足校高一第三章第三节飞向太空(包括变轨及双星问题)

1、嫦嫦娥娥奔奔月月敦煌的飞天壁画敦煌的飞天壁画第三节第三节 飞向太空飞向太空 2、中国是火箭的故乡，早、中国是火箭的故乡，早在在12世纪的南宋时期，火箭就已世纪的南宋时期，火箭就已被用于战争。古代的火箭，它是被用于战争。古代的火箭，它是利用火药燃烧向后急速喷出的气利用火药燃烧向后急速喷出的气体产生的反作用力，使火箭向前体产生的反作用力，使火箭向前射出的。射出的。 1、人类要飞向太空，就必、人类要飞向太空，就必须挣脱地球的吸引力，摆脱地须挣脱地球的吸引力，摆脱地球的吸引力首要的条件就是必球的吸引力首要的条件就是必须获得足够大的速度，而火箭须获得足够大的速度，而火箭能为人们提供这样高的速度。能为人们

2、提供这样高的速度。飞向太空的桥梁飞向太空的桥梁火箭火箭 俄国科学家俄国科学家齐奥尔齐奥尔科夫斯基科夫斯基是现代火箭是现代火箭的奠基人，他研究了的奠基人，他研究了火箭运动的原理和液火箭运动的原理和液体火箭推进及喷射理体火箭推进及喷射理论。而火箭的发展又论。而火箭的发展又为空间探测提供了桥为空间探测提供了桥梁，并使人类遨游太梁，并使人类遨游太空梦想成真。空梦想成真。现代的火箭现代的火箭火箭火箭是运载工具，发射卫星是运载工具，发射卫星 导弹导弹是火箭是火箭+ +制导系统制导系统+ +弹头弹头 火箭弹火箭弹= =火箭火箭+ +弹头弹头（没有制导系统）（没有制导系统） 人类遨游太空梦想成真人类遨游太空梦

3、想成真19571957年年1010月月4 4日日前苏联借助多级火箭，前苏联借助多级火箭，发射了第一颗人造地发射了第一颗人造地球卫星，标志着人类球卫星，标志着人类对太空的探索进入了对太空的探索进入了航天时代。航天时代。第一颗人造地球卫星第一颗人造地球卫星19611961年年4 4月月1212日日前苏联宇航员前苏联宇航员加加林成为世加加林成为世界飞入太空的界飞入太空的第一人第一人首次载人航天首次载人航天19691969年年7 7月月2020日日美国宇航员阿美国宇航员阿姆斯特朗乘坐姆斯特朗乘坐“阿波罗阿波罗”1111号飞船，成为号飞船，成为人类踏上月球人类踏上月球的第一人的第一人阿波罗登月阿波罗登月

4、阿姆斯特朗：阿姆斯特朗：“我的一小步，人类的一大步我的一小步，人类的一大步”19811981年年4 4月月1212日日世界第一架航世界第一架航天飞机天飞机-美国美国“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机发号航天飞机发射成功射成功第一架航天飞机第一架航天飞机航天飞机发射瞬间航天飞机发射瞬间19711971年年4 4月月9 9日日前苏联前苏联“礼炮礼炮”1 1号空间站成为人号空间站成为人类进入太空的第类进入太空的第一个空间站。两一个空间站。两年后，美国将年后，美国将“天空实验室天空实验室”空间站送入太空空间站送入太空空间站空间站19671967年年4 4月，前苏月，前苏联宇航员科马洛联宇航员科马洛夫乘坐的

5、夫乘坐的“联盟联盟- -1”1”号飞船着陆时号飞船着陆时因降落未打开飞因降落未打开飞船坠毁船坠毁, ,航天员身航天员身亡亡 19861986年年1 1月月2828日日美国航天飞机美国航天飞机“挑战者挑战者”号号在升空在升空7373秒后秒后爆炸爆炸20032003年年1010月月1515日，日，我国首位航天员杨我国首位航天员杨利伟乘坐神舟五号利伟乘坐神舟五号载人飞船升空载人飞船升空 嫦娥探月卫星嫦娥探月卫星例例1 1：如图所示，是如图所示，是”嫦嫦娥一号奔月娥一号奔月”示意图，卫示意图，卫星发射后通过自带的小型星发射后通过自带的小型火箭多次变轨，进入地月火箭多次变轨，进入地月转移轨道，最终被月球

