高中物理 3.2 萬有引力定律的應(yīng)用 3.3 飛向太空 課件 粵教版必修2.ppt

2020 2 9 第3章萬有引力定律及其應(yīng)用 2020 2 9 第二節(jié)萬有引力定律的應(yīng)用第三節(jié)飛向太空 2020 2 9 核心要點(diǎn)突破 課堂互動(dòng)講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 課前自主學(xué)案 第三節(jié)飛向太空 課標(biāo)定位 2020 2 9 課標(biāo)定位學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 會利用萬有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)量 2 理解人造衛(wèi)星的線速度 角速度 周期與軌道半徑的關(guān)系 3 能利用人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律分析 計(jì)算有關(guān)問題并能區(qū)分人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和環(huán)繞速度 4 知道三個(gè)宇宙速度的含義 會推導(dǎo)第一宇宙速度 重點(diǎn)難點(diǎn) 利用萬有引力定律 求天體的質(zhì)量 密度 運(yùn)動(dòng)周期和運(yùn)動(dòng)速度 2020 2 9 課前自主學(xué)案 一 計(jì)算天體的質(zhì)量 以地球?yàn)槔懻?1 基本思路月球繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力是由它們之間的 提供的 由此可列方程 從中求得地球的質(zhì)量 萬有引力 2020 2 9 2020 2 9 3 如果已知衛(wèi)星繞行星 或行星繞中心天體 運(yùn)動(dòng)的 和衛(wèi)星與行星 或行星與中心天體 之間的 也可以算出行星 或中心天體 的質(zhì)量 周期 距離 2020 2 9 思考感悟 1 根據(jù)月球繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的觀測數(shù)據(jù) 應(yīng)用萬有引力定律求出的天體質(zhì)量是地球的還是月球的 提示 求出的是地球的質(zhì)量 因?yàn)槔胒萬 f引只能求出中心天體的質(zhì)量 2020 2 9 二 理論的威力 預(yù)測未知天體歷史上天文學(xué)家曾經(jīng)根據(jù)萬有引力定律計(jì)算太陽系中天王星的運(yùn)動(dòng)軌道 由于計(jì)算值與實(shí)際情況有較大偏差 促使天文學(xué)家經(jīng)過進(jìn)一步的研究先后發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星 這兩顆星的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證明了萬有引力定律的正確性 而且也顯示了萬有引力定律對天文學(xué)研究的重大意義 2020 2 9 2 宇宙速度 1 第一宇宙速度 v1 這是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度 也叫 速度 7 9km s 環(huán)繞 2020 2 9 2 第二宇宙速度 v2 當(dāng)人造衛(wèi)星的發(fā)射速度大于或等于這一速度時(shí) 衛(wèi)星就會掙脫 的束縛 不再繞地球運(yùn)動(dòng) 所以第二宇宙速度也叫 速度 3 第三宇宙速度 v3 人造衛(wèi)星要想擺脫太陽引力的束縛 飛出太陽系 其發(fā)射速度至少要達(dá)到這一速度 所以第三宇宙速度又叫 速度 11 2km s 地球引力 脫離 16 7km s 逃逸 2020 2 9 思考感悟 2 發(fā)射一個(gè)火星探測器 那么這個(gè)探測器大體以多大的速度從地面上發(fā)射 提示 發(fā)射速度應(yīng)介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之間 即11 2km s v 16 7km s 2020 2 9 四 飛向太空1 火箭的發(fā)明火箭最早是由我國發(fā)明的 早在12世紀(jì)的南宋時(shí)期 火箭已被用于戰(zhàn)爭 它是利用火藥燃燒向后急速噴出的氣體產(chǎn)生反作用力 使火箭向前射出 2 近代火箭的研究 1 近代火箭的研究從19世紀(jì)開始 2 俄國科學(xué)家齊奧爾斯基作出了重要貢獻(xiàn) 研究了火箭運(yùn)動(dòng)的原理和液體火箭推進(jìn)及噴射的理論 提出了用液體火箭對未來太空飛行的設(shè)想及多級火箭和慣性導(dǎo)航的概念 2020 2 9 3 多級火箭多級火箭是用幾個(gè)火箭連接而成的火箭組合 一般用三級 如圖3 2 1所示 火箭起飛時(shí) 第一級火箭的發(fā)動(dòng)機(jī) 點(diǎn)火 推動(dòng)各級火箭一起前進(jìn) 當(dāng)這一級的燃料燃盡后 第二級火箭開始工作 自動(dòng)脫掉第一級火箭的外殼 第二級火箭在第一級火箭基礎(chǔ)上進(jìn)一步加速 以此類推 最終達(dá)到所需要的速度 圖3 2 1 2020 2 9 4 探索宇宙奧秘的先鋒 空間探測器深空探測既是人類認(rèn)識宇宙的需要 又是人類為了開發(fā)宇宙資源 擴(kuò)大自身生存環(huán)境的需要 因此 世界上的科技大國都投入巨資進(jìn)行研究 使得深空探測水平和載人航天技術(shù)成為衡量一個(gè)國家發(fā)展水平的標(biāo)志 2020 2 9 核心要點(diǎn)突破 2020 2 9 2020 2 9 特別提醒 1 在用萬有引力等于向心力列式求天體的質(zhì)量時(shí) 只能求出中心天體的質(zhì)量 這種方法不僅適用于地球 