《宇宙航行》万有引力与宇宙航行课件

1、4.宇 宙 航 行4.宇 宙 航 行一、第一宇宙速度【思考】如图,把物体水平抛出,如果速度足够大,物体就不再落到地面,它将绕地球运动,成为地球的人造卫星,是什么力使物体绕地球运动?一、第一宇宙速度提示:地球与物体之间的万有引力。提示:地球与物体之间的万有引力。(1)物体绕地球速度推导:物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动,万有引力提供物体运动所需的向心力,有 =m ,由此解出:v=_(m地为地球质量,r为物体做圆周运动的半径)。(2)数值:已知地球的质量,近似用地球半径R代替r,算出v= =_,这就是物体在地球附近做匀速圆周运动的速度,叫作第一宇宙速度。7.9 km/s(1)物体绕地球速度推导:

2、物体绕地球的运动可视作匀7.9 k二、第二宇宙速度当飞行器的速度等于或大于_时,它就会克服地球的引力,永远离开地球,我们把_叫作第二宇宙速度。11.2 km/s11.2 km/s二、第二宇宙速度11.2 km/s11.2 km/s三、第三宇宙速度在地面附近发射飞行器,如果要使其挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系外,必须使它的速度等于或大于_,这个速度叫作第三宇宙速度。16.7 km/s三、第三宇宙速度16.7 km/s一第一宇宙速度的定性分析和定量计算任务1 第一宇宙速度的定性分析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必须具备的速度,即近地卫星的环绕速度。一第一宇宙速度

3、的定性分析和定量计算2.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。3.“最小发射速度”:如果发射速度低于第一宇宙速度,因为受到地球引力作用,发射出去的卫星就会再回到地球上,所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。2.决定因素:由第一宇宙速度的计算式v= 可以看4.“最大环绕速度”:在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中,近地卫星的轨道半径最小,由 可得 轨道半径越小,线速度越大,所以在这些卫星中,近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。4.“最大环绕速度”:在所有环绕地球做匀速圆周运动【思

4、考讨论】在100200 km高度飞行的地球卫星,能说在地面附近飞行吗?为什么?(科学思维)提示:可以。因为100200 km与地球半径6 400 km相比,可以忽略。【思考讨论】【典例示范1】 (多选)关于第一宇宙速度,以下叙述正确的是()A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B.它是近地圆轨道上人造卫星运行的速度C.它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度D.它是人造卫星发射时的最大速度【典例示范1】 (多选)关于第一宇宙速度,以下叙述正确的是【解析】选B、C。第一宇宙速度是指卫星围绕天体表面做匀速圆周运动的线速度,满足关系 即v= ,且由该式知,它是最大环绕速度;卫星发射得越高,需要的发

5、射速度越大,故第一宇宙速度等于最小发射速度,选项B、C正确。【解析】选B、C。第一宇宙速度是指卫星围绕天体表任务2 第一宇宙速度的定量计算方法1.根据星球表面的重力加速度可计算它的第一宇宙速度,依据是mg=m 。2.根据星球的近地卫星的运动情况可计算它的第一宇宙速度,依据是 任务2 第一宇宙速度的定量计算方法【典例示范2】 已知某星球的质量是地球的n倍,半径是地球的k倍,地球的第一宇宙速度为v,则该星球的第一宇宙速度为()A.v B.v C.v D.nkv【典例示范2】 已知某星球的质量是地球的n倍,半径【解析】选A。对于地球: ;对于星球: ,解以上两式得: v1=v 。【解析】选A。对于地

6、球: ;对于星球:【素养训练】1.(多选)第一宇宙速度是物体在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的速度,则有()A.被发射的物体质量越大,第一宇宙速度越大B.被发射的物体质量越小,第一宇宙速度越大C.第一宇宙速度与被发射物体的质量无关D.第一宇宙速度与地球的质量有关【素养训练】【解析】选C、D。第一宇宙速度v1= ,与地球质量M有关,与发射物体质量无关。故选项C、D正确。【解析】选C、D。第一宇宙速度v1= ,与地球质量2.若取地球的第一宇宙速度为8 km/s,某行星的质量是地球的6倍,半径是地球的1.5倍,此行星的第一宇宙速度约为()A.16 km/sB.32 km/sC.4 km/s D.

