新教材物理粵教版課件34宇宙速度與航天

第四節(jié)宇宙速度與航天必備知識(shí)·自主學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)一第一宇宙速度【情境思考】牛頓說在高山上架起一門大炮,只要這門炮的威力足夠大,炮彈將不會(huì)落到地面,成為地球的一顆衛(wèi)星,是什么力使炮彈繞地球運(yùn)動(dòng)呢?提示:炮彈與地球之間的萬有引力。1.對(duì)第一宇宙速度的理解:第一宇宙速度是在地面上發(fā)射衛(wèi)星的最小速度,等于衛(wèi)星圍繞地球表面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度。2.第一宇宙速度數(shù)值推導(dǎo):物體繞地球運(yùn)動(dòng)可視作勻速圓周運(yùn)動(dòng),萬有引力充當(dāng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力,即(m地是地球的質(zhì)量,r是物體做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑)。r近似等于地球半徑代入數(shù)據(jù)得v=≈_________。

7.9km/s知識(shí)點(diǎn)二第二宇宙速度v=__________時(shí),使飛行器掙脫地球束縛的最小地面發(fā)射速度,這個(gè)速度叫作第二宇宙速度又叫逃逸速度。

知識(shí)點(diǎn)三第三宇宙速度v=__________時(shí),使飛行器掙脫太陽束縛的最小地面發(fā)射速度。這個(gè)速度叫作第三宇宙速度。

11.2km/s16.7km/s【易錯(cuò)辨析】(1)第一宇宙速度是衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最小速度。 ()(2)第一宇宙速度的大小與地球質(zhì)量有關(guān)。 ()(3)月球的第一宇宙速度也是7.9km/s。 ()(4)若物體的速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度,則物體可繞太陽運(yùn)行。 ()(5)要發(fā)射一顆月球衛(wèi)星,在地面的發(fā)射速度應(yīng)大于16.7km/s。 ()×√×√×關(guān)鍵能力·合作學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)一第一宇宙速度角度1第一宇宙速度的定性分析1.第一宇宙速度:第一宇宙速度是衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具備的速度,即近地環(huán)繞速度。提醒:衛(wèi)星近地環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)軌道半徑可近似看成地球半徑。2.決定因素:由公式v=可得出第一宇宙速度數(shù)值由中心天體決定,大小取決于地球質(zhì)量m地和地球半徑R。提醒:由=mg還可得出第一宇宙速度v=。3.“最小發(fā)射速度”:發(fā)射人造衛(wèi)星的速度如果低于第一宇宙速度,由于受到地球引力的作用,衛(wèi)星會(huì)落到地球上。所以第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度。提醒:發(fā)射速度是指衛(wèi)星與火箭分離時(shí)的速度。4.“最大環(huán)繞速度”:在所有的環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星中,近地衛(wèi)星的軌道半徑最小,由公式得v=,軌道半徑越小,線速度越大,所以第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度。提醒:環(huán)繞速度即運(yùn)行速度與發(fā)射速度概念不同?！締栴}探究】在離地面150km左右飛行的航天器,能說在地面附近飛行嗎?為什么?提示:能,150km相對(duì)于地球6400km的半徑來說可以忽略?！镜淅痉丁?/p>

【典例1】(多選)關(guān)于第一宇宙速度,以下敘述正確的是 ()A.它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B.它是近地圓軌道上人造衛(wèi)星的運(yùn)行速度C.它是使衛(wèi)星進(jìn)入軌道的最小發(fā)射速度D.它是人造衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的最大速度【解析】選B、C。第一宇宙速度是衛(wèi)星繞天體表面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。第一宇宙速度滿足關(guān)系式,由此得到v=,由此式可得到第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度。衛(wèi)星發(fā)射得越高,需要的發(fā)射速度越大,故第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度。選項(xiàng)B、C正確。角度2第一宇宙速度的定量計(jì)算1.根據(jù)星球表面的重力加速度計(jì)算它的第一宇宙速度,依據(jù)=mg。2.根據(jù)星球近地衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)計(jì)算它的第一宇宙速度,依據(jù)【典例示范】

【典例2】(多選)已知火星的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的,火星的半徑約為地球半徑的。下列關(guān)于火星探測(cè)器的說法中正確的是 ()A.發(fā)射速度只要大于第一宇宙速度即可B.發(fā)射速度只有達(dá)到第三宇宙速度才可以C.發(fā)射速度應(yīng)大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度D.火星探測(cè)器環(huán)繞火星運(yùn)行的最大速度為地球第一宇宙速度的

【解析】選C、D。根據(jù)三個(gè)宇宙速度的意義,可知選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤,選項(xiàng)C正確;已知【素養(yǎng)訓(xùn)練】1.(母題追問)(多選)在典例1的情景中下列說法正確的是 ()A.被發(fā)射的物體質(zhì)量越大,第一宇宙速度越大B.被發(fā)射的物體質(zhì)量越小,第一宇宙速度越大C.第一宇宙速度與被發(fā)射物體的質(zhì)量無關(guān)D.第一宇宙速度與地球的質(zhì)量有關(guān)【解析】選C、D。設(shè)地球質(zhì)量為M,半徑為R,則由得第一宇宙速度v=,故v與地球質(zhì)量有關(guān),與被發(fā)射物體的質(zhì)量無關(guān)。2.金星的半徑是地球半徑的95%,質(zhì)量為地球質(zhì)量的82%,近地衛(wèi)星與環(huán)繞金星表面衛(wèi)星的周期之比是多少?向心加速度之比是多少?【解析】地球和金星的近地衛(wèi)星都是萬有引力提供做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力,即答案:

【加固訓(xùn)練】某人在一星球表面上以速度v0豎直上拋一物體,經(jīng)過時(shí)間t后物體落回手中。已知星球半徑為R,那么沿星球表面將物體拋出,要使物體不再落回星球表面,拋射速度至少為 ()

【解析】選B。要使物體不再落回星球表面,拋射速度必須達(dá)到星球的第一宇宙速度,滿足v=,而由豎直上拋規(guī)律知v0=gt,所以v=。

知識(shí)點(diǎn)二人造地球衛(wèi)星角度1人造地球衛(wèi)星軌道特點(diǎn)1.衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)遵循的規(guī)律:衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)時(shí),地心在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上,衛(wèi)星的周期和半長軸的關(guān)系遵循開普勒第三定律?！締栴}探究】地球的周圍,有許多的衛(wèi)星在不同的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動(dòng),這些衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)所需的向心力都是什么力提供的?

提示:地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供向心力。特點(diǎn)內(nèi)容周期一定與地球自轉(zhuǎn)周期相同,即T=24h=86400s角速度一定與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同高度一定衛(wèi)星離地面高度h=r-R≈6R(為恒量)向心加速度大小一定an=0.23m/s2軌道平面一定軌道平面與赤道平面共面三大宇宙速度第三宇宙速度：v=16.7km/s離開太陽奔向遠(yuǎn)方第一宇宙速度：v=7.9km/s近地環(huán)繞的線速度最小發(fā)射速度最大環(huán)繞速度第二宇宙速度：v=11.2km/s離開地球奔向太陽同步衛(wèi)星周期一定：T=24h軌道平面一定：與赤道平面共面高度一定：離地面高度h≈6R情境·模型·素養(yǎng)【生產(chǎn)情境】我國的空間站有望在2022年投入運(yùn)轉(zhuǎn),支持在軌實(shí)施空間天文、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)研究與應(yīng)用項(xiàng)目。探究:(1)為什么宇宙飛船與空間站對(duì)接前不在同一軌道?(2)宇宙飛船與空間站對(duì)接后,空間站的周期會(huì)變化嗎?【解析】(1)由關(guān)系式得v=,飛船在較低軌道上加速,需要的向心力變大,但此高度萬有引力不變故做離心運(yùn)動(dòng),飛到較高的軌道與空間站對(duì)接。(2)由關(guān)系式得T=2π,則運(yùn)行周期和軌道半徑、中心天體質(zhì)量有關(guān)與空間站質(zhì)量無關(guān),故空間站周期不變。答案:見解析課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.(多選)關(guān)于人造地球衛(wèi)星的環(huán)繞速度可能正確的是 ()=11.2km/s=7.9km/sC.7.9km/s<v<11.2km/s <7.9km/s【解析】選B、D。人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行時(shí),當(dāng)繞地球表面運(yùn)行時(shí),環(huán)繞速度最大,半徑越大,環(huán)繞速度越小,故環(huán)繞速度一定小于等于7.9km/s。2.如圖所示,人造衛(wèi)星M、N分別繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),關(guān)于它們的線速度、角速度、向心加速度和周期的大小的比較,下列說法正確的是 ()A.衛(wèi)星M的線速度小于衛(wèi)星N的線速度B.衛(wèi)星M的向心加速度小于衛(wèi)星N的向心加速度C.衛(wèi)星M的角速度大于衛(wèi)星N的角速度D.衛(wèi)星M的周期大于衛(wèi)星N的周期【解析】選C。人造衛(wèi)星M、N分別繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),均由萬有引力提供向心力,則有:=ma=mrω2=,得:因?yàn)閞M<rN,則vM>vN,aM>aN,ωM>ωN,TM<TN。【解析】選A。=ma。解得:

由角速度、加速度的表達(dá)式可得出:半徑大的角速度小,加速度小,故A正確,B錯(cuò)誤;軌道半徑大的線速度小,則衛(wèi)星a的運(yùn)行速度小于第一宇宙速度,故C錯(cuò)誤;b、a的軌道半徑相同,周期相同為24h,故D錯(cuò)誤。4.嫦娥四號(hào)探測(cè)器作為世界首個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的航天器,其主要任務(wù)是著陸月球表面,繼續(xù)更深層次更加全面地科學(xué)探測(cè)月球地質(zhì)、資源等方面的信息,完善月球的檔案資料。嫦娥四號(hào)探測(cè)器在月球表面著陸過程十分復(fù)雜,要經(jīng)過一系列的軌道變換,其中就包括如圖所示的由圓形軌道變軌為與之相切的橢圓軌道。下列說法正確的是 ()A.嫦娥四號(hào)沿圓軌道運(yùn)行時(shí)加速度等于月球表面的重力加速度B.嫦娥四號(hào)沿橢圓軌道運(yùn)行時(shí),越接近月球其運(yùn)行速率越小C.嫦娥四號(hào)在圓軌道上運(yùn)行的周期大于在橢圓形軌道上運(yùn)行時(shí)的周期D