2020高中物理 第5章 第2節(jié) 萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用 第節(jié) 人類對(duì)太空的不懈追求教案 魯科版2

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精PAGE17-學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精第2節(jié)萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用第3節(jié)人類對(duì)太空的不懈追求學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)(教師用書獨(dú)具)1.了解衛(wèi)星的發(fā)射、運(yùn)行等情況。2.知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)計(jì)算第一宇宙速度．（重點(diǎn))3.了解海王星的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，掌握研究天體（或衛(wèi)星）運(yùn)動(dòng)的基本方法，并能用萬(wàn)有引力定律解決相關(guān)問(wèn)題．(重點(diǎn)、難點(diǎn))4.了解人類探索太空的歷史、現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展的方向.一、人造衛(wèi)星上天1．人造地球衛(wèi)星的發(fā)射原理(1)牛頓設(shè)想:如圖甲所示，當(dāng)物體被拋出的速度足夠大時(shí)，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)而不再落回地面,成為一顆人造地球衛(wèi)星．甲乙（2）發(fā)射過(guò)程簡(jiǎn)介如圖乙所示，發(fā)射人造地球衛(wèi)星的火箭一般為三級(jí)．使衛(wèi)星進(jìn)入地球軌道后的大致過(guò)程也為三個(gè)階段．2．人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律(1）動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)一般情況下可認(rèn)為人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其向心力由地球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供．(2)速度和軌道半徑的關(guān)系由Geq\f（Mm,r2)＝meq\f(v2,r)可得v＝eq\r(\f(GM，r））.可知，衛(wèi)星的軌道半徑越小,線速度越大．二、宇宙速度、人類對(duì)太空的探索1．宇宙速度(1）第一宇宙速度：v1＝7.9km/s，又稱環(huán)繞速度，是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度．(2)第二宇宙速度：v2＝11.2km/s，又稱脫離速度，是人造衛(wèi)星脫離地球引力所需的速度．(3)第三宇宙速度:v3＝16。7km/s，又稱逃逸速度，是人造衛(wèi)星脫離太陽(yáng)引力所需的速度．2．發(fā)現(xiàn)未知天體：在觀測(cè)天王星時(shí)，發(fā)現(xiàn)其實(shí)際軌道與由萬(wàn)有引力定律計(jì)算的軌道不吻合，由此預(yù)測(cè)存在另一行星，這就是后來(lái)發(fā)現(xiàn)的海王星．3．人類對(duì)太空的不懈追求（1)從地心說(shuō)到日心說(shuō)．（2)牛頓建立萬(wàn)有引力定律，將地面與天上力學(xué)統(tǒng)一．（3)發(fā)射人造衛(wèi)星（如圖所示）、登上月球、實(shí)現(xiàn)宇宙飛船的交會(huì)對(duì)接等．1．思考判斷（正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)人造地球衛(wèi)星的最小運(yùn)轉(zhuǎn)半徑是地球半徑． (√)(2）人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由火箭推力提供． （×）（3)衛(wèi)星繞地球的軌道半徑越大，運(yùn)行速度越大． (×）(4)第一宇宙速度是發(fā)射地球衛(wèi)星的最小速度． （√）(5）無(wú)論從哪個(gè)星球上發(fā)射衛(wèi)星，發(fā)射速度都要大于7.9km/s。 （×）（6)當(dāng)發(fā)射速度v＞7。