6、引转移轨道，最终被月球引力捕获，成为绕月卫星，力捕获，成为绕月卫星，并开展对月球的探索，下并开展对月球的探索，下列说法正确的是：列说法正确的是：、发射发射“嫦娥一号嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度的速度必须达到第三宇宙速度、在绕月轨道上，卫星周期与卫星质量有关在绕月轨道上，卫星周期与卫星质量有关、卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比、在绕月轨道上，卫星受地球的引力大于受月球的引力在绕月轨道上，卫星受地球的引力大于受月球的引力答案：答案：在地球周围的轨道是由近及远地变轨，且是通过加速来变轨，而月球周围的轨道是由远及近地变轨，且是通过减速

7、来变轨一、变轨问题一、变轨问题先将卫星发射到离地面较近的圆轨道先将卫星发射到离地面较近的圆轨道上，运行稳定后在位置上，运行稳定后在位置B启动发动启动发动机短暂加速，由于速度变大，万有引机短暂加速，由于速度变大，万有引力提供的向心力不足，卫星将沿椭圆力提供的向心力不足，卫星将沿椭圆轨道轨道做离心运动，当卫星将沿椭圆做离心运动，当卫星将沿椭圆轨道运动到椭圆轨道的远地点轨道运动到椭圆轨道的远地点A时，时，再次启动火箭短暂加速，卫星再次变再次启动火箭短暂加速，卫星再次变轨绕圆轨道轨绕圆轨道做匀速圆周运动做匀速圆周运动一、变轨问题一、变轨问题P点变轨：通过加速，使点变轨：通过加速，使F万万F需，卫星由圆

8、周运动变为离心运动；需，卫星由圆周运动变为离心运动；PQQ点变轨：通过加速，使点变轨：通过加速，使F万万=F需，卫星由近心运动变为圆周运动。需，卫星由近心运动变为圆周运动。A在轨道在轨道上经过上经过A的速度大于经过的速度大于经过B的速度的速度B在轨道在轨道上经过上经过A的速度小于在轨道的速度小于在轨道上经过上经过A的速度的速度C在轨道在轨道上经过上经过A的加速度大于在轨道的加速度大于在轨道上经过上经过A的加速度的加速度D在轨道在轨道上经过上经过A的加速度小于在轨道的加速度小于在轨道上经过上经过A的加速度的加速度例例2.2010江苏卷江苏卷 2009年年5月，航天飞机在完成对哈勃空月，航天飞机在

9、完成对哈勃空间望远镜的维修任务后，在间望远镜的维修任务后，在A点从圆形轨道点从圆形轨道进入椭圆进入椭圆轨道轨道，B为轨道为轨道上的一点，如图所示，关于航天飞上的一点，如图所示，关于航天飞机的运动，下列说法中正确的有机的运动，下列说法中正确的有()B显示轨迹线显示轨迹线隐藏轨迹线隐藏轨迹线二、二、“双（子）星双（子）星”问题：问题：“双星双星” 由两颗绕着共同的中心点旋转的恒星组成。由两颗绕着共同的中心点旋转的恒星组成。（1 1）. .两颗恒星做圆周运动的两颗恒星做圆周运动的半径半径与两与两 恒星间的恒星间的距离距离有什么关系？有什么关系？（2 2）. .两恒星的两恒星的周期周期、角速度角速度有

10、什么关系？有什么关系？（3 3）. .两颗恒星各自做圆周运动的两颗恒星各自做圆周运动的向心力向心力 由什么力提供？二者有何关系？由什么力提供？二者有何关系？思考：思考：二、二、“双星双星”问题：问题：2121TT（3 3）双星的向心力）双星的向心力：（1 1）两星间的距离：）两星间的距离：21rr L1.1.双星运动的特点：双星运动的特点：F向向1=F向向2Om1m2r r2 2r1（2 2）双星角速度、周期）双星角速度、周期: :（3 3）双星的向心力）双星的向心力：（1 1）两星间的距离：）两星间的距离：二、二、“双星双星”问题：问题：（1）告诉我们半径与距离的区别，因此在写F万和F向时注

