歡迎進(jìn)入物理課堂 第五節(jié)宇宙航行第六節(jié)經(jīng)典力學(xué)的局限性 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 會推導(dǎo)第一宇宙速度 知道第二宇宙速度和第三宇宙速度 2 了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識 知道近地衛(wèi)星 同步衛(wèi)星的特點 3 了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就 知道經(jīng)典力學(xué)與相對論 量子力學(xué)的關(guān)系 重點難點 宇宙速度及人造衛(wèi)星的有關(guān)問題 成功發(fā)現(xiàn)1 第一宇宙速度 1 大小 km s 2 意義 衛(wèi)星環(huán)繞地球表面運行的速度 也是繞地球做 運動的最大速度 使衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最小地面發(fā)射速度 7 9 勻速圓周 2 第二宇宙速度 1 大小 km s 2 意義 使衛(wèi)星掙脫 引力束縛的最小地面發(fā)射速度 3 第三宇宙速度 1 大小 km s 2 意義 使衛(wèi)星掙脫 引力束縛的最小地面發(fā)射速度 11 2 地球 16 7 太陽 二 經(jīng)典力學(xué)的局限性1 牛頓力學(xué)即經(jīng)典力學(xué)只適用于 的物體 不適用于 的物體 2 微觀粒子的運動規(guī)律遵守普朗克的 理論 高速運動的物體遵守愛因斯坦的 強相互作用和弱相互作用都遵守愛因斯坦的 宏觀 低速運動 微觀 高速運動 量子 狹義相對論 廣義相對論 宇宙速度是在地球上滿足不同要求的衛(wèi)星發(fā)射速度 不能理解成衛(wèi)星的運行速度 即人造衛(wèi)星做勻速圓周運動的環(huán)繞速度 A 0 4km sB 1 8km sC 11km sD 36km s 思路點撥 探月衛(wèi)星的軌道貼近月球表面 所求該衛(wèi)星繞月運行的速度即為在月球表面發(fā)射衛(wèi)星的 第一宇宙速度 答案 B 規(guī)律總結(jié) 不同星球的第一宇宙速度不同 計算方法與地球第一宇宙速度的方法相同 變式訓(xùn)練1 美國 新地平線 號探測器 已于美國東部時間2006年1月17日13時 北京時間18日1時 借助 宇宙神 5 重型火箭 從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心發(fā)射升空 開始長達(dá)9年的飛向冥王星的太空之旅 擁有3級發(fā)動機的 宇宙神 5 重型火箭將以每小時5 76萬公里的驚人速度把 新地平線 號送離地球 這個冥王星探測器將成為人類有史以來發(fā)射速度最高的飛行器 這一速度 A 大于第一宇宙速度B 大于第二宇宙速度C 大于第三宇宙速度D 小于并接近于第三宇宙速度解析 選ABD 此發(fā)射速度脫離了地球的束縛 但沒有脫離太陽的束縛 故此速度介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之間 所以A B D正確 1 人造衛(wèi)星的軌道衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動時由地球?qū)λ娜f有引力充當(dāng)向心力 地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力指向地心 而做勻速圓周運動的物體的向心力則時刻指向它做圓周運動的圓心 因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的 圖6 5 1 圓心必與地心重合 而這樣的軌道有多種 其中比較特殊的有與赤道共面的赤道軌道和通過兩極點上空的極地軌道 當(dāng)然也應(yīng)存在著與赤道平面成某一角度的圓軌道 只要圓心在地心 就可能是衛(wèi)星繞地球運行的圓軌道 如圖6 5 1所示 2 描述人造衛(wèi)星運動的幾個重要物理量設(shè)人造衛(wèi)星的運行速度為v 角速度為 周期為T 向心加速度為an 軌道半徑為r 人造衛(wèi)星做勻速圓周運動所需要的向心力由萬有引力提供 即 2012 山東省實驗中學(xué)高一月考 已知地球半徑為R 地球表面的重力加速度為g 某人造地球衛(wèi)星在距地球表面高度等于地球半徑3倍處做勻速圓周運動 求 1 衛(wèi)星的線速度 2 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的周期 思路點撥 