f2，向心加速度 a2，线速度为 v2，角速度为，地球同步卫星所受的向心 2 力为 f3，向心加速度为 a3，线速度为 v3，角速度为；地球表面重力加速度为 g，第一宇 3 宙速度为 v，假设三者质量相等，则 （ ） a. f1f2f3 b. a1a2=ga3 用心 爱心 专心 c. vlv2vv3 d. 1 2 3 9. 飞船以的加速度匀加速上升，由于超重现象，用弹簧秤测得质量为 l0kg 的物 2 g a 体重量为 75n，由此可知，飞船所处位置距地面高度为 。 （地球半径为 6400km，地面的 重力加速度为 g10ms2） 10. 若取地球的第一宇宙速度为 8kms，某行星的质量是地球的 6 倍，半径是地球的 1.5 倍，这行星的第一宇宙速度约为 。 11. 1990 年 3 月，紫金山天文台将 1965 年 9 月 20 日发现的第 2752 号小行星命名为吴 健雄星（吴健雄是美藉华裔实验物理学家，诺贝尔物理奖获得者） 。该小行星的直径为 32km，密度与地球相同。若将此小行星和地球均看成质量分布均匀的球体，且已知地球半 径 r6400km。地球的第一宇宙速度约为 8103ms，求此小行星上的第一宇宙速度多大。 12. 月球质量是地球质量的 181，半径是地球的 0.27 倍，在月球附近 30m 高处，以速 度 v10ms 平抛一物体，经多长时间落到月球上?平抛的水平距离有多大? 13. 2003 年 10 月 15 日早上 9 点，我国自行研制的载人飞船“神舟”五号成功发射，至 l0 月 16 日早上安全着陆；飞船的成功发射实现了中国载人航天飞行的梦想。飞船在运行 过程中，它在离地面高度为 h=3.4105m 的圆轨道上运行了 2l 小时。 计算在这段时间内“神舟”五号绕地球运行了多少圈? （地球半径 r6.37106m，重力加速度 g10ms2结果保留整数） 用心 爱心 专心 试题答案试题答案 1. d2. abc3. a4. d5. d 6. abd7. acd8. d9. 6400km10. 16km/s 11. 20m/s12. 6s 60m13. 14 圈 用心 爱心 专心 惧猛驰烛翟荔处堡侧轩累等诛昂侯殊担苑贞呆喘鞠诣泣磋闽陈兼圈母柔冉愉桐奠郴砌泄很撇护断芥汝滩审候荷磨犬疤呀蚀静钮蔓每重奴桩贷