7、2 km/s2.若取地球的第一宇宙速度为8 km/s,某行星的质量是地球【解析】选A。由 因为行星的质量M是地球质量M的6倍,半径R是地球半径R的1.5倍,即M=6M,R=1.5R。由 得v=2v=28 km/s=16 km/s。【解析】选A。由 因为行【补偿训练】已知地球自转的角速度为7.2910-5 rad/s,月球到地球中心的距离为3.84108 m,在地球表面发射卫星的第一宇宙速度为7.9103 m/s,第二宇宙速度为11.2 103 m/s,第三宇宙速度为16.7103 m/s,假设地球上有一棵苹果树长到了接近月球那么高,则当苹果脱离苹果树后,将()【补偿训练】A.落向地面B.成为地

8、球的同步“苹果卫星”C.成为地球的“苹果月亮”D.飞向茫茫宇宙A.落向地面【解析】选D。v=r=3.841087.2910-5 m/s 2.8104 m/s16.7103 m/s,故苹果将飞向茫茫宇宙。【解析】选D。v=r=3.841087.2910-5二人造地球卫星任务1 人造地球卫星的轨道特点1.卫星运动遵循的规律:卫星绕地球沿椭圆轨道运动时,地心在椭圆的一个焦点上,卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。二人造地球卫星2.卫星轨道的圆心:卫星绕地球沿圆轨道运动时,因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,而万有引力指向地心,所以地心必定是卫星圆轨道的圆心。2.卫星轨道的圆

9、心:卫星绕地球沿圆轨道运动时,因为地球对卫星3.卫星的轨道:卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星),可以通过两极上空(极地轨道卫星),也可以和赤道平面成任一角度,如图所示。3.卫星的轨道:卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)【思考讨论】人造地球卫星按怎样的轨道运行,谁提供向心力?(物理观念)【思考讨论】提示:人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,由地球对它的万有引力提供向心力,地球对卫星的万有引力指向地心。提示:人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,由地球对它的万有引力【典例示范1】 如图所示,有关人造地球卫星轨道的正确说法有()A.a、b、c均可能是卫星轨道B.卫星轨道只可能是aC.a

10、、b均可能是卫星轨道 D.b可能是同步卫星的轨道【典例示范1】 如图所示,有关人造地球卫星轨道的正确说法【解析】选C。地球卫星围绕地球做匀速圆周运动,圆心是地球的地心,所以凡是地球卫星,轨道面必定经过地球中心,所以a、b均可能是卫星轨道,c不可能是卫星轨道,故A、B错误,C正确;同步卫星的轨道必定在赤道平面内,所以b不可能是同步卫星的轨道,故D错误。【解析】选C。地球卫星围绕地球做匀速圆周运动,圆心是地球的地任务2 地球同步卫星1.地球同步卫星:位于地球赤道上方,相对于地面静止不动,它的角速度跟地球的自转角速度相同,广泛应用于通信,又叫同步通信卫星。任务2 地球同步卫星2.地球同步卫星的特点:

11、项目内容周期一定与地球自转周期相同,即T=24 h=86 400 s角速度一定与地球自转的角速度相同高度一定卫星离地面高度h=r-R6R(为恒量)速度大小一定v= =3 km/s(为恒量)2.地球同步卫星的特点:项目内容周期一定与地球自转周期相同,项目内容向心加速度大小一定a=0.23 m/s2轨道平面一定轨道平面与赤道平面共面项目内容向心加速度大小一定a=0.23 m/s2轨道平面一定【典例示范2】 (多选)“静止”在赤道上空的地球同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面,为天气预报提供准确、全面和及时的气象资料。设地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍,下列说法中正确的是()【典例示范2

12、】 (多选)“静止”在赤道上空的地球同步气象A.同步卫星距地面的高度是地球半径的(n-1)倍B.同步卫星运行速度是第一宇宙速度的 C.同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转获得的速度的 D.同步卫星的向心加速度是地球表面重力加速度的 (忽略地球的自转效应)A.同步卫星距地面的高度是地球半径的(n-1)倍【解析】选A、B。地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍,所以同步卫星距地面的高度是地球半径的(n-1)倍,A正确。由万有引力提供向心力得 第一宇宙速度v= ,所以同步卫星运行速度是第一宇宙速度的 ,B正确。同步卫星与地球赤道上的物体具有相同的角速度,根据v=r知,同【解析】选A、B。地球

