第六章萬有引力與航天 第5節(jié) 宇宙航行 1 了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識 知道發(fā)射速度與環(huán)繞速度的區(qū)別 2 知道三個宇宙速度 會推導第一宇宙速度 3 通過實例 了解人類對太空的探索過程 本節(jié)課從同學們的飛天夢想 再到古人的飛天夢想 激發(fā)同學的強烈興趣 然后從牛頓大膽猜想的草圖 激發(fā)同學們探索的欲望 然后引導同學們從萬有引力提供向心力入手 結(jié)合牛頓運動定律自己推導第一宇宙速度 然后大家討論第二 第三宇宙速度的物理意義 區(qū)別環(huán)繞速度與發(fā)射速度 順著這個思路大家推導人造衛(wèi)星的速度 角速度 周期 加速度等公式 介紹人類的各種衛(wèi)星 理解并推導同步衛(wèi)星的規(guī)律 每個環(huán)節(jié)進行同步訓練 及時反饋教學情況 在 夢想成真 欄目里 簡述人類航天事業(yè)的發(fā)展簡史 最后在 科學漫步 欄目里 介紹黑洞的有關(guān)知識 嫦娥奔月的神話傳說 敦煌壁畫的飛天圖騰 萬戶飛天的勇敢嘗試 好奇是點燃智慧的火種 仰望星空 浩瀚的太空充滿神秘 探究宇宙的奧秘 奔向遙遠的太空 自古以來就是人類的夢想 那么 怎么實現(xiàn)它呢 在樓頂上用不同的水平初速度拋出一個物體 不計空氣阻力 它們的落地點相同嗎 速度大的水平位移大 落地點較遠 如果被拋出物體的速度足夠大 物體的運動情形又如何呢 牛頓的猜想 物體初速度達到多大時就可以發(fā)射成為一顆人造衛(wèi)星呢 牛頓曾設(shè)想 從高山上用不同的水平速度拋出物體 速度一次比一次大 則落點一次比一次遠 如果速度足夠大 物體就不再落到地面上來 它將繞地球運動 成為一顆人造地球衛(wèi)星 一 人造衛(wèi)星的發(fā)射原理 建立模型 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動 基本思路 向心力由地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供 請同學們計算 已知地球半徑R 6400km 地球質(zhì)量M 6 0 1024kg 衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動所必須具有的速度有多大 如果不知道地球的質(zhì)量 但知道地球表面的重力加速度g 如何求宇宙第一速度v 由 則 由此可見 v 7 9km s 這就是物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必須具備的最小發(fā)射速度 稱為第一宇宙速度 在地面附近發(fā)射飛行器 如果它的速度大于7 9km s會怎樣呢 1 第一宇宙速度 v 7 9km s 地面附近 勻速圓周運動 2 第二宇宙速度 當物體的速度大于或等于11 2km s時 衛(wèi)星就會脫離地球的吸引 不再繞地球運行 我們把這個速度叫作第二宇宙速度 達到第二宇宙速度的物體還受到太陽的引力 3 第三宇宙速度 如果物體的速度大于或等于16 7km s 物體就擺脫了太陽引力的束縛 飛到太陽系以外的宇宙空間去 這個速度叫第三宇宙速度 二 宇宙速度 16 7km s稱為第三宇宙速度 旅行者1號 探測器1988年飛出太陽系 運行速度 指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動的線速度 發(fā)射速度 指被發(fā)射物體離開地面時的水平初速度 注意 1 第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度 最大的環(huán)繞速度 2 發(fā)射高軌道衛(wèi)星比發(fā)射低軌道衛(wèi)星困難 原因是發(fā)射高軌道衛(wèi)星時火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龈嗟墓?v發(fā)射 v運行 例1 發(fā)射一顆繞地球做勻速圓周運動的人造衛(wèi)星 如果它的軌道半徑是地球半徑的4倍 它的軌道速度是第一宇宙速度的多少倍 解 萬有引力提供衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力 根據(jù)牛頓第二定律有 設(shè)第一宇宙速度為v1 衛(wèi)星的軌道速度為v2 1 A星球的第一宇宙速度為9km s 已知B星球的質(zhì)量是A星球質(zhì)量的1 81 A星球半徑是B星球半徑的4倍 則在B星球上發(fā)射 近地衛(wèi)星 的環(huán)繞速度約為km s 2 例2 關(guān)于第一宇宙速度 下列說法中正確的是 A 它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B 它是人造地球衛(wèi)星在近地圓形軌道上的運行速度C 