2019-2020学年高中物理 第六章 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

1、第第5 5节宇宙航行节宇宙航行 第第6 6节经典力学的局限性节经典力学的局限性 学习目标学习目标 1.1.了解人造地球卫星的最初构想。了解人造地球卫星的最初构想。 2.2.会分析人造地球卫星的受力和运动情况。会分析人造地球卫星的受力和运动情况。 3.3.知道三个宇宙速度的含义和数值知道三个宇宙速度的含义和数值, ,会推导第一宇宙速度。会推导第一宇宙速度。 4.4.会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。 5.5.了解经典力学的发展历程和伟大成就。了解经典力学的发展历程和伟大成就。 6.6.认识经典力学的局限性和适用范围。体会科学理论总是在不断发认识经

2、典力学的局限性和适用范围。体会科学理论总是在不断发 展的。展的。 自主学习自主学习 教材提炼教材提炼 知识梳理知识梳理 速度速度 一、人造地球卫星一、人造地球卫星 1.1.概念概念 如果如果 足够大足够大, ,物体就不再落回地面物体就不再落回地面, ,它将绕地球运动它将绕地球运动, ,成为人成为人 造地球卫星。造地球卫星。 2.2.运动规律运动规律 一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做 运动。运动。 3.3.向心力来源向心力来源 人造地球卫星的向心力由地球对它的人造地球卫星的向心力由地球对它的 提供。提供。 匀速圆周匀速圆周 万有引力万有引力 7.97.9

3、地面附近地面附近 2.2.第二宇宙速度第二宇宙速度: :其大小为其大小为 km/s, km/s,如果物体的速度等于或如果物体的速度等于或 大于第二宇宙速度大于第二宇宙速度, ,它就会克服地球的引力而永远离开地球。它就会克服地球的引力而永远离开地球。 3.3.第三宇宙速度第三宇宙速度: :大小为大小为 km/s, km/s,如果物体的速度等于或大于第如果物体的速度等于或大于第 三宇宙速度三宇宙速度, ,它将挣脱太阳引力的束缚它将挣脱太阳引力的束缚, ,飞到太阳系以外的宇宙空间去。飞到太阳系以外的宇宙空间去。 11.211.2 16.716.7 三、梦想成真三、梦想成真 19571957年年101

4、0月前苏联成功发射了第一颗人造地球卫星月前苏联成功发射了第一颗人造地球卫星; ; 19691969年年7 7月美国阿波罗月美国阿波罗1111号飞船登上月球号飞船登上月球; ; 20032003年年1010月月1515日我国航天员日我国航天员 踏入太空。踏入太空。 杨利伟杨利伟 四、经典力学的局限性四、经典力学的局限性 1.1.建立基础建立基础 经典力学的基础是经典力学的基础是 , ,牛顿运动定律和万有引力定律牛顿运动定律和万有引力定律 在在 、低速、弱引力的广阔领域、低速、弱引力的广阔领域, ,取得了巨大的成就。取得了巨大的成就。 2.2.从宏观到微观从宏观到微观 经典力学的适用范围经典力学的

5、适用范围: :只适用于只适用于 运动运动, ,不适用于不适用于 运动运动; ; 只适用于只适用于 世界世界, ,不适用于不适用于 世界。世界。 牛顿运动定律牛顿运动定律 宏观宏观 低速低速 高速高速 宏观宏观微观微观 练一练练一练 1.1.(2018(2018浙江浙江6 6月学考月学考) )如图所示为如图所示为16871687年出版的年出版的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理 一书中牛顿所画草图。他设想在高山上水平抛出物体一书中牛顿所画草图。他设想在高山上水平抛出物体, ,若速度一次比一若速度一次比一 次大次大, ,落点就一次比一次远。当速度足够大时落点就一次比一次远。当速度足够大时, ,物

6、体就不会落回地面物体就不会落回地面, ,成成 为人造地球卫星。若不计空气阻力为人造地球卫星。若不计空气阻力, ,这个速度至少为这个速度至少为( ( ) ) A.7.9 km/sA.7.9 km/s B.8.9 km/s B.8.9 km/s C.11.2 km/sC.11.2 km/sD.16.7 km/sD.16.7 km/s A A 解析解析: :该速度即为第一宇宙速度该速度即为第一宇宙速度, ,同时是卫星的最小发射速度和最大环同时是卫星的最小发射速度和最大环 绕速度绕速度, ,数值上为数值上为7.9 km/s7.9 km/s。 2.2.(2019(2019浙江浙江1 1月学考月学考) )