13、同步卫星的轨道半径是地球半步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转的速度的n倍,C错误。根据 =ma,得a= ,则同步卫星的向心加速度是地球表面重力加速度的 ,D错误。步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转的速【素养训练】1.(多选)地球的质量为M,半径为R,自转角速度为,万有引力常量为G,地球表面的重力加速度为g,同步卫星距地面的距离为h,则同步卫星的线速度大小为()A.(R+h)B. C.R D. 【素养训练】【解析】选A、B。同步卫星与地球同步做匀速圆周运动,则由线速度定义可得:v= =(R+h);由于地球的引力提供向心力,让同步卫星做匀速圆周运动,则有: ;解之得:v= ;当忽略

14、地球自转时,由黄金代换式:g= ,可得:v=R ,由于本题没有说明是否忽略地球自转,故A、B正确,C、D错误。【解析】选A、B。同步卫星与地球同步做匀速圆周运2.已知地球质量为M,自转周期为T,万有引力常量为G。将地球视为半径为R、质量分布均匀的球体,不考虑空气的影响。若把一质量为m的物体放在地球表面的不同位置,由于地球自转,它对地面的压力会有所不同。(1)若把物体放在北极的地表,求该物体对地表的压力F1的大小;2.已知地球质量为M,自转周期为T,万有引力常量为G。将地球(2)若把物体放在赤道的地表,求该物体对地表的压力F2的大小;(3)若把物体放在赤道的地表,请你展开想象的翅膀,假想地球的自

15、转不断加快,当该物体刚好“飘起来”时,求此时地球的“一天”T的表达式。(2)若把物体放在赤道的地表,求该物体对地表的压力F2的大小【解析】(1)当物体放在北极的地表时,万有引力与支持力相平衡,有:F1= 根据牛顿第三定律,该物体对地表的压力F1=F1= (2)当物体放在赤道的地表时,万有引力与支持力的合力提供向心力,有: 【解析】(1)当物体放在北极的地表时,万有引力与支持力相平衡F2= 根据牛顿第三定律,该物体对地表的压力F2=F2= (3)物体刚好“飘起来”时,即F2=0,则有: 解得T=2 答案: (1) (2) (3)T=2 F2= 【补偿训练】将地球看作质量均匀分布的球体,在其上空有

16、许多同步卫星,下列说法中正确的是()A.它们的质量可能不同B.它们的角速度可能不同C.它们的向心加速度可能不同D.它们离地心的距离可能不同【补偿训练】【解析】选A。所谓地球同步卫星,是相对地面静止且和地球有相同周期、角速度的卫星。同步卫星定位于赤道的正上方,离地面的高度约为3.6104 km。因此所有同步卫星离地心的距离均相同,向心加速度也相同。【解析】选A。所谓地球同步卫星,是相对地面静止且和地球有相同【拓展例题】考查内容:地球同步卫星与赤道上物体的比较【典例示范】同步卫星离地心的距离为r,运行速率为v1,加速度为a1,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2,第一宇宙速度为v2,地球半

17、径为R,则()【拓展例题】考查内容:地球同步卫星与赤道上物体的【正确解答】选D。同步卫星的角速度与赤道上的物体随地球自转的角速度相同,所以 选项A、B错;对于同步卫星, 所以 对于近地卫星, 所以 C错,D对。【正确解答】选D。同步卫星的角速度与赤道上的物体【课堂回眸】【课堂回眸】有时候，人太清醒反而觉得累，觉得不快乐，但是想要学会装糊涂还真是难。不要等到人生垂暮，才想起俯拾朝花，且行且珍惜。你可能在一个人面前一文不值，却在另一个人面前是无价之宝。谨记自己的价值所在。路再远，也有尽头;苦再深，也会结束，只要不放弃，就有希望。只是，在漫漫的长途中跋涉，在深深的痛苦中挣扎，我们常常为环境所迫，被困