9km/s時(shí),衛(wèi)星將脫離地球的吸引，不再繞地球運(yùn)動(dòng)． （×)2．如圖所示，甲、乙兩顆衛(wèi)星以相同的軌道半徑分別繞質(zhì)量為M和2M的行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)．下列說(shuō)法正確的是(）A．甲的向心加速度比乙的小B．甲的運(yùn)行周期比乙的小C．甲的角速度比乙的大 D．甲的線速度比乙的大A[衛(wèi)星繞行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由行星對(duì)衛(wèi)星的引力提供，根據(jù)萬(wàn)有引力定律和牛頓第二定律解決問(wèn)題．根據(jù)Geq\f(Mm，r2）＝ma得a＝eq\f(GM，r2).故甲衛(wèi)星的向心加速度小，選項(xiàng)A正確；根據(jù)Geq\f(Mm，r2)＝meq\b\lc\(\rc\）（\a\vs4\al\co1（\f（2π，T))）eq\s\up20（2）r，得T＝2πeq\r（\f(r3,GM)),故甲的運(yùn)行周期大，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；根據(jù)Geq\f(Mm，r2)＝mω2r,得ω＝eq\r(\f(GM，r3)),故甲運(yùn)行的角速度小，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)Geq\f(Mm,r2)＝eq\f（mv2,r），得v＝eq\r(\f（GM,r））,故甲運(yùn)行的線速度小,選項(xiàng)D錯(cuò)誤．]3．下列關(guān)于繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度的說(shuō)法中正確的是（）A．一定等于7。9km/sB．一定小于7。9km/sC．大于或等于7.9km/s，而小于11.2km/sD．只需大于7.9km/sB［衛(wèi)星在繞地球運(yùn)行時(shí),萬(wàn)有引力提供向心力，由此可得v＝eq\r（\f(GM,r)），所以軌道半徑r越大，衛(wèi)星的環(huán)繞速度越小，實(shí)際的衛(wèi)星軌道半徑大于地球半徑R，所以環(huán)繞速度一定小于第一宇宙速度，即v＜7。9km/s。而C選項(xiàng)是發(fā)射人造地球衛(wèi)星的速度范圍．］人造衛(wèi)星上天1.解決天體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的基本思路:一般行星或衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)可看作勻速圓周運(yùn)動(dòng),所需要的向心力都由中心天體對(duì)它的萬(wàn)有引力提供，所以研究天體時(shí)可建立基本關(guān)系式：Geq\f(Mm，R2）＝ma,式中a是向心加速度．2．常用的關(guān)系式（1）Geq\f(Mm,r2)＝meq\f（v2，r)＝mω2r＝meq\f(4π2,T2)r,萬(wàn)有引力全部用來(lái)提供行星或衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力．（2)mg＝Geq\f(Mm，R2)即gR2＝GM，物體在天體表面時(shí)受到的引力等于物體的重力．該公式通常被稱為“黃金代換式”．3．四個(gè)重要結(jié)論：設(shè)質(zhì)量為m的天體繞另一質(zhì)量為M的中心天體做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動(dòng)．（1）由eq\f(GMm，r2)＝meq\f(v2，r）得v＝eq\r(\f(GM，r）），r越大,天體的v越?。?)由Geq\f(Mm,r2)＝mω2r得ω＝eq\r（\f（GM,r3）），r越大，天體的ω越小．(3）由Geq\f（Mm，r2）＝meq\b\lc\（\rc\）(\a\vs4\al\co1(\f（2π,T））)2r得T＝2πeq\r(\f(r3，GM）），r越大，天體的T越大．（4)由Geq\f(Mm，r2）＝man得an＝eq\f(GM,r2），r越大，天體的an越?。陨辖Y(jié)論可總結(jié)為“一定四定,越遠(yuǎn)越慢”．4．地球同步衛(wèi)星及特點(diǎn)：同步衛(wèi)星就是與地球同步運(yùn)轉(zhuǎn),相對(duì)地球靜止的衛(wèi)星，因此可用來(lái)作為通訊衛(wèi)星．