7、据报道据报道,2018,2018年年1212月月2222日日, ,我国在酒泉卫星发射中我国在酒泉卫星发射中 心成功发射了心成功发射了“虹云工程技术验证卫星虹云工程技术验证卫星”, ,卫星环绕地球运动的周期约卫星环绕地球运动的周期约 为为1.8 h1.8 h。与月球相比。与月球相比, ,该卫星的该卫星的( ( ) ) A.A.角速度更小角速度更小 B.B.环绕速度更小环绕速度更小 C.C.向心加速度更大向心加速度更大 D.D.离地球表面的高度更大离地球表面的高度更大 C C 3.20133.2013年年1212月月2 2日发射的日发射的“嫦娥三号嫦娥三号”探月卫星经几次变轨于探月卫星经几次变轨于

8、1414日成功日成功 降落在月球表面。关于降落在月球表面。关于“嫦娥三号嫦娥三号”的说法正确的是的说法正确的是( ( ) ) A.A.“嫦娥三号嫦娥三号”在地球表面的质量与在月球表面的质量不相等在地球表面的质量与在月球表面的质量不相等 B.B.“嫦娥三号嫦娥三号”在地球表面受到的重力大小与在月球表面受到的重力大在地球表面受到的重力大小与在月球表面受到的重力大 小相等小相等 C.C.月球对月球对“嫦娥三号嫦娥三号”的引力效果是改变它的运动状态的引力效果是改变它的运动状态 D.D.“嫦娥三号嫦娥三号”绕月球运行时绕月球运行时, ,不再受重力作用不再受重力作用 C C 解析解析: :“嫦娥三号嫦娥三

9、号”的质量在地球表面和月球表面是相等的的质量在地球表面和月球表面是相等的,A,A错误。重错误。重 力是由于地球力是由于地球( (或月球或月球) )的吸引产生的的吸引产生的, ,重力的大小与物体到地球重力的大小与物体到地球( (或月或月 球球) )的距离有关的距离有关,B,D,B,D错误。引力的作用效果是改变错误。引力的作用效果是改变“嫦娥三号嫦娥三号”的运的运 动状态动状态, ,选项选项C C正确。正确。 C C 4.4.(2019(2019浙江浙江4 4月选考月选考) )某颗北斗导航卫星属于地球静止轨道卫星某颗北斗导航卫星属于地球静止轨道卫星( (即卫星即卫星 相对于地面静止相对于地面静止)

10、 )。则此卫星的。则此卫星的( ( ) ) A.A.线速度大于第一宇宙速度线速度大于第一宇宙速度 B.B.周期小于同步卫星的周期周期小于同步卫星的周期 C.C.角速度大于月球绕地球运行的角速度角速度大于月球绕地球运行的角速度 D.D.向心加速度大于地面的重力加速度向心加速度大于地面的重力加速度 D D5.5.关于经典力学和狭义相对论关于经典力学和狭义相对论, ,下列说法中正确的是下列说法中正确的是( ( ) ) A.A.经典力学既适用于低速运动经典力学既适用于低速运动, ,也适用于高速运动也适用于高速运动( (速度接近于真空中的速度接近于真空中的 光速光速) ) B.B.狭义相对论只适用于高速

11、运动狭义相对论只适用于高速运动( (速度接近于真空中的光速速度接近于真空中的光速),),不适用于不适用于 低速运动低速运动 C.C.经典力学只适用于高速运动经典力学只适用于高速运动( (速度接近于真空中的光速速度接近于真空中的光速),),不适用于低不适用于低 速运动速运动 D.D.狭义相对论既适用于高速运动狭义相对论既适用于高速运动( (速度接近于真空中的光速速度接近于真空中的光速),),也适用于也适用于 低速运动低速运动 解析解析: :经典力学只适用于低速运动经典力学只适用于低速运动, ,不适用于高速运动不适用于高速运动, ,狭义相对论是普狭义相对论是普 遍适用的遍适用的, ,故选项故选项D

