高中物理（情景切入+课前导读+问题探究+知能演练）第6章 第5节 宇宙航行同步辅导与检测课件 新人教版必修2.ppt

第五节宇宙航行 嫦娥三号 卫星简称 嫦娥三号 是嫦娥绕月探月工程计划中嫦娥系列的第三颗人造绕月探月卫星 嫦娥三号 要携带探测器在月球着陆 实现月面巡视 月夜生存等重大突破 开展月表地形地貌与地质构造 矿物组成和化学成分等探测活 动 根据中国探月工程三步走的规划 中国将在2013年前后进行首次月球软着陆探测和自动巡视勘察 1 了解人造卫星的有关知识 知道其运动规律 2 知道三个宇宙速度的含义 会推导第一宇宙速度 3 了解人类探索宇宙的成就 课前预习 一 人造卫星1 牛顿对人造卫星原理的描绘 设想在高山上有一门大炮 水平发射炮弹 初速度越大 水平射程就越大 可以想象 当初速度 时 这颗炮弹将不会落到地面 将和月球一样成为地球的一颗人造地球卫星 2 人造卫星绕地球运行的动力学原因 人造卫星在绕地球运行时 只受到地球对它的万有引力作用 人造卫星做圆周运动的向心力由 提供 足够大 万有引力 二 宇宙速度1 的速度 叫做第一宇宙速度 也叫地面附近的环绕速度 2 近地卫星的轨道半径为 r 万有引力提供向心力 则有 从而第一宇宙速度为 v km s 3 第二宇宙速度的大小为 如果在地面附近发射飞行器 发射速度7 9km s v 11 2km s 则它绕地面运行的轨迹是 4 第三宇宙速度的大小为 即若在地面附近发射一个物体 使物体能够挣脱太阳引力的束缚 飞到太阳系外 则必须使它的速度等于或大于第三宇宙速度 16 7km s 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动 r 7 9 11 2km s 椭圆 人造卫星的轨道有什么特点 卫星运行时有哪些规律 1 卫星的轨道 卫星绕地球运行的轨道可以是椭圆轨道 也可以是圆轨道 卫星绕地球沿椭圆轨道运行时 地心是椭圆的一个焦点 其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律 卫星绕地球沿圆轨道运行时 由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运行的向心力 而万有引力指向地心 所以 地心必须是卫星圆轨道的圆心 卫星的轨道平面可以在赤道平面内 如同步卫星 也可以和赤道平面垂直 还可以和赤道平面成任一角度 如图所示 2 运行规律 人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动 地球对卫星的万有引力提供向心力 设卫星的轨道半径为r 线速度大小为v 角速度为 周期为t 向心加速度为a 3 卫星变轨 在人造卫星的运行过程中 由中心天体对卫星的万有引力充当向心力 当万有引力恰好充当向心力时 卫星在原轨道上运动 若所需向心力大于或小于万有引力时 卫星就会脱离原轨道 发生变轨 名师提示 人造地球卫星的运动情况 线速度 角速度 周期等 是由其轨道半径r唯一决定的 与卫星自身的质量等因素无关 在轨道半径 线速度 角速度和周期这四个物理量中 当一个量发生变化时 另外三个量会同时发生变化 1 当卫星速度变小时 由f向 m知其绕行所需向心力减小 但万有引力提供的向心力不变 故卫星轨道半径减小 2 当卫星速度变大时 其绕行所需向心力增加 但万有引力提供的向心力不变 故卫星做离心运动 轨道半径增加 尝试应用 1 人造卫星以地心为圆心 做匀速圆周运动 关于其各物理量间的关系 下面说法正确的是 a 半径越大 速度越小 周期越小b 半径越大 速度越小 周期越大c 所有卫星的线速度均是相同的 与半径无关d 所有卫星的角速度均是相同的 与半径无关答案 b 怎样理解第一宇宙速度 怎样区分人造卫星的发射速度和绕行速度 1 第一宇宙速度的推导 2 第一宇宙速度的意义当卫星距地心的距离越远 由v 可知 运动的速度越小 所以7 9km s是人造卫星环绕地球的最大运动速度 叫第一宇宙速度 也叫环绕速度 它是发射人造卫星所必须具备的最小速度 1 如果卫星的速度小于第一宇宙速度 卫星将落到地面而不能绕地球运转 2 如果卫星的速度等于这个速度 卫星刚好能在地球表面附近做匀速圆周运动 3 如果卫星的速度大于7 9km s而小于11 2km s 卫星将沿椭圆轨道绕地球运行 地心就成为椭圆轨道的一个焦点 3 人造卫星的发射速度和绕行速度 1 发射速度是指将人造卫星送入预定轨道运行所必须具有的速度 要发射一颗人造卫星 发射速度不能小于第一宇宙速度 因此 第一宇宙速度又是最小的发射速度 卫星离地面越高 卫星的发射速度越大 贴近地球表面的卫星 近地卫星 的发射速度最小 其运行速度即第一宇宙速度 2 运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度 根据v 可知 卫星越高 半径越大 卫星的运行速度 环绕速度 就越小 名师提示 本节中的宇宙速度是指在地球上满足不同要求的发射速度 不能理解成运行速度 使物体成为卫星 7 9km s是发射卫星的最小速度 要使卫星在较高的轨道上运行 就必须使发射速度大于7 9km s 即v发 7 9km s 卫星的绕行速度v 7 9km s 即7 9km s是卫星绕地球做圆周运动的最大速度 即卫星紧 贴 地面的环绕速度 尝试应用 2 关于第一宇宙速度 下列说法中正确的是 a 它是人造地球卫星绕地球运转的最小速度b 它是人造卫星在近地圆形轨道上的远行速度c 它是能使卫星进入近地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 