11、意；（2）告诉我们为什么要用角速度来表示向心力公式2 2、双星运动的规律：、双星运动的规律：对对m1:对对m2:Om1m2r r2 2r122121rr）（ mmG121rm 22121rr）（ mmG222rm 思考：双星做圆周运动的轨道半径与质量的关系？线速度思考：双星做圆周运动的轨道半径与质量的关系？线速度与质量的关系？若与质量的关系？若m1m2 ,则则r1和和v1会出现什么情况？会出现什么情况？强调：在列式前一定要明确你研究的是哪个恒星，从而强调：在列式前一定要明确你研究的是哪个恒星，从而在右式中带入这颗恒星的相关物理量在右式中带入这颗恒星的相关物理量.121221rmLmmG2222

12、21rmLmmG2211rmrm(轨道半径和线速度均与质量成反比轨道半径和线速度均与质量成反比)Lrr21F万=F向记住：解答记住：解答“双星双星”问题要抓住两个相等，即双星的运问题要抓住两个相等，即双星的运动周期相等，向心力大小相等动周期相等，向心力大小相等 例例3.(20123.(2012重庆高考重庆高考) )冥王星与其附近的另一冥王星与其附近的另一星体卡戎可视为双星系统，质量比约为星体卡戎可视为双星系统，质量比约为7171，同时绕它们连线上某点同时绕它们连线上某点O O做匀速圆周运动。由做匀速圆周运动。由此可知，冥王星绕此可知，冥王星绕O O点运动的点运动的( )( )A A轨道半径约为

13、卡戎的轨道半径约为卡戎的1/71/7B B角速度大小约为卡戎的角速度大小约为卡戎的1/71/7C C线速度大小约为卡戎的线速度大小约为卡戎的7 7倍倍D D向心力大小约为卡戎的向心力大小约为卡戎的7 7倍倍A地球地球F万=F向F万=F向3. “卫星卫星” 与与“双星双星” 的的区别区别思路相同思路相同M Mm mO1m2mrTmmrrmvmarMmG222224 rTmmrrmvmarMmG222224 =mgF万=F向F万=F向两个恒星都在做圆周运动，没有两个恒星都在做圆周运动，没有中心天体，可以分别对两个恒星中心天体，可以分别对两个恒星列方程，注意距离和半径的区别列方程，注意距离和半径的区

14、别3. “卫星卫星” 与与“双星双星” 的的区别区别121221rmLmmG222221rmLmmG只有环绕天体在做圆周运动，中心天只有环绕天体在做圆周运动，中心天体不动，因此只对环绕天体用向心力体不动，因此只对环绕天体用向心力公式列方程，且距离和半径相等公式列方程，且距离和半径相等规律对比：环绕天体的规律对比：环绕天体的v、T、g均只与轨道半径（和中心天体的质均只与轨道半径（和中心天体的质量）有关，与环绕天体质量无关。量）有关，与环绕天体质量无关。因果关系：双星的因果关系：双星的、T总相等，总相等，而而v、r与自身的质量成反比。即与自身的质量成反比。即双星中双星中m决定决定r、v,而卫星中而

15、卫星中r决定决定v、T、g，与卫星的质量无关。，与卫星的质量无关。r r2 2r1r三、失重和超重现象三、失重和超重现象(1)(1)卫星进入轨道前加速过程，卫星上物体超重卫星进入轨道前加速过程，卫星上物体超重. .(3)(3)卫星返回时，向下做减速运动，因此加速度向上，卫星上卫星返回时，向下做减速运动，因此加速度向上，卫星上物体超重。物体超重。(2)(2)卫星进入轨道后正运转时，卫星具有的加速度等于轨道处卫星进入轨道后正运转时，卫星具有的加速度等于轨道处的重力加速度，因此卫星上物体完全失重的重力加速度，因此卫星上物体完全失重. . 1. 在某星球表面的上抛或平抛运动求重力加速度： （1）.以初

16、速度v0 在星球竖直上抛: （2）.以初速度v0 在星球平抛: 2. 天体环绕运动时可用万有引力定律求g：四、求重力加速度问题四、求重力加速度问题解决此类问题的关键点是用不同的思路求重力加速度g，重力加速度是联系抛体和天体运动的桥梁。通过平抛或上抛求g以及通过万有引力定律求gt=2v0/g只能用来求地只能用来求地面的重力加速面的重力加速度或利用地面度或利用地面的重力加速度的重力加速度进行黄金代换进行黄金代换都是万有引都是万有引力充当向心力充当向心力列式求解力列式求解注意注意GM=gR2 式中式中g与与R的相互对应的相互对应 （正如（正如v、，T与与r有对应关系）有对应关系）五、思路概括五、思路概括1.在地时在地时2.近地时近地时3