12、 D正确。正确。 要点一要点一 宇宙速度宇宙速度 课堂探究课堂探究 D D 例例1 1 恒星演化发展到一定阶段恒星演化发展到一定阶段, ,可能成为恒星世界的可能成为恒星世界的“侏儒侏儒”中子中子 星。中子星的半径较小星。中子星的半径较小, ,一般在一般在7 720 km,20 km,但它的密度大得惊人。若某中但它的密度大得惊人。若某中 子星的半径为子星的半径为10 km,10 km,密度为密度为 1.21.2101017 17 kg/m kg/m3 3, ,那么该中子星上的第一宇那么该中子星上的第一宇 宙速度约为宙速度约为( ( ) ) A.7.9 km/sA.7.9 km/s B.16.7

13、km/s B.16.7 km/s C.2.9C.2.910104 4 km/s km/s D.5.8 D.5.810104 4 km/s km/s 思路探究思路探究: :(1)(1)中子星的质量中子星的质量M M怎样求出怎样求出? ? (2)(2)如何求中子星表面的重力加速度如何求中子星表面的重力加速度g g0 0? ? 规律方法规律方法 第一宇宙速度的理解与应用第一宇宙速度的理解与应用 (1)(1)第一宇宙速度又称为环绕速度第一宇宙速度又称为环绕速度, ,是卫星紧贴星球表面运行时的速度是卫星紧贴星球表面运行时的速度, , 是发射卫星的最小速度是发射卫星的最小速度, ,是卫星运行的最大速度。是

14、卫星运行的最大速度。 针对训练针对训练1:1:某人在一星球上以速度某人在一星球上以速度v v0 0竖直向上抛出一物体竖直向上抛出一物体, ,经时间经时间t t后物后物 体落回手中。若星球的半径为体落回手中。若星球的半径为R,R,那么至少要用多大的速度将物体从星球那么至少要用多大的速度将物体从星球 表面抛出表面抛出, ,才能使物体不再落回星球表面才能使物体不再落回星球表面( ( ) )B B 要点二人造地球卫星的运行规律要点二人造地球卫星的运行规律 C C 例例2 2 如图所示如图所示,a,b,c,a,b,c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地 球卫星

15、球卫星,a,b,a,b质量相同质量相同, ,且小于且小于c c的质量的质量, ,则则( ( ) ) A.b,cA.b,c周期相等周期相等, ,且小于且小于a a的周期的周期 B.bB.b所需向心力最大所需向心力最大 C.b,cC.b,c向心加速度相等向心加速度相等, ,且小于且小于a a的向心加速度的向心加速度 D.b,cD.b,c的线速度大小相等的线速度大小相等, ,且大于且大于a a的线速度的线速度 思路探究思路探究: :(1)(1)人造地球卫星的向心力由什么力提供人造地球卫星的向心力由什么力提供? ? (2)(2)人造地球卫星运动的周期和线速度与哪些因素有关人造地球卫星运动的周期和线速度

16、与哪些因素有关? ? 答案答案:(1):(1)地球的引力。地球的引力。 (2)(2)轨道半径轨道半径r r。 规律方法规律方法 卫星模型卫星模型 卫星的运行量卫星的运行量( (线速度、加速度、周期等线速度、加速度、周期等) )是由卫星的运行轨道半径决是由卫星的运行轨道半径决 定的定的, ,运行轨道半径越大运行轨道半径越大, ,线速度越小线速度越小, ,周期越大周期越大, ,加速度越小。加速度越小。 针对训练针对训练2:2:“北斗北斗”卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星( (同步卫星同步卫星) )、 中轨道卫星和倾斜同步卫星组成中轨道卫星和倾斜同步卫星组成. .

17、地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆 轨道上运行轨道上运行, ,它们距地面的高度分别约为地球半径的它们距地面的高度分别约为地球半径的6 6倍和倍和3.43.4倍倍. .下列说下列说 法正确的是法正确的是( ( ) ) A A 要点三卫星变轨问题要点三卫星变轨问题 B B 例例33 宇宙飞船在轨道上运行宇宙飞船在轨道上运行, ,由于地面指挥人员发现某一火箭残体的轨由于地面指挥人员发现某一火箭残体的轨 道与飞船轨道有一交点道与飞船轨道有一交点, ,通知宇航员某一时间飞船有可能与火箭残体相遇。通知宇航员某一时间飞船有可能与火箭残体相遇。 宇航员随即开动飞船上的发动机使