也適用于其他天體質(zhì)量的計(jì)算 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 1 雙選 2011年天津高一檢測 已知下面的哪組數(shù)據(jù) 可以算出地球的質(zhì)量m 引力常數(shù)g為已知 a 月球繞地球運(yùn)動(dòng)的周期t1及月球到地球中心的距離r1b 地球繞太陽運(yùn)行的周期t2及地球到太陽中心的距離r2c 人造衛(wèi)星在地面附近的運(yùn)行速度v3和運(yùn)行周期t3d 地球繞太陽運(yùn)行的速度v4及地球到太陽中心的距離r4 2020 2 9 2020 2 9 二 對人造衛(wèi)星的理解1 人造衛(wèi)星的軌道在地球上空繞地球運(yùn)行的人造地球衛(wèi)星所受的力是地球?qū)λ娜f有引力 在中學(xué)階段 我們主要研究繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星 圖3 2 2 2020 2 9 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)由地球?qū)λ娜f有引力提供向心力 地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力指向地心 而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體的向心力時(shí)刻指向它做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心 因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心必與地心重合 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(diǎn)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(yùn)行的圓軌道 如圖3 2 2所示 2020 2 9 2020 2 9 但由于人造地球衛(wèi)星發(fā)射過程中要克服地球引力做功 增大勢能 所以將衛(wèi)星發(fā)射到離地球越遠(yuǎn)的軌道上 在地面所需要的發(fā)射速度越大 衛(wèi)星的最小發(fā)射速度為7 9km s 3 人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律在中學(xué)階段 若無特別說明 我們一般將衛(wèi)星的運(yùn)行軌道視為圓軌道 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 由萬有引力提供向心力即 f萬 f向 由此可知 2020 2 9 2020 2 9 特別提醒 在同一中心天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的所有衛(wèi)星的v t a各量都只與軌道半徑r有關(guān) 2020 2 9 4 人造衛(wèi)星的超重與失重人造衛(wèi)星在發(fā)射升空時(shí) 有一段加速運(yùn)動(dòng) 在返回地面時(shí) 有一段減速運(yùn)動(dòng) 這兩個(gè)過程加速度方向均向上 因而都是超重狀態(tài) 人造衛(wèi)星在沿圓軌道運(yùn)行時(shí) 由于萬有引力提供向心力 所以處于完全失重狀態(tài) 在這種情況下 凡是與重力有關(guān)的力學(xué)現(xiàn)象都會停止發(fā)生 因此 在衛(wèi)星上的儀器 凡是制造原理與重力有關(guān)的均不能使用 同理 與重力有關(guān)的實(shí)驗(yàn)也將無法進(jìn)行 2020 2 9 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 2 單選 如圖3 2 3所示 a b c是環(huán)繞地球圓形軌道上運(yùn)行的3顆人造衛(wèi)星 它們的質(zhì)量關(guān)系是ma mb mc 則 a b c的線速度大小相等 且大于a的線速度b b c的周期相等 且小于a的周期c b c的向心加速度大小相等 且大于a的向心加速度d b所需向心力最小 圖3 2 3 2020 2 9 2020 2 9 三 對宇宙速度的理解1 第一宇宙速度 環(huán)繞速度 指人造衛(wèi)星近地環(huán)繞速度 它是人造衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度 是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度 v1 7 9km s 發(fā)射速度小于7 9km s 衛(wèi)星將不能圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)而落回地面 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 2 第二宇宙速度 脫離速度 在地面上 r r 發(fā)射物體 使之能夠脫離地球的引力作用 成為繞太陽運(yùn)行的人造行星或飛到其他行星上去所必須達(dá)到的最小發(fā)射速度 稱為第二宇宙速度 其大小為v 11 2km s 當(dāng)衛(wèi)星的發(fā)射速度7 9km s v 11 2km s時(shí) 衛(wèi)星的軌道是橢圓形的 地球處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上 2020 2 9 3 第三宇宙速度 逃逸速度 在地面上發(fā)射物體 使之最后能脫離太陽的引力范圍 飛到太陽系以外的宇宙空間所需的最小速度 稱為第三宇宙速度 其大小為v 16 7km s 特別提醒 1 第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最大運(yùn)行速度 也是最小發(fā)射速度 