高中物理 第6章 万有引力与航天 第5节 宇宙航行 第6节 经典力学的局限性课件 新人教版必修2.ppt

第5节宇宙航行第6节经典力学的局限性 一 宇宙速度阅读教材第44页 宇宙速度 部分 知道人造地球卫星的概念 初步了解人造地球卫星的动力学原理 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 足够大 人造地球卫星 图1 2 近地卫星的速度 7 9 3 宇宙速度 7 9 匀速 圆周 11 2 地球 16 7 太阳 最小 思维拓展1 在地球的周围 有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动 请思考 图2 1 这些卫星的轨道平面有什么特点 2 这些卫星的线速度 角速度 周期跟什么因素有关呢 2 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 3 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 答案1 1 轨道平面过地心 2 与轨道半径有关 3 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 二 梦想成真阅读教材第44 45页 梦想成真 部分 了解人类迈向太空的重大历史事件 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 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 苏联 加加林 月球 杨利伟 思维拓展宇航员在太空中离开飞船后而不落回地面 是否是由于宇航员不再受到地球的引力作用 答案不是 宇航员在太空中离开飞船后 依然绕地球运动 受到地球的引力提供向心力 三 经典力学的局限性阅读教材第48 52页内容 知道经典力学的适用范围 初步了解微观 高速领域的理论 1 从低速到高速 相对论 增大 无关 不同的 2 从宏观到微观 1 微观世界 电子 质子 中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明 而 能够正确地描述微观粒子的运动规律 2 经典力学的适用范围 只适用于 运动 不适用于 运动 只适用于 世界 不适用于 世界 量子力学 低速 高速 宏观 微观 3 从弱引力到强引力 1 1915年 爱因斯坦创立了广义相对论 这是一种新的时空与引力的理论 在强引力的情况下 牛顿的引力理论 2 当物体的运动速度远小于光速c 3 108m s 时 相对论物理学与经典物理学的结论 当另一个重要常数即 普朗克常量 6 63 10 34j s 可以忽略不计时 量子力学和经典力学的结论 不再适用 没有区别 没有区别 思考判断 1 洲际导弹的速度有时可达到6000m s 这一速度属于相对论中的高速 2 质量是物体的固有属性 任何时候都不会变 3 对于高速物体 它的质量随着速度的增加而变大 4 经典力学不适用于高速运动的物体 但适用于微观世界 5 对于宏观物体的低速运动问题 相对论 量子力学与经典力学是一致的 要点归纳 宇宙速度及其理解 1 认识第一宇宙速度 第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的速度 即近地卫星的环绕速度 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 决定因素 由第一宇宙速度的计算式v 可以看出 第一宇宙速度的值由中心天体决定 第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量m和半径r 与卫星无关 4 对发射速度和环绕速度的理解 1 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 近地轨道是人造卫星的最低运行轨道 而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度 所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度 精典示例 例1 已知地球的质量约为火星质量的10倍 地球的半径约为火星半径的2倍 则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为 a 3 5km sb 5 0km sc 17 7km sd 35 2km s 答案a 针对训练1 已知某天体的第一宇宙速度为8km s 则高度为该天体半径的3倍轨道上宇宙飞船的运行速度为 答案b 要点归纳 人造地球卫星 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提供向心力 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点上空的极地轨道 当然也存在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道 人造地球卫星的三种轨道 图3 2 卫星的线速度 角速度 周期 向心加速度与轨道半径的关系 3 地球同步卫星 1 概念 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星 叫做地球同步卫星 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 精典示例 例2 多选 三颗人造地球卫星a b c绕地球做匀速圆周运动 如图4所示 已知ma mb mc 则对于三颗卫星 正确的是 图4 a 运行线速度关系为va vb vcb 运行周期关系为ta tb tcc 向心力大小关系为fa fb fc 答案abd 针对训练2 a b c d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星 其中a c的轨道相交于p b d在同一个圆轨道上 b c轨道在同一平面上 某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图5所示 下列说法中正确的是 图5 a a c的加速度大小相等 且大于b的加速度b b c的角速度大小相等 且小于a的角速度c a c的线速度大小相等 且小于d的线速度d a c存在p点相撞的危险 答案a 要点归纳 经典力学的局限性 1 低速与高速的概念 1 低速 通常所见物体的运动 如行驶的汽车 发射的导弹 人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动 2 高速 有些微观粒子在一定条件下速度可以接近光速 这样的速度称为高速 2 速度对质量的影响 1 在经典力学中 物体的质量不随速度而改变 根据牛顿第二定律f ma知 物体在力f作用下做匀变速运动 只要时间足够长 物体的运动速度就可以增加到光速c 3 速度对物理规律的影响 对于低速运动问题 一般用经典力学规律来处理 对于高速运动问题 经典力学已不再适用 需要用相对论知识来处理 精典示例 例3 如果真空中的光速为c 3 108m s 当一个物体的运动速度为v1 2 4 108m s时 质量为3kg 当它的速度为v2 1 8 108m s时 质量为多少 思路探究 1 在高速运动问题中 物体的质量还是恒定不变的吗 2 相对论中 物体的质量与速度的关系式 m 答案2 25kg 针对训练3 下列说法正确的是 a 在经典力学中 物体的质量不随运动状态而改变 在狭义相对论中 物体的质量也不随运动状态而改变b 在经典力学中 物体的质量随运动速度的增加而减小 在狭义相对论中 物体的质量随物体速度的增大而增大c 在经典力学中 物体的质量是不变的 在狭义相对论中 物体的质量随物体速度的增大而增大d 上述说法都是错误的 解析在经典力学中 物体的质量是不变的 根据狭义相对论可知 物体的质量随物体速度的增大而增大 二者在速度远小于光速时是统一的 故选项c正确 答案c 1 天体的运行规律 多选 质量为m的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行 其运动视为匀速圆周运动 已知月球质量为m 月球半径为r 月球表面重力加速度为g 引力常量为g 不考虑月球自转的影响 则航天器的 答案ac 2 一般卫星与同步卫星 2017 西安高一检测 2015年12月 我国暗物质粒子探测卫星 悟空 发射升空进入高为5 0 102km的预定轨道 悟空 卫星和地球同步卫星的运动均可视为匀速圆周运动 已知地球半径r 6 4 103km 下列说法正确的是 图6 a 悟空 卫星的线速度比同步卫星的线速度小b 悟空 卫星的角速度比同步卫星的角速度小c 悟空 卫星的运行周期比同步卫星的运行周期小d 悟空 卫星的向心加速度比同步卫星的向心加速度小 答案c 3 地球同步卫星 利用三颗位置适当的地球同步卫星 可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯 目前 地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6 6倍 假设地球的自转周期变小 若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的 则地球自转周期的最小值约为 a 1hb 4hc 8hd 16h 答案b 4 经典力学与量子力学 关于经典力学和量子力学 下列说法中正确的是 a 不论是对宏观物体 还是微观粒子 经典力学和量子力学都是适用的b 量子力学适用于宏观物体的运动 经典力学适用于微观粒子的运动c 经典力学适用于宏观物体的运动 量子力学适用于微观粒子的运动d 上述说法都是错误的 解析经典力学适用于低速运动 宏观物体 不适用于高速运动 微观粒子 量子力学既适用于宏观物体 也适用于微观物