它是能使衛(wèi)星進入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度D 它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時近地點的速度 BC 三 人造衛(wèi)星的運動規(guī)律 1 衛(wèi)星繞地球的運動和受力特點 衛(wèi)星繞地球做圓周運動 地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供向心力 F引 F向 2 衛(wèi)星的動力學方程 r v T的關(guān)系 地球 對于繞地球運動的人造衛(wèi)星 1 離地面越高 向心力越 2 離地面越高 線速度越 3 離地面越高 周期越 4 離地面越高 角速度越 5 離地面越高 向心加速度越 小 大 小 小 小 例3 人造衛(wèi)星以地心為圓心做勻速圓周運動 下列說法正確的是 A 半徑越大 速率越大 周期越小B 半徑越大 速率越小 周期越大C 所有衛(wèi)星的角速度均相同 與半徑無關(guān)D 所有衛(wèi)星的速率均相同 與半徑無關(guān) B 在地心上 2 現(xiàn)在有幾種衛(wèi)星 按用途分類 通信衛(wèi)星 氣象衛(wèi)星 按軌道分類 極地衛(wèi)星 赤道衛(wèi)星 其他衛(wèi)星 1 衛(wèi)星軌道的圓心在哪兒 各種各樣的衛(wèi)星 2 下列軌道中不可能是衛(wèi)星繞地球運行的軌道的是 衛(wèi)星是圍繞地球的中心繞地球做勻速圓周運動的 D 四 地球同步衛(wèi)星 通信衛(wèi)星 1 所謂地球同步衛(wèi)星是指相對于地面靜止的人造衛(wèi)星 它在軌道上跟著地球自轉(zhuǎn) 同步地做勻速圓周運動 它的周期 T 24h 2 所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個確定軌道上 即同步衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合 衛(wèi)星離地面高度為定值 3 地球同步衛(wèi)星的特點 五個一定 1 周期一定 T 24h 2 高度一定 在赤道上空 3 速率 角速度一定 4 軌道平面一定 與地球赤道平面共面 三顆同步衛(wèi)星作為通訊衛(wèi)星 則可覆蓋全球 例4 求同步衛(wèi)星離地面高度 地球同步衛(wèi)星能否位于廈門正上方某一確定高度h處 3 關(guān)于地球同步衛(wèi)星 下列說法正確的是 A 它的運行速度小于7 9km sB 它的運行速度大于7 9km sC 它的周期是24h 且軌道平面與赤道平面重合D 每一個地球同步衛(wèi)星離開地面的高度是一樣的 ACD 例5 求近地衛(wèi)星的周期 我們能發(fā)射一顆周期為80min的衛(wèi)星嗎 五 夢想成真 阿波羅登月 先驅(qū)者 10號太空探測器1972年3月2日發(fā)射升空 1986年6月飛出太陽系 卡西尼 號土星探測器1997年10月15日發(fā)射升空 2004年1日飛抵土星 美國 鳳凰 號火星探測器2007年8月4日發(fā)射升空 2008年5月25日在火星著陸 一 人造衛(wèi)星的原理二 宇宙速度1 第一宇宙速度 環(huán)繞速度 v1 7 9km s2 第二宇宙速度 脫離速度 v2 11 2km s3 第三宇宙速度 逃逸速度 v3 16 7km s三 人造衛(wèi)星的運動規(guī)律四 同步衛(wèi)星1 周期T 24h2 衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合五 夢想成真 1 兩顆人造地球衛(wèi)星質(zhì)量之比m1 m2 1 2 軌道半徑之比R1 R2 3 1 下列有關(guān)數(shù)據(jù)之比正確的是 A 周期之比T1 T2 3 1B 線速度之比v1 v2 3 1C 向心力之比F1 F2 1 9D 向心加速度之比a1 a2 1 9 D 2 如圖所示 a b c是在地球大氣層外圓形軌道上運動的3顆衛(wèi)星 下列說法正確的是 A b c的線速度大小相等 且大于a的線速度B b c的向心加速度大小相等 且大于a的向心加速度C c加速可追上同一軌道上的b b減速可等候同一軌道上的cD a衛(wèi)星由于某原因 軌道半徑緩慢減小 其線速度將增大 D 3 根據(jù)觀察 在土星外層有一個環(huán) 為了判斷該環(huán)是土星的連續(xù)物還是小衛(wèi)星群 可測出環(huán)中各層的線速度v與該層到土星中心的距離R之間的關(guān)系 下列判斷正確的是 A 若v與R成正比 則環(huán)為連續(xù)物B 若v2與R成正比 則環(huán)為小衛(wèi)星群C 若v與R成反比 則環(huán)為連續(xù)物D 若v2與R成反比 則環(huán)為小衛(wèi)星群 AD