2 三個(gè)宇宙速度分別為在三種不同情況下在地面附近的最小發(fā)射速度 2020 2 9 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 3 雙選 2011年成都高一檢測 關(guān)于地球的第一宇宙速度 下列說法中正確的是 a 它是人造地球衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的最小速度b 它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行速度c 它是能使衛(wèi)星進(jìn)入近地軌道的最小速度d 它是能使衛(wèi)星進(jìn)入軌道的最大發(fā)射速度 2020 2 9 2020 2 9 四 近地衛(wèi)星與同步衛(wèi)星的比較1 近地衛(wèi)星所謂近地衛(wèi)星指的是衛(wèi)星的半徑等于地球的半徑 衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力是萬有引力 它的運(yùn)動(dòng)速度為第一宇宙速度 它是衛(wèi)星的最大繞行速度 2 同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星指在赤道平面內(nèi) 以和地球自轉(zhuǎn)角速度相同的角速度繞地球運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星 同步衛(wèi)星又叫通訊衛(wèi)星 同步衛(wèi)星有以下幾個(gè)特點(diǎn) 1 同步衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致 2 同步衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同 t 24h 2020 2 9 3 同步衛(wèi)星的運(yùn)行角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度 4 同步衛(wèi)星的軌道一定與赤道平面共面 如圖3 2 4所示 假設(shè)衛(wèi)星在軌道b跟著地球的自轉(zhuǎn)同步做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的向心力由地球?qū)λ囊引的一個(gè)分力f1提供 由于另一個(gè)分力f2的作用將使衛(wèi)星軌道靠向赤道 故只有在赤道上空 同步衛(wèi)星才可能在穩(wěn)定的軌道上運(yùn)行 所以所有同步衛(wèi)星只能在赤道正上方 且在一定高度處 圖3 2 4 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 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(yùn)動(dòng)且都相對靜止 2020 2 9 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 4 單選 2011年高考北京理綜卷 由于通信和廣播等方面的需要 許多國家發(fā)射了地球同步軌道衛(wèi)星 這些衛(wèi)星的 a 質(zhì)量可以不同b 軌道半徑可以不同c 軌道平面可以不同d 速率可以不同 2020 2 9 2020 2 9 課堂互動(dòng)講練 1969年7月21日 美國宇航員阿姆斯特朗在月球上留下了人類第一只腳印 邁出了人類征服宇宙的一大步 在月球上 如果阿姆斯特朗和同伴奧爾德林用彈簧測力計(jì)測出質(zhì)量為m的儀器的重力為f 而另一位宇航員科林斯駕駛指令艙 在月球表面附近飛行一周 記下時(shí)間為t 引力常數(shù)g已知 試根據(jù)以上數(shù)據(jù)求出月球的質(zhì)量 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 2020 2 9 答案 b 2020 2 9 變式訓(xùn)練 2011年煙臺質(zhì)檢 1990年5月 中國紫金山天文臺將1965年9月20日發(fā)現(xiàn)的第2752號小行星命名為吳健雄星 其直徑為32km 若該行星的密度和地球的密度相同 則對該小行星而言 第一宇宙速度為多少 已知地球半徑r1 6400km 地球的第一宇宙速度v1 8km s 2020 2 9 2020 2 9 答案 20m s 2020 2 9 雙選 發(fā)射同步衛(wèi)星時(shí) 先將衛(wèi)星發(fā)射到近地圓軌道1 然后經(jīng)點(diǎn)火使其沿橢圓軌道2運(yùn)行 最后再次點(diǎn)火 將衛(wèi)星送入同步圓軌道3 軌道1 2相切于q點(diǎn) 軌道2 3相切于p點(diǎn) 如圖3 2 5所示 當(dāng)衛(wèi)星分別在1 2 3軌道上正常運(yùn)行時(shí) 以下說法正確的是 圖3 2 5 2020 2 9 a 衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率b 衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度c 衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過q點(diǎn)時(shí)的速率小于在軌道2上經(jīng)過q點(diǎn)時(shí)的速率d 衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過p點(diǎn)時(shí)的加速度大于在軌道3上經(jīng)過p點(diǎn)時(shí)的加速度 2020 2 9 2020 2 9 衛(wèi)星在q點(diǎn)時(shí) 在圓形軌道1時(shí)的速率一定小于在軌道2上經(jīng)過q點(diǎn)的速率 因?yàn)樾l(wèi)星在軌道1時(shí)所受的地球的引力提供給它的向心力使它剛好做