高中物理 6.13宇宙航行学案 新人教版必修2.doc

学案13宇宙航行1在平抛运动中，若高度一定，平抛运动的初速度越大，其水平位移_2行星做匀速圆周运动的向心力是由_提供的，它环绕太阳运行的速率v .3若卫星受到的万有引力小于它做圆周运动所需要的向心力，将做_运动；若大于所需要的向心力，将做_运动.一、宇宙速度问题情境请同学们阅读教材，思考并回答下列问题：1平抛物体的速度逐渐增大，物体的落地点如何变化？2速度达到一定值后，物体能否落回地面？3若不能，此速度必须满足什么条件？4若此速度再增大，又会出现什么现象？要点提炼关于人造地球卫星1概念当物体的_足够大时，它将会围绕_旋转而不再落回地面，成为一颗绕地球转动的_2原理：人造卫星绕地球转动的向心力等于地球对它的_3卫星的v、t与运动半径r的关系g即学即用1假如一做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍后仍做圆周运动，则()a根据公式vr，可知卫星运动的线速度将增大到原来的2倍b根据公式fmv2/r，可知卫星所需的向心力将减小到原来的1/2c根据公式fgmm/r2，可知地球提供的向心力将减小到原来的1/4d根据上述b和c中给出的公式，可知卫星运动的线速度减小到原来的2人造地球卫星的轨道半径越大，则()a速度越小，周期越小b速度越小，周期越大c速度越大，周期越小d速度越大，周期越大3人造卫星环绕地球运转的速率v ，其中g为地面处的重力加速度，r为地球半径，r为卫星离地球中心的距离下列说法正确的是()a从公式可见，环绕速度与轨道半径的平方根成反比b从公式可见，把人造卫星发射到越远的地方越容易c上面环绕速度的表达式是错误的d以上说法都错误二、三种宇宙速度的含义及推导第一宇宙速度问题情境1什么叫第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度？2请同学们根据万有引力定律和牛顿第二定律，结合圆周运动的有关知识推导第一宇宙速度要点提炼第一宇宙速度是所有人造卫星的最大环绕速度，但却是发射人造卫星的最小发射速度，即人造卫星的运行速度v7.9 km/s.不同星体上的宇宙速度是不同的，以上给出的是地球上的宇宙速度，但在计算各星球的第一宇宙速度时，公式v都是适用的，只要将m、r改成该星球的对应值即可例1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720 km，但它的密度大得惊人若某中子星的半径为10 km，密度为1.21017 kg/m3，那么该中子星上的第一宇宙速度约为()a7.9 km/s b16.7 km/sc2.9104 km/s d5.8104 km/s例2我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面已知月球的质量约为地球质量的，月球的半径约为地球半径的，地球上的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的速率约为()a0.4 km/s b1.8 km/sc11 km/s d36 km/s三、人造卫星的问题1人造卫星的轨道卫星绕地球做匀速圆周运动时由地球对它的万有引力充当向心力，地球对卫星的万有引力指向地心而做匀速圆周运动的物体的向心力时刻指向它做圆周运动的圆心因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极上空的极地轨道当然也应存在着与赤道平面成某一角度的圆轨道，只要圆心在地心，就可能是卫星绕地球运行的轨道如图1所示图1要点提炼(1)人造卫星离地面越高，即人造卫星的轨道半径越大，线速度、角速度和向心加速度越小，而周期越大(2)卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度跟卫星的质量无关，只与其运行半径(或距地高度)有关2地球同步卫星问题情境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，t24 h同步卫星一定位于赤道上方距地面高h处，且h是一定的同步卫星也叫通讯卫星设地球的质量为m，卫星的质量为m，地球的半径为r，卫星离地面的高度为h，请根据有关知识求同步卫星距地面的高度和环绕速度(t24 h86 400 s，g9.8 m/s2，r6 400 km)问题延伸在卫星发射过程中，卫星中的人和其它物体是处于超重状态还是失重状态？当卫星进入轨道以后呢？