18、飞船加速宇航员随即开动飞船上的发动机使飞船加速, ,脱离原轨道脱离原轨道, ,关于飞船的运关于飞船的运 动动, ,下列说法正确的是下列说法正确的是( ( ) ) A.A.飞船高度降低飞船高度降低 B.B.飞船高度升高飞船高度升高 C.C.飞船周期变小飞船周期变小 D.D.飞船的向心加速度变大飞船的向心加速度变大 思路探究思路探究: :(1)(1)宇航员随即开动飞船上的发动机使飞船加速宇航员随即开动飞船上的发动机使飞船加速, ,飞船开始飞船开始 做什么运动做什么运动? ? (2)(2)飞船在新的轨道上做圆周运动时飞船在新的轨道上做圆周运动时, ,其半径如何变化其半径如何变化? ?随之带来的运随之

19、带来的运 行量如何变化行量如何变化? ? 答案答案:(1):(1)飞船做离心运动飞船做离心运动, ,轨道半径增大。轨道半径增大。 (2)(2)飞船在半径更大的新的轨道上做圆周运动飞船在半径更大的新的轨道上做圆周运动, ,由于半径变大由于半径变大, ,飞船飞飞船飞 行的线速度减小行的线速度减小, ,周期增大周期增大, ,加速度减小。加速度减小。 解析解析: :当宇宙飞船加速时当宇宙飞船加速时, ,它所需向心力增大它所需向心力增大, ,因此飞船做离心运动因此飞船做离心运动, , 轨道半径增大轨道半径增大, ,由此知选项由此知选项A A错误错误,B,B正确正确;r;r增大增大,T,T增大增大,a,a

20、变小变小, ,故选项故选项 C,DC,D错误。错误。 误区警示误区警示 卫星变轨的原因分析卫星变轨的原因分析 (1)(1)当卫星受到的万有引力不足以提供卫星做圆周运动所需的向心力当卫星受到的万有引力不足以提供卫星做圆周运动所需的向心力 时时, ,卫星将做离心运动卫星将做离心运动, ,当卫星受到的万有引力大于做圆周运动所需的当卫星受到的万有引力大于做圆周运动所需的 向心力时向心力时, ,卫星将进入较低的椭圆轨道上运动卫星将进入较低的椭圆轨道上运动, ,做近心运动。做近心运动。 B B 针对训练针对训练3:3:19701970年成功发射的年成功发射的“东方红一号东方红一号”是我国第一颗人造地球卫是

21、我国第一颗人造地球卫 星星, ,该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运动。如图所示该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运动。如图所示, ,设卫星在近地点、设卫星在近地点、 远地点的速度分别为远地点的速度分别为v v1 1,v,v2 2, ,近地点到地心的距离为近地点到地心的距离为r,r,地球质量为地球质量为M,M,引力常引力常 量为量为G G。则。则( ( ) ) 课堂达标课堂达标 1.1.关于宇宙速度的说法关于宇宙速度的说法, ,正确的是正确的是( ( ) ) A.A.第一宇宙速度是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大速度第一宇宙速度是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大速度 B.B.第一宇宙速度是地球同步卫星的发

22、射速度第一宇宙速度是地球同步卫星的发射速度 C.C.人造地球卫星运行时的速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间人造地球卫星运行时的速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间 D.D.第三宇宙速度是物体逃离地球的最小速度第三宇宙速度是物体逃离地球的最小速度 A A 解析解析: :第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度, ,同时也是人造地同时也是人造地 球卫星做匀速圆周运动的最大速度球卫星做匀速圆周运动的最大速度, ,故选项故选项A A正确正确,B,C,B,C错误错误; ;第二宇宙第二宇宙 速度是物体逃离地球的最小速度速度是物体逃离地球的最小速度, ,选项选项

23、D D错误。错误。 2.2.火星探测器在地球上发射后向火星运动火星探测器在地球上发射后向火星运动, ,最终绕火星做匀速圆周运动最终绕火星做匀速圆周运动, , 则其发射速度可以是下列的哪些数据则其发射速度可以是下列的哪些数据( ( ) ) A.A.等于或小于等于或小于11.2 km/s11.2 km/s B.B.一定大于一定大于16.7 km/s16.7 km/s C.C.介于介于11.2 m/s11.2 m/s16.7 m/s16.7 m/s D.D.介于介于11.2 km/s11.2 km/s16.7 km/s16.7 km/s D D 解析解析: :火星位于太阳系之内地球之外火星位于太阳系之内地球之外, ,因此其发射速度介于第二宇宙因此其发射速度介于第二宇宙 速度和第三宇宙速度之间速度和第三宇宙速度之间, ,故选项故选项D D正确。正确。 3.3.我国高分系列卫星的高分辨对地观察能力不断提高我国高分系列卫星的高分