福建省高中物理第一轮总复习 第4章第5讲人造卫星宇宙速度课件鲁科版 新课标.ppt

人造卫星宇宙速度 第四章 一 人造卫星1 牛顿的设想 当物体抛出的速度足够大时 物体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卫星 2 原理 卫星绕地球转动时 提供向心力 即 其中r为卫星到地心的距离 3 同步卫星 又称静止卫星 周期 角速度与地球自转的周期 角速度相同 所有的同步卫星t 24h 万有引力 二 宇宙速度1 第一宇宙速度 v1 7 9km s 理论上人造卫星的最小的发射速度 以此速度发射的人造卫星近地面运行 轨道半径为地球半径 同时 该速度又是最大环绕速度 2 第二宇宙速度 v2 11 2km s 以此速度发射的人造卫星摆脱地球的吸引 成为绕太阳转动的人造天体 因此又称为脱离速度 3 第三宇宙速度 v3 16 7km s 以此速度发射的人造卫星摆脱太阳的吸引 因此又称为逃逸速度 学会建立天体匀速圆周运动模型1997年8月26日 在日本举行的国际学术交流会上 德国maxplank学会的一个研究组宣布了他们的研究成果 银河系的中心可能存在一个 大黑洞 黑洞是某些天体的最后演变结果 1 根据长期观测发现 距离某 黑洞 r 6 0 1012m的另一个星体 设其质量为m2 以v 2 0 106m s的速度绕 黑洞 旋转 求该 黑洞 的质量m1 结果要求保留两位有效数字 2 根据天体物理学知识 物体从某天体上的逃逸速度公式为 其中引力常量g 6 67 10 11n m2 kg2 其中m为天体质量 r为天体的半径 且已知逃逸速度大于真空中光速的天体叫 黑洞 请估算 1 中 黑洞 可能的最大半径 结果要求保留一位有效数字 该题中情景属于天体围绕 黑洞 做匀速圆周运动 其向心力由 黑洞 对天体的万有引力提供 1 根据万有引力定律有 得m1 代入数据得m1 3 6 1035kg 2 设黑洞的可能半径为r 质量为m1 依题意 应满足c 因此r 黑洞可能的最大半径rmax 处理天体运动问题时 往往需要建立匀速圆周运动模型 做匀速圆周运动的对象 质点运行轨道半径 圆心位置及向心力来源等 在神舟七号上 翟志刚整个出舱活动持续时间25分23秒 此时神舟七号在离地高度为h 3 4 105m的圆轨道上 求在这段时间内航天员绕行地球多少角度 地球半径为r 6 37 106m 重力加速度g取10m s2 全面 准确理解第一宇宙速度的物理意义1990年3月 中国紫金山天文台将1965年9月20日发现的第2752号小行星命名为 吴健雄星 其直径2r2 32km 如果该小行星的密度与地球的密度相同 则对该小行星而言 第一宇宙速度为多少 已知地球的半径为r1 6400km 地球的第一宇宙速度v1 8km s 设地球和 吴健雄星 的质量分别为m1 m2 由于两个星球密度相等 故有 得设星球第一宇宙速度为v 根据万有引力定律和牛顿运动定律得 得 地球和吴健雄星的第一宇宙速度之比为 因此吴健雄星的第一宇宙速度为 人造卫星的第一宇宙速度即为卫星贴近地球表面近地运行的最大速度 应用时可将该定义迁移应用于其他星体的第一宇宙速度 嫦娥二号 卫星于2010年10月1日发射 它的绕月飞行轨道由 嫦娥一号 时的200公里高度降低到了100公里 如果 嫦娥二号 卫星在近地点600km处通过发动机短时点火 实施变轨 变轨后卫星从远地点高度12万余公里的椭圆轨道进入远地点高度37万余公里的椭圆轨道 直接奔向月球 则卫星在近地点变轨后的运行速度 a 小于7 9km sb 大于7 9km s 小于11 2km sc 大于11 2km sd 大于11 2km s 小于16 7km s 7 9km s是第一宇宙速度 是卫星在地面附近做匀速圆周运动所具有的线速度 当卫星进入地面附近的轨道速度大于7 9km s而小于11 2km s时 卫星将沿椭圆轨道运行 当卫星的速度等于或大于11 2km s时就会脱离地球的吸引 不再绕地球运行 11 2km s被称为第二宇宙速度 嫦娥二号 变轨后仍沿椭圆轨道绕地球运动 故b正确 有关地球同步卫星的计算我国发射的亚洲一号通信卫星的质量为m 如果地球半径为r 自转角速度为 地球表面重力加速度为g 则关于亚洲一号卫星的说法中错误的是 a 距地面高h b 轨道速度v c 受到地球引力为mgd 受到地球引力为 由万有引力提供向心力 则 又gm gr2 解得h r a正确 由v r h 得 v b正确 由和及gm gr2得f d正确 设同步卫星所在处重力加速度为g 则有mg 而地球上的物体 有mg 因此 同步卫星受地球引力的大小为mg mg c错 选c 要熟练掌握各个物理量与轨道半径的关系 下列关于地球同步通信卫星的说法中 正确的是 a 为避免通信卫星在轨道上相撞 应使它们运行在不同的轨道上b 通信卫星定点在地球上空某处 各个通信卫星的角速度相同 但线速度大小可以不同c 不同国家发射通信卫星的地点不同 这些卫星轨道不一定在同一平面内d 通信卫星只能运行在赤道上空某一恒定高度上 飞船中的超失重问题随着航天技术的发展 人类已经实现了载人航天飞行 2003年10月15日 我国成功发射了 神舟 五号载人宇宙飞船 火箭全长58 3m 起飞总重量479 8t 