高中物理第5章万有引力与航天5.4飞出地球去课件沪科版必修2.ppt

第5章 5 4飞出地球去 学习目标1 知道三个宇宙速度的含义 会推导第一宇宙速度 2 认识同步卫星的特点 3 了解人造卫星的相关知识和我国卫星发射的情况以及人类对太空的探索历程 内容索引 自主预习梳理 重点知识探究 当堂达标检测 自主预习梳理 一 宇宙速度1 牛顿的设想 如图1所示 把物体水平抛出 如果速度 物体就不再落回地面 它将绕地球运动 成为 图1 足够大 人造地球卫星 2 三个宇宙速度 7 9 地面附近 匀速圆周运动 11 2 地球 16 7 太阳 最小 二 为了和平与进步1 1957年10月4日成功发射了第一颗人造地球卫星 2 1961年4月12日 前苏联空军少校进入 东方一号 载人飞船 铸就了人类进入太空的丰碑 3 1969年7月 美国 阿波罗11号 飞船登上 4 2003年10月15日 我国 神舟五号 宇宙飞船发射成功 把中国第一位航天员送入太空 前苏联 加加林 月球 杨利伟 1 判断下列说法的正误 1 第一宇宙速度是发射卫星的最小速度 2 人造地球卫星的最小绕行速度是7 9km s 3 要发射一颗人造地球卫星 发射速度必须大于16 7km s 2 已知月球半径为R 月球质量为M 引力常量为G 则月球的第一宇宙速度v 重点知识探究 一 第一宇宙速度的理解与计算 1 不同天体的第一宇宙速度是否相同 第一宇宙速度的决定因素是什么 答案 答案越大 向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难 因为发射卫星要克服地球对它的引力 2 把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小 1 第一宇宙速度 第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的绕行速度 2 推导 对于近地人造卫星 轨道半径r近似等于地球半径R 6400km 卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力 取g 9 8m s2 则 3 推广 4 理解 1 最小发射速度 与 最大绕行速度 最小发射速度 向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难 因为发射卫星要克服地球对它的引力 所以近地轨道的发射速度 第一宇宙速度 是发射人造卫星的最小速度 2 发射速度与发射轨道 当7 9km s v发 11 2km s时 卫星绕地球运动 且发射速度越大 卫星的轨道半径越大 绕行速度越小 当11 2km s v发 16 7km s时 卫星绕太阳旋转 成为太阳系一颗 小行星 当v发 16 7km s时 卫星脱离太阳的引力束缚跑到太阳系以外的空间中去 例1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 9km s 则该探月卫星绕月运行的最大速率约为A 0 4km sB 1 8km sC 11km sD 36km s 答案 解析 解析星球的第一宇宙速度即为围绕星球做圆周运动的轨道半径为该星球半径时的环绕速度 由万有引力提供向心力即可得出这一最大环绕速度 卫星所需的向心力由万有引力提供 因此B项正确 例2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 求该星球的第一宇宙速度 答案 解析 二 人造地球卫星 1 如图2所示 圆a b c的圆心均在地球的自转轴线上 b c的圆心与地心重合 d为椭圆轨道 且地心为椭圆的一个焦点 四条轨道中哪些可以作为卫星轨道 为什么 答案 答案b c d轨道都可以 因为卫星绕地球做匀速圆周运动 万有引力提供向心力 而万有引力是始终指向地心的 故卫星做匀速圆周运动的向心力必须指向地心 因此b c轨道都可以 a轨道不可以 卫星也可在椭圆轨道运行 故d轨道也可以 图2 2 地球同步卫星的轨道在哪个面上 周期是多大 同步卫星的高度和轨道面可以任意选择吗 答案 答案同步卫星是相对地面静止的卫星 必须和地球自转同步 也就是说必须在赤道面上 周期是24h 由于周期一定 故同步卫星离地面的高度也是一定的 即同步卫星不可以任意选择高度和轨道面 1 人造地球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 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 当然也存在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道 如图3所示 图3 2 地球同步卫星 1 定义 相对于地面静止的卫星 又叫静止卫星 2 特点 确定的转动方向 和地球自转方向一致 确定的周期 和地球自转周期相同 即T 24h 确定的角速度 等于地球自转的角速度 确定的轨道平面 所有的同步卫星都在赤道的正上方 其轨道平面必须与赤道平面重合 确定的高度 离地面高度固定不变 3 6 104km 确定的环绕速率 线速度大小一定 3 1 103m s 例3关于地球的同步卫星 下列说法正确的是A 同步卫星的轨道和北京所在纬度圈共面B 同步卫星的轨道必须和地球赤道共面C 所有同步卫星距离地面的高度不一定相同D 所有同步卫星的质量一定相同 答案 解析 解析同步卫星所受向心力指向地心 与地球自转同步 故卫星所在轨道与赤道共面 故A项错误 B项正确 同步卫星距地面高度一定 但卫星的质量不一定相同 故C D项错误 解决本题的关键是掌握同步卫星的特点 同步卫星定轨道 在赤道上方 定周期 与地球的自转周期相同 定速率 定高度 针对训练 多选 我国 中星11号 商业通信卫星是一颗同步卫星 它定点于东经98 2度的赤道上空 关于这颗卫星的说法正确的是A 运行速度大于7 9km sB 离地面高度一定 相对地面静止C 绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大D 向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等 答案 解析 解析 中星11号 是地球同步卫星 距地面有一定的高度 运行速度要小于7 9km s A错 其位置在赤道上空 高度一定 且相对地面静止 B正确 其运行周期为24小时 小于月球的绕行周期27天 由 知 其运行角速度比月球的大 C正确 同步卫星与静止在赤道上的物体具有相同的角速度 但半径不同 由a r 2知 同步卫星的向心加速度大 D错 当堂达标检测 1 对宇宙速度的理解 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 1 2 3 答案 解析 4 解析根据v 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 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引力束缚而成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度 选项C正确 1 2 3 4 1 2 3 4 2 对同步卫星的认识 下列关于我国发射的 亚洲一号 地球同步通讯卫星的说法 正确的是A 若其质量加倍 则轨道半径也要加倍B 它在北京上空运行 故可用于我国的电视广播C 它以第一宇宙速度运行D 它运行的角速度与地球自转角速度相同 答案 解析 1 2 3 4 同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合 即在赤道上空运行 不能在北京上空运行 B错 第一宇宙速度是卫星在最低圆轨道上运行的速度 而同步卫星在高轨道上运行 其运行速度小于第一宇宙速度 C错 所谓 同步 就是卫星保持与赤道上某一点相对静止 所以同步卫星的角速度与地球自转角速度相同 D对 3 第一宇宙速度的计算 若取地球的第一宇宙速度为8km s 某行星的质量是地球质量的6倍 半径是地球半径的1 5倍 此行星的第一宇宙速度约为A 16km sB 32km sC 4km sD 2km s 1 2 3 答案