同步衛(wèi)星有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）周期一定：同步衛(wèi)星在赤道正上方相對(duì)地球靜止，它繞地球的運(yùn)動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)同步，它的運(yùn)動(dòng)周期就等于地球自轉(zhuǎn)的周期，T＝24h。(2）角速度一定:同步衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度．(3）軌道一定．①因提供向心力的萬(wàn)有引力指向圓心,所有同步衛(wèi)星的軌道必在赤道平面內(nèi)．②由于所有同步衛(wèi)星的周期相同，由r＝eq\r（3，\f(GMT2，4π2))知，所有同步衛(wèi)星的軌道半徑都相同，即在同一軌道上運(yùn)動(dòng)，其確定的高度約為3.6×104km。（4）運(yùn)行速度大小一定：所有同步衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的線速度的大小是一定的，都是3。08km/s，運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同．【例1】如圖所示，是同一軌道平面內(nèi)的三顆人造地球衛(wèi)星，下列說(shuō)法正確的是()A．根據(jù)v＝eq\r（gr)，可知vA＜vB＜vCB．根據(jù)萬(wàn)有引力定律，可知FA＞FB＞FCC．角速度ωA＞ωB＞ωCD．向心加速度aA＜aB＜aC思路點(diǎn)撥：仔細(xì)觀察衛(wèi)星的運(yùn)行軌道圖，找出衛(wèi)星所在的軌道位置,判斷出軌道半徑的大小，然后結(jié)合相應(yīng)的公式比較各物理量的關(guān)系．C［同一軌道平面內(nèi)的三顆人造地球衛(wèi)星都繞同一中心天體（地球）做圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)萬(wàn)有引力定律Geq\f(Mm，r2)＝meq\f（v2,r）,得v＝eq\r（\f（GM，r）），由題圖可以看出衛(wèi)星的軌道半徑rC＞rB＞rA，故可以判斷出vA＞vB＞vC，選項(xiàng)A錯(cuò)誤．因不知三顆人造地球衛(wèi)星的質(zhì)量關(guān)系,故無(wú)法根據(jù)F＝Geq\f（Mm,r2)判斷它們與地球間的萬(wàn)有引力的大小關(guān)系，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．由Geq\f(Mm，r2)＝mω2r得ω＝eq\r(\f（GM,r3）），又rC＞rB＞rA，所以ωA＞ωB＞ωC，選項(xiàng)C正確．由Geq\f(Mm，r2）＝ma得a＝Geq\f（M，r2），又rC＞rB＞rA，所以aA＞aB＞aC，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．]天體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題解答技巧1．比較圍繞同一個(gè)中心天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的行星或衛(wèi)星的v、ω、T、an等物理量的大小時(shí)，可考慮口訣“越遠(yuǎn)越慢"（v、ω、T）、“越遠(yuǎn)越小”（an）．2．涉及繞同一個(gè)中心天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的行星或衛(wèi)星的計(jì)算問(wèn)題時(shí)，若已知量或待求量中涉及重力加速度g，則應(yīng)考慮黃金代換式gR2＝GMeq\b\lc\(\rc\)（\a\vs4\al\co1(mg＝G\f(Mm，R2）)）的應(yīng)用．3．若已知量或待求量中涉及v或ω或T,則應(yīng)考慮從Geq\f(Mm，r2)＝meq\f（v2,r)＝mω2r＝meq\f（4π2，T2)r中選擇相應(yīng)公式應(yīng)用．1．利用三顆位置適當(dāng)?shù)牡厍蛲叫l(wèi)星，可使地球赤道上任意兩點(diǎn)之間保持無(wú)線電通訊．目前，地球同步衛(wèi)星的軌道半徑約為地球半徑的6。6倍．假設(shè)地球的自轉(zhuǎn)周期變小,若仍僅用三顆同步衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的，則地球自轉(zhuǎn)周期的最小值約為（）A．1h B．4hC．8h D．16hB［萬(wàn)有引力提供向心力，對(duì)同步衛(wèi)星有：eq\f（GMm,r2)＝mreq\f(4π2，T2）,整理得GM＝eq\f（4π2r3,T2）當(dāng)r＝6。6R地時(shí)，T＝24h若地球的自轉(zhuǎn)周期變小，軌道半徑最小為2R地三顆同步衛(wèi)星A、B、C如圖所示分布則有eq\f（4π26。