火箭点火竖直升空时 仪器显示航天员对座舱的最大压力等于他体重的5倍 飞船进入轨道后 神舟 五号环绕地球飞行14圈约用时21h 宇航员多次在舱内飘浮起来 假定飞船运行轨道是圆形轨道 地球半径r 6 4 106m 地面重力加速度g 10m s2 计算结果取两位有效数字 1 试分析航天员在舱内 飘浮起来 的现象产生的原因 2 求火箭点火发射时 火箭的最大推力 3 估算飞船运行轨道距离地面的高度 1 飞船进入轨道绕地球做匀速圆周运动 地球对航天员的引力全部提供航天员所需的向心力 处于完全失重状态 故产生 飘浮起来 的现象 2 对航天员受力分析 设座舱对他的支持力为n 他的质量为m 最大加速度为a 由牛顿第二定律 n mg ma 由题知n 5mg 故a 4g对火箭整体受力分析 设最大推力为f 由牛顿第二定律 f mg ma所以f m g a 5mg 5 479 8 103 10n 2 399 107n 2 4 107n 3 由题知运行周期t s 5400s 5 4 103s由 又gm地 r2g 由 得h r 3 2 105m 弄清超失重现象的条件 某物体在地面上受到的重力为160n 将它置于宇宙飞船中 当宇宙飞船以a g 2的加速度加速上升时 在某高度处物体对飞船中支持面的压力为90n 试求此时宇宙飞船离地面的距离是多少 已知地球半径r 6 4 103km g 10m s2 1 最近 科学家在望远镜中看到太阳系外某一恒星附近有一颗行星 并测得它围绕该恒星运行一周所用时间为1200年 它与该恒星的距离为地球到太阳距离的100倍 假定该行星绕恒星运行的轨道和地球绕太阳运行的轨道都是圆周 仅利用以上数据可以求出的量有 a 恒星质量与太阳质量之比b 恒星密度与太阳密度之比c 行星质量与地球质量之比d 行星密度与地球密度之比 基础训练 a 基础训练 2 黑洞是具有强大引力又不易观察的天体 2001年10月22日 欧洲航天局由卫星观测发现银河系中心存在一个超大型黑洞 命名为mcg6 30 15 假定银河系中心仅此一个黑洞 已知太阳系绕银河系中心做匀速圆周运动 下列哪一组数据可以估算该黑洞的质量 引力常数已知 a 太阳的质量和太阳到mcg6 30 15的距离b 太阳的运行速度和太阳到mcg6 30 15的距离c 太阳的质量和运行速度d 地球绕太阳公转的周期和速度 基础训练 b 基础训练 3 关于航天飞机与空间站对接问题 下列说法正确的是 a 先让航天飞机与空间站在同一轨道上 然后让航天飞机加速 即可实现对接b 先让航天飞机与空间站在同一轨道上 然后让航天飞机减速 即可实现对接c 先让航天飞机进入较低轨道 然后再对其进行加速 即可实现对接d 先让航天飞机进入较高轨道 然后再对其进行加速 即可实现对接 基础训练 c 解析 航天飞机在轨道运行时 若突然对其加速时地球对飞机的万有引力不足以提供航天飞机绕地球做圆周运动的向心力 航天飞机就会做离心运动 反之若减速则做近心运动 所以选项a b d的措施不可能实现对接 基础训练 4 某一物体在地球表面用弹簧秤称得重160n 把该物体放在航天器中 若航天器以加速度a g0 2 g0为地球表面处重力加速度 竖直上升 这时再用同一弹簧秤称得物体的视重为90n 忽略地球自转的影响 已知地球半径为r 求此航天器距地面的高度 提升训练 提升训练 5 2007年4月24日 欧洲科学家宣布在太阳系之外发现了一颗可能适合人类居住的类地行星gliese581c 这颗围绕红矮星gliese581运行的星球有类似地球的温度 表面可能有液态水存在 距离地球约为20光年 直径约为地球的1 5倍 质量约为地球的5倍 绕红矮星gliese581运行的周期约为13天 假设有一艘宇宙飞船绕该星球表面附近轨道运行 下列说法正确的是 提升训练 a 飞船在gliese581c表面附近运行的周期约为13天b 飞船在gliese581c表面附近运行时的速度大于7 9km sc 人在gliese581c上所受重力比在地球上所受重力小d gliese581c的平均密度比地球平均密度小 解析 根据宇宙飞船在该星球表面的运行参数与地球的近地面卫星的运行参数进行对比 可做出判断 提升训练 答案 b 6 一组太空人乘坐太空穿梭机去修理位于离地球表面6 0 105m高的圆形轨道上的哈勃太空望远镜h 机组人员使穿梭机进入与h相同的轨道并关闭助推火箭 而望远镜则在穿梭机前方数公里处 设g为引力常量 m为地球质量 已知地球半径为6 4 106m 1 在穿梭机内一质量为70kg的太空人的视重是多少 提升训练 2 计算轨道上重力加速度 穿梭机在轨道上的速率和周期 3 穿梭机首先进入半径较小的轨道 才有较大的角速度以超过前方的望远镜 试判断穿梭机在要进入较低轨道时应增加还是减小其原有速率 说明理由 提升训练 提升训练 7 已知地球同步卫星离地面的高度约为地球半径的6倍 若某行星的平均密度为地球平均密度的一半 它的同步卫星距其表面的高度是其半径的2 5倍 则该行星的自转周期约为 a 6小时b 12小时c 24小时d 36小时 提升训练 b 提升训练 8 兴趣小组成员共同协作完成了下面的两个实验 1 当飞船停留在距x星球一定高度的p点时 正对着x星球发射一个激光脉冲 经时间t1后收到反射回来的信号 此时观察x星球的视角为 如图