解析 第一宇宙速度是发射卫星的最小速度 也是卫星环绕地球做圆周运动的最大速度 离地越远 速度越小 卫星沿椭圆轨道运行时 在近地点做离心运动 说明在近地点的速度大于环绕速度 答案 bc 人造卫星的v t与r的关系 如图所示 是同一轨道平面内的三颗人造地球卫星 下列说法正确的是 a 根据v 可知vafb fcc 角速度 a b cd 向心加速度aa ab ac 名师归纳 卫星绕中心天体做匀速圆周运动时 其向心加速度a 线速度v 角速度 转速 每秒转的圈数 n和周期t都跟卫星的质量无关 但与中心天体的质量有关 不同的卫星绕同一中心天体做匀速圆周运动时 其轨道半径越大 则周期t也越大 但向心加速度a 线速度v 角速度 和转速n越小 答案 c 变式应用 1 2012年山东理综 2011年11月3日 神州八号 飞船与 天宫一号 目标飞行器成功实施了首次交会对接 任务完成后 天宫一号 经变轨升到更高的轨道 等待与 神州九号 交会对接 变轨前和变轨完成后 天宫一号 的运行轨道均可视为圆轨道 对应的轨道半径分别为r1 r2 线速度大小分别为v1 v2 则等于 答案 b 第一宇宙速度 我国已发射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速率约为 a 0 4km sb 1 8km sc 11km sd 36km s 答案 b名师归纳 处理天体运动问题 就要明确天体表面重力加速度 第一宇宙速度及天体质量与半径的关系 熟练运用这些关系去解决问题 变式应用 2 假设地球的质量不变 而地球的半径增大到原来的半径的2倍 那么从地球发射人造卫星的第一宇宙速度的大小应为原来的 答案 b 基础练 1 关于地球的第一宇宙速度 下列表述正确的是 a 第一宇宙速度又叫环绕速度b 第一宇宙速度又叫脱离速度c 第一宇宙速度跟地球的质量无关d 第一宇宙速度跟地球的半径无关 答案 a 2 我国发射的 天宫一号 和 神州八号 在对接前 天宫一号 的运行轨道高度为350km 神州八号 的运行轨道高度为343km 它们的运行轨道均视为圆周 则 a 天宫一号 比 神州八号 速度大b 天宫一号 比 神州八号 周期长c 天宫一号 比 神州八号 角速度大d 天宫一号 比 神州八号 加速度大 答案 b 3 可以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线 非赤道 是共面同心圆b 与地球表面上某一经线所决定的圆是共面同心圆c 与地球表面上的赤道线是共面同心圆 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同心圆 但卫星相对地球表面是运动的 解析 人造卫星飞行时 由于地球对卫星的引力是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 也就是说人造卫星所在轨道圆的圆心一定要和地球的中心 重合 不可能是地轴上 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3 6 106米 而低于或高于这个轨道的卫星也可以在赤道平面内运动 不过由于它们自转的周期和地球自转周期不同 就会相对于地面运动 答案 cd 4 一颗人造地球卫星以初速度v发射后 恰可绕地球表面做匀速圆周运动 若使发射速度为2v 则该卫星可能 a 绕地球做匀速圆周运动 周期变大b 绕地球运动 轨道变为椭圆c 不绕地球运动 成为太阳系的人造卫星d 挣脱太阳引力的束缚 飞到太阳系以外的宇宙 解析 本题考查宇宙速度知识 若以v发射 卫星恰绕地球表面做匀速圆周运动 则v 7 9km s 该速度为第一宇宙速度 即环绕速度 以2v发射 该速度大于第二宇宙速度 小于第三宇宙速度 故此卫星将摆脱地球引力的束缚 成为太阳系的人造行星 故选c 答案 c 5 一人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动 假如该卫星变轨后做匀速圆周运动 动能减小为原来的1 2 不考虑卫星质量的变化 则变轨前后卫星的 a 向心加速度大小之比为4 1b 角速度大小之比为2 1c 周期之比为1 8d 轨道半径之比为1 2 答案 c 6 2008年9月27日 神舟七号 宇航员翟志刚顺利完成出舱活动 他的第一次太空行走标志着中国航天事业全新时代的到来 神舟七号 绕地球近似做匀速圆周运动 其轨道半径为r 若另有一颗卫星绕地球做匀速圆周运动的半径为2r 则可以确定 a 卫星与 神舟七号 的加速度大小之比为1 4b 卫星与 神舟七号 的线速度大小之比为1 c 翟志刚出舱后不再受地球引力d 翟志刚出舱任务之一是取回外挂的实验样品 假如他不小心将实验样品脱手 则样品将做自由落体运动 答案 ab 提高练 7 2011年4月10日 我国成功发射第8颗北斗导航卫星 建成以后北斗导航系统将包含多颗地球同步卫星 这有助于减少我国对gps导航系统的依赖 gps由运行周期为12小时的卫星群组成 设北斗导航系统的同步卫星和gps导航卫星的轨道半径分别为r1和r2 向心加速度分别为a1和a2 则r1 r2 a1 a2 可用根式表示 8 卫星电话信号需要通过地球同步卫星传送 如果你与同学在地面上用卫星电话通话 则从你发出信号至对方接收到信号所需最短时间最接近于 可能用到的数据 月球绕地球运动的轨道半径约为3 8 km 运行周期约为27天 地球半径约为6400km 无线电信号的传播速度为3 m s a 0