即学即用4如图2所示的圆a、b、c，其圆心均在地球的自转轴线上，b、c的圆心与地心重合，对卫星环绕地球做匀速圆周运动而言()图2a卫星的轨道可能为ab卫星的轨道可能为bc卫星的轨道可能为cd同步卫星的轨道一定为平行于b的一同心圆5如图3所示，a、b、c是大气层外的圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星，a、b质量相同且小于c的质量，下面说法中正确的是()图3ab、c的线速度大小相等且大于a的线速度bb、c的向心加速度相等且大于a的向心加速度cb、c的周期相等且大于a的周期db、c的向心力相等且大于a的向心力6同步卫星离地心距离为r，运行速率为v1，加速度为a1.地球赤道上的物体随地球自转的加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为r.则以下正确的是()a. b.()2c. d.1知识小结万有引力定律和向心力公式相结合，可以推导出卫星绕行的线速度、角速度、周期和半径的关系；记住三种宇宙速度的数值；结合航天知识可以进行实际的计算同步卫星是众多卫星当中较特殊的一种，认识它运动的特点和规律，可以用来求解很多题目2规律方法总结(1)万有引力定律应用于卫星问题，是牛顿第二定律在天体运行中的具体应用把握好万有引力定律、牛顿第二定律、匀速圆周运动及其他力学知识的综合，是解答本节问题的关键(2)公式gmg中的g是与r(即轨道半径)有关的量，而不是一个定值，只是在地球表面附近时，g的变化很小，在处理自由落体运动时，为了简化问题，把g作为定值处理了学案13宇宙航行答案课前准备区1越大2.万有引力3.离心向心课堂活动区核心知识探究一、问题情境1由平抛物体的运动规律知xv0thgt2联立可得：xv0即物体飞行的水平距离和初速度v0及竖直高度h有关；在竖直高度相同的情况下，水平距离的大小只与初速度v0有关，水平初速度越大，物体的落地点越远2当平抛的水平初速度足够大时，物体飞行的距离也很大，由于地球是一圆球体，故物体将不能再落回地面，而成为一颗绕地球运转的卫星3物体不落回地面时环绕地球做圆周运动，所受地球的引力恰好用来提供向心力，满足v.4若此速度再增大，物体不落回地面，也不再做匀速圆周运动，万有引力不能提供所需要的向心力，从而做离心运动，轨道为椭圆要点提炼1初速度地球人造地球卫星2万有引力3mm2r2即学即用1cd根据万有引力提供向心力gmm2r得v，当半径增大到原来的2倍时，v将变成原来的，将变成原来的，a错误，d正确；所需向心力即万有引力f将变成原来的，故b错误，c正确2b由mv2/r得v由m2r，得t，所以半径越大，速度越小，周期越大3a由万有引力提供向心力得m，所以v ，所以a正确式中v是环绕速度并非发射速度，所以b错误二、问题情境1人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动时所必须具有的速度叫第一宇宙速度，大小为7.9 km/s，人造卫星绕地球做椭圆轨道运动时所具有的最大运转速度叫第二宇宙速度，大小为11.2 km/s，人造卫星挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙中去时，所必须具有的速度叫第三宇宙速度，大小为16.7 km/s.2(1)由万有引力定律和牛顿第二定律，得：gm可得第一宇宙速度v m/s7.9 km/s.第一宇宙速度是卫星的最大的轨道速度，我们习惯把这样的卫星叫近地卫星当卫星的轨道半径r增大时(rr)，v将减小(2)第一宇宙速度也可根据万有引力近似等于物体的重力进行求解，得：gmg由两式得v代入数据得v7.9 km/s.例1d中子星上的第一宇宙速度即为它表面的环绕速度，由gm，得v ，又由mvr3，代入上式可得vr ，代入数据得v5.8104 km/s.例2b对于环绕地球或月球的人造卫星，其所受万有引力即为它们做圆周运动所需向心力，即gm所以v第一宇宙速度指的是最小发射速度，同时也是近地卫星的环绕速度，对于近地卫星来说，其轨道半径近似等于地球半径所以，所以v月v地7.9 km/s1.8 km/s三、2问题情境(1)由m()2r知r，由于t一定，故r不变，而rrh，h为离地面的高度，hr.又因gmgr2，代入数据t24 h86 400 s，g取9.8 m/s2，r6 400 km，得h3.6104 km.也就是说，同步卫星必须定位于赤道的正上方，离地面的高度约为3.6104 km.(2)同步卫星的环绕速度大小一定