6R地3,T2)＝eq\f（4π22R地3，T′2)解得T′≈eq\f(T，6)＝4h，選項(xiàng)B正確．］宇宙速度、人類對(duì)太空的探索1.人造衛(wèi)星的兩個(gè)速度（1）發(fā)射速度指將人造衛(wèi)星送入預(yù)定軌道運(yùn)行所必須具有的速度．衛(wèi)星離地面越高,衛(wèi)星所需的發(fā)射速度越大．(2）繞行速度指衛(wèi)星在進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度．根據(jù)v＝eq\r（\f(GM，r））可知，衛(wèi)星越高，半徑越大,衛(wèi)星的繞行速度就越?。?．第一宇宙速度的兩種求解方法(1)由萬(wàn)有引力提供向心力得,Geq\f(Mm,r2）＝meq\f（v2，r)，所以衛(wèi)星的線速度v＝eq\r（\f(GM,r))，第一宇宙速度是指物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，則當(dāng)r＝R時(shí)得第一宇宙速度v＝eq\r（\f(GM,R)）(M為地球質(zhì)量，R為地球半徑)．(2)對(duì)于近地衛(wèi)星，重力近似等于萬(wàn)有引力，提供向心力：mg＝eq\f（mv2,R）得v＝eq\r(gR)，g為地球表面的重力加速度．3．人造衛(wèi)星的兩種變軌問(wèn)題（1）制動(dòng)變軌：衛(wèi)星的速率變小時(shí)，使得萬(wàn)有引力大于所需向心力，即Geq\f(Mm，r2）＞meq\f(v2,r)，衛(wèi)星做向心運(yùn)動(dòng),軌道半徑將變小，所以要使衛(wèi)星的軌道半徑變小,需開動(dòng)反沖發(fā)動(dòng)機(jī)使衛(wèi)星做減速運(yùn)動(dòng)．(2)加速變軌:衛(wèi)星的速率增大時(shí)，使得萬(wàn)有引力小于所需向心力,即Geq\f（Mm,r2)＜meq\f（v2，r)，衛(wèi)星做離心運(yùn)動(dòng)，軌道半徑將變大，所以要使衛(wèi)星的軌道半徑變大，需開動(dòng)反沖發(fā)動(dòng)機(jī)使衛(wèi)星做加速運(yùn)動(dòng)．【例2】（多選)下列關(guān)于三種宇宙速度的說(shuō)法中正確的是（)A．第一宇宙速度v1＝7。9km/s，第二宇宙速度v2＝11。2km/s，則人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度大于等于v1，小于v2B．美國(guó)發(fā)射的“鳳凰號(hào)”火星探測(cè)衛(wèi)星，其發(fā)射速度大于第三宇宙速度C．第二宇宙速度是物體可以掙脫地球引力束縛，成為繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造小行星的最小發(fā)射速度D．第一宇宙速度7。9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度思路點(diǎn)撥：本題主要考查對(duì)三種宇宙速度的理解,要結(jié)合自己已經(jīng)掌握的有關(guān)宇宙速度的知識(shí)進(jìn)行分析．CD[根據(jù)v＝eq\r（\f（GM,r))可知,衛(wèi)星的軌道半徑r越大，即距離地面越遠(yuǎn)，衛(wèi)星的環(huán)繞速度越小，v1＝7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度，選項(xiàng)D正確；實(shí)際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，故衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度都小于第一宇宙速度，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；美國(guó)發(fā)射的“鳳凰號(hào)”火星探測(cè)衛(wèi)星仍在太陽(yáng)系內(nèi),所以其發(fā)射速度小于第三宇宙速度，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；第二宇宙速度是使物體掙脫地球束縛而成為太陽(yáng)的一顆人造小行星的最小發(fā)射速度，選項(xiàng)C正確．］衛(wèi)星變軌問(wèn)題的分析技巧1．根據(jù)引力與需要的向心力的關(guān)系分析:（1)當(dāng)衛(wèi)星繞天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，萬(wàn)有引力提供向心力，由Geq\f(Mm，r2)＝meq\f（v2，r)，得v＝eq\r（\f（GM,r））,由此可見軌道半徑r越大，線速度v越?。?)