人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動所需的向心力由萬有引力提供 物體在地球表面所受的重力等于萬有引力 思維總結(jié) 在處理衛(wèi)星的v T與半徑r的關(guān)系問題時 常用公式 gR2 GM 來替換出地球的質(zhì)量M會使問題解決起來更方便 變式訓(xùn)練2 2012 高考廣東卷 如圖6 5 2所示 飛船從軌道1變軌至軌道2 若船在兩軌道上都做勻速圓周運動 不考慮質(zhì)量變化 相對于在軌道1上 飛船在軌道2上的 A 動能大B 向心加速度大C 運行周期長D 角速度小 圖6 5 2 1 同步衛(wèi)星相對于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星叫地球同步衛(wèi)星 又叫通信衛(wèi)星 2 特點 1 同步衛(wèi)星的運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致 2 同步衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同 T 24h 3 同步衛(wèi)星的運行角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度 4 同步衛(wèi)星的軌道平面均在赤道平面上 即所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方 5 同步衛(wèi)星高度固定不變 6 同步衛(wèi)星的環(huán)繞速度大小一定 特別提醒 1 所有同步衛(wèi)星的周期T 軌道半徑r 環(huán)繞速度v 角速度 及向心加速度a的大小均相同 2 所有國家發(fā)射的同步衛(wèi)星的軌道都與赤道為同心圓 它們都在同一軌道上運動且都相對靜止 已知地球的半徑為R 6400km 地球表面附近的重力加速度g取9 8m s2 若發(fā)射一顆地球的同步衛(wèi)星 使它在赤道上空運轉(zhuǎn) 其高度和線速度應(yīng)為多大 精講精析 設(shè)同步衛(wèi)星的質(zhì)量為m 離地面的高度為h 線速度為v 周期為T 地球的質(zhì)量為M 同步衛(wèi)星的周期等于地球自轉(zhuǎn)的周期 答案 3 6 107m3 1 103m s 變式訓(xùn)練3 2012 高考北京卷 關(guān)于環(huán)繞地球運行的衛(wèi)星 下列說法正確的是 A 分別沿圓軌道和橢圓軌道運行的兩顆衛(wèi)星 不可能具有相同的周期B 沿橢圓軌道運行的一顆衛(wèi)星 在軌道不同位置可能具有相同的速率C 在赤道上空運行的兩顆地球同步衛(wèi)星 它們的軌道半徑有可能不同D 沿不同軌道經(jīng)過北京上空的兩顆衛(wèi)星 它們的軌道平面一定會重合 小時 故其軌道半徑一定 C選項錯誤 經(jīng)過北京上空的衛(wèi)星軌道有無數(shù)條 軌道平面與赤道平面的夾角可以不同 故軌道平面可以不重合 D選項錯誤 同步衛(wèi)星的發(fā)射 變軌 問題發(fā)射人造衛(wèi)星要克服地球的引力做功 發(fā)射得越高 克服地球的引力做功越多 發(fā)射越困難 所以在發(fā)射同步衛(wèi)星時先讓它進(jìn)入一個較低的近地軌道 停泊軌道 然后通過點火加速 使之做離心運動 進(jìn)入一個橢圓軌道 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)道 當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)橢圓軌道的遠(yuǎn)地點時 再次通過點火加速使其做離心運動 進(jìn)入同步軌道 經(jīng)典案例 如圖6 5 3所示 軌道A與軌道B相切于P點 軌道B與軌道C相切于Q點 以下說法不正確的是 圖6 5 3 A 衛(wèi)星在軌道B上由P向Q運動的過程中速率越來越小B 衛(wèi)星在軌道C上經(jīng)過Q點的速率大于在軌道A上經(jīng)過P點的速率C 衛(wèi)星在軌道B上經(jīng)過P時的加速度與在軌道A上經(jīng)過P點的加速度是相等的D 衛(wèi)星在軌道B上經(jīng)過Q點時受到地球的引力小于經(jīng)過P點時受到地球的引力 思路點撥 從動力學(xué)的角度思考 衛(wèi)星受到的引力使衛(wèi)星產(chǎn)生運動的加速度 Fn man 所以衛(wèi)星在軌道A上經(jīng)過P點時的加速度等于它在軌道B上經(jīng)過P點時的加速度 答案 B 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全