2020高中物理 第六章 万有引力与航天 第5节 宇宙航行课件 新人教版必修2

第六章万有引力与航天第五节宇宙航行•素养目标定位※知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度※能运用万有引力定律及匀速圆周运动的规律解决卫星运动的有关问题※感知人类探索宇宙的梦想，培养献身科学的人生价值观•素养思维脉络课前预习反馈•1．牛顿的设想•如图所示，当物体的__________足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕地球转动的________________。知识点1人造地球卫星初速度人造地球卫星2．原理一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做____________运动，向心力由地球对它的____________提供，即GMmr2＝_________，则卫星在轨道上运行的线速度v＝GMr。匀速圆周万有引力mv2r知识点2宇宙速度数值意义第一宇宙速度________km/s卫星在地球表面附近绕地球做________________的速度第二宇宙速度_________km/s使卫星挣脱________引力束缚的最小地面发射速度第三宇宙速度_________km/s使卫星挣脱________引力束缚的________地面发射速度7.9匀速圆周运动11.2地球16.7太阳最小•1957年10月________成功发射了第一颗人造卫星；•1969年7月美国“阿波罗11号”登上________；•2003年10月15日我国航天员__________踏入太空。•2008年9月27日我国航天员__________太空行走；•2013年6月20日我国航天员__________首次太空授课。知识点3梦想成真苏联月球杨利伟翟志刚王亚平•『判一判』•(1)第一宇宙速度是发射卫星的最小速度。()•(2)无论从哪个星球上发射卫星，发射速度都要大于7.9km/s。()•(3)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10km/s。()•(4)人造地球卫星离地面越高，运动速度越小。()•(5)如果在地面发射卫星的速度大于11.2km/s，卫星会永远离开地球。()辨析思考√××√√•『选一选』•2013年6月11日，“神舟十号”飞船在酒泉卫星发射中心发射升空，航天员王亚平进行了首次太空授课。在飞船进入圆形轨道环绕地球飞行时，它的线速度大小()•A．等于7.9km/s•B．介于7.9km/s和11.2km/s之间•C．小于7.9km/s•D．介于7.9km/s和16.7km/s之间C解析：卫星在圆形轨道上运动的速度v＝GMr。由于rR，所以vGMR＝7.9km/s，C正确。『想一想』某小报登载：×年×月×日，×国发射了一颗质量为100kg，周期为1h的人造环月球卫星。一位同学记得月球半径约为地球的14，月球表面重力加速度约为地球的16，经过推理，他认定该报道是则假新闻，他的判断正确吗？(地球半径约为6.4×103km)•答案：正确。解析：万有引力提供向心力GMmR2＝m4π2T2R又GMmR2＝mg得Tmin＝2πR月g月＝2π14R地16g地＝2π3R地2g地＝2π3×6.4×1062×9.8s＝6.2×103s≈1.72h。环月卫星最小周期约为1.72h，故该报道是则假新闻。课内互动探究探究一人造地球卫星•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：•(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？1提示：(1)卫星的向心力是由地球的万有引力提供，故所有卫星的轨道平面都经过地心；(2)由GMmr2＝mv2r＝mω2r＝m4π2T2r可知，卫星的线速度、角速度、周期等与其轨道半径有关。•1．卫星的轨道•(1)卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道。•(2)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。•(3)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动的向心力，而万有引力指向地心，所以地心必须是卫星圆轨道的圆心。•(4)三类人造地球卫星轨道：•A．赤道轨道：卫星轨道在赤道所在平面上，卫星始终处于赤道上方；•B．极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星经过两极上空；•C．一般轨道：卫星轨道和赤道成一定角度。如图所示。特别提醒：不管卫星沿一个什么样的轨道运动，地心一定处于卫星轨道所在的平面上。2．人造卫星问题的分析思路(1)卫星的动力学规律由万有引力提供向心力GMmr2＝ma向＝mv2r＝mω2r＝m4π2rT2(2)卫星的各物理量随轨道半径变化的规律规律GMmr2＝r＝R地＋hmv2r→v＝GMr→v∝1rmω2r→ω＝GMr3→ω∝1r3m4π2T2r→T＝4π2r3GM→T∝r3ma→a＝GMr2→a∝1r2越高越慢mg＝GMmR2地近地时→GM＝gR2地•3．卫星中的超重与失重•(1)超重：发射时加速上升过程；返回大气层时减速降低过程。•(2)失重：卫星进入轨道后，卫星本身和其中的人、物都处于完全失重状态。•(3)卫星中失效的物理仪器：凡工作条件或原理与重力有关的仪器都不能使用。•(多选)(2019·云南省腾冲市第八中学高一下学期期中)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(图中未画出)，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道位于同一平面。某时刻四颗人造卫星的运行方向及位置如图所示。下列说法中正确的是()•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，且大于d的线速度•D．a、c存在相撞危险AC典例1•解题指导：万有引力提供向心力是解决卫星问题的核心，正确选用向心力的不同表达式是解题的关键。解析：a、c的轨道相交于P，说明两颗卫星的轨道半径相等，根据GMmr2＝ma可知，a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度，选项A正确。