當(dāng)由于某原因速度v突然改變時(shí)，若速度v減小，則F＞meq\f(v2，r),衛(wèi)星將做近心運(yùn)動(dòng)，軌跡為橢圓；若速度v增大，則F＜meq\f(v2,r)，衛(wèi)星將做離心運(yùn)動(dòng)，軌跡為橢圓，此時(shí)可用開普勒三定律分析其運(yùn)動(dòng)．2．衛(wèi)星到達(dá)橢圓軌道與圓軌道的切點(diǎn)時(shí)，衛(wèi)星受到的萬(wàn)有引力相同,所以加速度相同．2．若取地球的第一宇宙速度為8km/s，某行星質(zhì)量是地球的6倍，半徑是地球的1.5倍,此行星的第一宇宙速度約為（）A．16km/s B．32km/sC．4km/s D．2km/sA[第一宇宙速度是近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度,對(duì)于近地衛(wèi)星，其軌道半徑近似等于星球半徑,所受萬(wàn)有引力提供其做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,根據(jù)萬(wàn)有引力定律和牛頓第二定律得Geq\f(Mm,r2)＝meq\f（v2，r），解得v＝eq\r(\f(GM，r））.因?yàn)樾行堑馁|(zhì)量M′是地球質(zhì)量M的6倍，半徑R′是地球半徑R的1.5倍，故eq\f（v′,v)＝eq\f(\r（\f（GM′,R′)),\r(\f（GM，R）)）＝eq\r（\f(M′R,MR′）)＝2，即v′＝2v＝2×8km/s＝16km/s,A正確．］1．人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),假如衛(wèi)星的線速度減小到原來(lái)的eq\f(1，2），衛(wèi)星仍做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則()A．衛(wèi)星的向心加速度減小到原來(lái)的eq\f（1，4）B．衛(wèi)星的角速度減小到原來(lái)的eq\f（1，2）C．衛(wèi)星的周期增大到原來(lái)的8倍D．衛(wèi)星的周期增大到原來(lái)的2倍C[由公式eq\f（GMm，R2)＝meq\f(v2，R)可知，R＝eq\f（GM,v2）,線速度減為原來(lái)的eq\f(1,2)時(shí)，其軌道半徑R變?yōu)樵瓉?lái)4倍，由eq\f(GMm，R2）＝mω2·R＝meq\f（4π2,T2)·R＝ma可知，當(dāng)R變?yōu)樵瓉?lái)的4倍時(shí),其向心加速度變?yōu)樵瓉?lái)的eq\f(1,16），選項(xiàng)A錯(cuò)誤；其角速度減小到原來(lái)的eq\f（1，8)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤，其周期增長(zhǎng)到原來(lái)的8倍，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤．］2．（多選)如圖所示，三顆人造衛(wèi)星正在圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則下列有關(guān)說(shuō)法中正確的是（)A．衛(wèi)星可能的軌道為a、b、cB．衛(wèi)星可能的軌道為a、cC．同步衛(wèi)星可能的軌道為a、cD．同步衛(wèi)星可能的軌道為aBD［衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心必須與地心重合,所以衛(wèi)星可能的軌道為a、c，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；同步衛(wèi)星位于赤道的上方,可能的軌道為a,選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確．］3.(多選）發(fā)射地球同步衛(wèi)星時(shí)，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后點(diǎn)火，使其沿橢圓軌道2運(yùn)動(dòng)，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)，如圖所示．當(dāng)衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，以下說(shuō)法正確的是(）A．衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道