18、难所迷惑，放弃了希望，厌倦了生活，觉得路越走越窄，苦越来越深。其实，窄的不是路，是思想与感情，深的不是苦，是感受与心情，路边是路，苦中有甜，看得是你自己。许多人，不是擦肩，就是错过，总是无缘;许多事，不是无能，就是无情，总是无缘。人生，就是一次艰辛的旅行，得意时，顿生许多豪情，期盼着，浏览更多美好的风景;失意时，凭添许多伤心，渴望着，走出困境摆脱愁情。人生所有的一切，得意也好，失意也罢，圆满很少，完美不多，人如此，事这样，如意很少。人生，有许多无奈，好多人或事，明明喜欢，偏偏不能;明明热爱，恰恰不能;生活，有许多无能，好多事情，明明讨厌，常常不做不行;明明厌倦，往往不做不成。想做的不能，想说的

19、不行;不愿做的，却又不能，不想说的，就是不行。我们就是这样无奈，无能。何时，能随心如愿，给心身最大的自由，那该多好。这个世界有两件事我们不能不做：一是赶路，二是停下来看看自己是否拥有一份好心态。好心态是人们一生中的好伴侣，让人愉悦和健康。人生感悟：要有阳光般的心态。没有爱的生活就像一片荒漠，赠人玫瑰，手有余香“学会爱别人，其实就是爱自己”，让爱如同午后阳光，温暖每个人的心房。人生感悟：学会爱别人多去尊重理解别人，常怀宽容和感激之心，宽容是一种美德，是一种智慧，海纳百川才有了海的广阔，感激你的朋友，是他们给了你帮助：感激你的敌人，是让你变得坚强。人生感悟：懂得宽容和感恩。管好自己的嘴，讲话不要只

20、顾一时痛快信口开河，“良言一句三冬暖，伤人一语六月寒”说话要用脑子。不扬人恶，自然能化敌为友。人生感悟：切记祸从口出！人情、人情，人之常情，要乐善好施，常与交往，“平时多烧香，急时有人帮”，所以，“人情要多储存，就像银行存款，存的越多，时间越长，红利就越大。人生感悟：多储存人情。遇事不要急躁！不要急于下结论特别是生气的时候做决断，要学会换位思考，或者等一等，大事化小，小事化了。把复杂的事情尽量简单处理，千万不要把简单的事情复杂化。人生感悟：遇事莫急躁！真正学会知足。人生最大的烦恼是从没有意义的比较开始，大千世界总有比如你的和比你强的人，“当我哭泣没鞋穿的时候，我发现有人却没脚”。人生感悟：真正

21、学会知足。如果敌人让你生气，那说明你还有胜他的把握，根本不必回头去看咒骂你的人是谁。如果有一条疯狗咬你一口，难道你也要趴下去反咬它一口吗？人生感悟：不和小人生气计较。别把工作当负担，既然目前改不了行，也没有更好的选择，与其生气埋怨，不如积极快乐的去面对。当你把工作当做生活和艺术时，你就会享受到生活的乐趣。人生感悟：享受工作的快乐。人活着一天就是福气，就该珍惜，人生短短几十年，不要给自己留下更多的遗憾。日出东海落西山，愁也一天，喜也一天；遇事不钻牛角尖，人也舒坦，心也舒坦。人生感悟：珍惜自己的生活。1.人生就像蒲公英，看似自由，却往往身不由己。生活没有如果，只有结果，自己尽力了，努力了，就好。有

22、的人像WIFI热点，即使远了，但是只要你没改密码，再相见的时候也会自动连上，只是改不改密码，也是人家的事了。要么敢爱敢恨快意人生，要么没心每肺扮傻到底，别让自己活成了那种，懂得很多道理却过不好这一生的人。成大事的人，往往做小事也认真，而做小事不认真的人，往往也做不成大事。看别人不顺眼，其实是自已的修养不够。人生在世，顺少逆多，一辈子不容易，千万不要总是跟别人过不去，更不要跟自已过不去。如果是一堆苹果，有好有坏，你就应该先吃好的，把坏的扔掉，如果你先吃坏的，好的也会变坏，你将永远吃不到好的，人生亦如此。人，总爱跟别人比较，看看有谁比自己好，又有谁比不上自己。而其实，为你的烦恼和忧伤垫底的，从来不是别人的不幸和痛苦，而是你自己的态度。学习中经常取得成功可能会导致更大的学习兴趣，并改善学生作为学习的自我概念