根据GMmr2＝mω2r可知，b的角速度小于a、c的角速度，选项B错误。根据GMmr2＝mv2r可知，a、c的线速度大小相等，且大于d的线速度，选项C正确。由于a、c的轨道半径相等，周期相等，不存在相撞危险，选项D错误。•〔对点训练1〕如图所示，有关地球人造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a•C．a、b均可能是卫星轨道•D．b可能是同步卫星的轨道•解析：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，故D错误。C探究二宇宙速度•发射卫星，要有足够大的速度才行，请思考：•(1)对于不同轨道的卫星，哪一颗卫星最容易发射呢？这颗卫星的环绕速度与发射速度有什么关系？•(2)如何求得第一宇宙速度？2提示：(1)轨道越低的卫星，更容易发射，故近地卫星最容易发射，发射后不需要升空，因此近地卫星的环绕速度与其发射速度相等；(2)第一宇宙速度等于近地卫星的环绕速度，根据万有引力提供向心力，求出近地卫星的环绕速度即可。1．第一宇宙速度(环绕速度)(1)大小：由GMmr2＝mv21r得：v1＝GMr＝7.9km/s或由mg＝mv21R得：v1＝gR＝7.9km/s。(2)物理意义：第一宇宙速度也叫做地面附近的环绕速度，是使人造卫星能绕地球做匀速圆周运动的最小发射速度；也是人造卫星绕地球做匀速圆周运动时的最大运行速度；也可理解为紧贴地面的运行速度。•2．第二宇宙速度(脱离速度)•(1)大小：v2＝11.2km/s•(2)物理意义：卫星脱离地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度。•3．第三宇宙速度(逃逸速度)•(1)大小：v3＝16.7km/s•(2)物理意义：卫星脱离太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小发射速度。•特别提醒：(1)第一宇宙速度是最大环绕速度，也是最小发射速度。•(2)当在地面上以7.9km/sv11.2km/s的速度发射卫星时，该卫星的轨道是椭圆，地球位于椭圆的一个焦点上。•(3)三个宇宙速度分别为在三种不同情况下在地面附近的最小发射速度。•(2019·河南省洛阳市高一下学期期中)2019年1月3日“嫦娥四号”探测器首次在月球背面软着陆，开展原位和巡视探测，让月球背面露真颜，设想嫦娥四号登月飞船贴近月球表面做匀速圆周运动，发射的月球车在月球软着陆后，自动机器人在月球表面上沿竖直方向以初速度v0抛出一个小球，测得小球经时间t落回抛出点，已知月球半径为R，万有引力常量为G，月球质量分布均匀，求：•(1)月球表面的重力加速度；•(2)月球的第一宇宙速度。典例2解题指导：根据竖直上抛运动的特点，求出月球表面的重力加速度；根据万有引力提供向心力GMmR2＝mv2R，可解得月球第一宇宙速度。解析：(1)根据竖直上抛运动的特点可知v0＝12gt解得月球表面的重力加速度：g＝2v0t(2)设月球的质量为M，则在月球表面有GMmR2＝mg贴近月球表面做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力，可得GMmR2＝mv2R联立解得月球第一宇宙速度：v＝2v0Rt。答案：(1)2v0t(2)2v0Rt•〔对点训练2〕(2019·河北省石家庄市高一下学期期末)2017年9月25日，微信启动页“变脸”：由美国卫星拍摄的地球静态图换成了我国“风云四号”卫星拍摄地球的动态图，如图所示。“风云四号”卫星是第二代地球静止轨道遥感气象卫星，下列说法正确的是()A．经过一段时间，“风云四号”可以运行到美国上空B．“风云四号”运行速度大于第一宇宙速度C．“风云四号”做圆周运动的向心加速度小于地球表面的重力加速度D．“风云四号”卫星的发射速度大于第二宇宙速度C解析：静止轨道卫星的轨道必须在赤道平面内，故A错误；由万有引力提供向心力得GMmr2＝mv2r，解得v＝GMr，可知卫星的线速度v随轨道半径r的增大而减小，因此其线速度应小于7.9km/s，故B错误；“风云四号”卫星围绕地球做匀速圆周运动，则有GMmr2＝ma，解得a＝GMr2，因为“风云四号”卫星轨道半径r大于地球半径R，故“风云四号”做圆周运动的向心加速度小于地球表面的重力加速度，故C正确；“风云四号”卫星的发射速度应大于第一宇宙速度，小于第二宇宙速度，故D错误。探究三地球同步卫星•地球上空分布着许多的同步卫星，在地面上的人看来，始终静止不动，请思考：•(1)这些同步卫星是否就真的静止不动呢？•(2)这些同步卫星有什么共同的特点呢？3提示：(1)这些同步卫星都在绕地心做匀速圆周运动；(2)卫星相对于地球静止，因此卫星绕地球运动的周期一定等于地球自转的周期。•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地球同步卫星，又叫通信卫星。•2．特点•(1)周期一定：它的运动周期等于地球自转的周期T＝24h。•(2)角速度一定：同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度。•(3)轨道一定：所有同步卫星的轨道半径都相同，即同步卫星都在同一轨道上随地球做匀速圆周运动，其轨道离地面的高度约为3.59×104km。•(4)环绕速度大小一定：所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的，约为3.08km/s。•(5)向心加速度大小一定：所有同步卫星由于到地心距离相同，所以，它们绕地球运动的向心加速度大小都相同，约为0.23m/s2。•特别提醒：(1)所有同步卫星的周期T、轨道半径r、环绕速度v、角速度ω及向心加速度a的大小均相同。•(2)所有国家发射的同步卫星的轨道都与赤道为同心圆，它们都在同一轨道上运动且都相对静止。典例32018年2月12日12时03分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号”乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功将第二十八、二十九颗“北斗”导航卫星送入太空轨道。“北斗”卫星导航定位系统将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成(如图所示)，30颗非静止轨道卫星中有27颗是中轨