2018-2019学年高中物理第六章万有引力与航天6.5宇宙航行课件新人教版必修2
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【高中物理】2018-2019学年最新高一物理人教版必修2课件：第六章5.宇宙航行
预习交流 1 人造卫星为何总要向东发射? 提示:由于地球的自转由西向东,如果我们顺着地球自转的方向, 即向东发射卫星,就可以充分利用地球自转的惯性,节省发射所需能 量。
二、宇宙速度 1.第一宇宙速度:是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的 速度,也叫作地面附近的环绕速度,也是在地面上进行卫星发射的最 小速度,数值为 7.9 km/s。 2.第二宇宙速度:数值为 11.2 km/s,当物体速度大于或等于这个 数值时,它就会克服地球引力,永远离开地球,因此第二宇宙速度也叫 地面附近的脱离速度,当物体的绕行速度大于第一宇宙速度而小于 第二宇宙速度时,轨道为椭圆。 3.第三宇宙速度:数值为 16.7 km/s,它是地面发射一个物体要挣 脱太阳引力的束缚,飞到太阳系外的最小速度。 预习交流 2 发射速度增大,卫星的运动轨迹有什么变化规律? 提示:当发射速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间时,卫 星的运动轨迹是椭圆,发射速度越大,椭圆轨道的远地点离地球越远。 发射速度大于第二宇宙速度时,卫星会永远离开地球。 发射速度大于 第三宇宙速度时,卫星则飞出太阳系。所以,发射速度越大,卫星所能 到达的最远位置离地球越远。
2.原理
������������2 = =mω2r。 ������ ������������ 其中 r 为卫星到地心的距离,则卫星在轨道上运行的线速度 v= , ������ ������3 ������������ 2π 2π 角速度 ω= 3 。由 ω= 得运行周期 T=_____________ 。 ������������ ������ ������ ������������������ 卫星绕地球转动时,万有引力提供向心力,即 2 ������
Mm r2 r2
关系式
v2 r
2018-2019学年高中物理 第六章 万有引力与航天 4 万有引力理论的成就优质课件 新人教版必修
[答案] C [解析] 根据万有引力提供向 ＝m2Tπ2r，代入数值可 M≈6.0×1024 kg，选项 C
学习互动
[点评] 本题为应用万有引力定律计算中心天体质量的基本计算题，解题时 值计算的准确性，尤其是代入数据时要统一成国际单位．
学习互动
考点二 计算计算天体的密度
[想一想] 不知道天体体积，如何计算天体密度呢？
地面上重力加速度的4倍，
则该星球的质量是地球
质量的( )
A. 1/4
B．4倍
C．16倍 D．64倍
[答案] D
GMm
gR2
M
[解析] 由 R2 ＝mg 得 M＝ G ，ρ＝ V ＝
3g R 3g 4πGρ地 g 故 R＝4πGρ，R地＝4πGρ· 3g地 ＝g地＝4
gR2 星球半径是地球半径的 4 倍．根据 M＝ G ， ＝64.
教学建议
这节课通过对一些天体运动的实例分析，使学生了解：通常物体之间的万 觉察不出来，但在天体运动中，由于天体的质量很大，万有引力将起决定 的发展起了很大的推动作用，其中一个重要的应用就是计算天体的质量． 在讲课时，应用万有引力定律有两条思路要交待清楚．
1．把天体(或卫星)的运动看成是匀速圆周运动，即F引＝F向，用于计算天体
【导入一】 同学们经常收看卫星电视节目，卫星电视信号就是通过通信卫星进行转 么能高高悬挂在天上呢？这节课我们重点研究人造卫星问题． 【导入二】 同学们都知道月球是地球的卫星，而且地球只有一个天然卫星，但是月 类迄今为止已经给月球发射了很多小伙伴——人造地球卫星．这节课我 卫星问题.
新课导入
运动，它比直线运动复杂，为研究复杂的运动，就需要把复杂的运动分为 节课我们就来学习一种常用的一种方法——运动的合成与分解． 【导入二】 播放课件：蜡块在竖直方向做速度为v1的匀速直线运动，水平方向做速 运动，实际运动轨迹为斜向上的匀速直线运动． 思考：轨迹真的是直线吗？用什么方法可以搞清楚这个问题？ 尝试：建立直角坐标系；求出蜡块在坐标系中的轨迹方程，就可以知道该
2018_2019学年高中物理第六章万有引力与航天章末总结课件新人教版
知识网络
第一定律( 轨道 定律) 万 有 引 力 与 航 天 内容 公式：F＝
G
开普勒行星运动定律
第二定律( 面积 定律) 第三定律( 周期 定律)
m1m2 r2 ，G为引力常量，由卡文迪许 在实验室
万有引
中测定 (2) 两个质量分布均匀 的球体间的相互作用 (3)质点与 质量分布均匀 的球体间的相互作用
的成
就
计算
天体的
M 4 3 R 密度：ρ＝_____ ⇒ 3
3r 3 2 3 GT R ——高空测量 ρ＝______
3 GT 2 ——表面测量 ρ＝_____
万 有 引 力 与 航 天
万有 引力
Mm G 2 ＝ 理论 人造地球卫星： r
的成 就
3 r 2 4 m 2 r ⇒T＝_______ GM T GM v r m ⇒v＝_____ r GM r3 mω2r⇒ω＝_____ GM r2 man⇒an＝____
第一宇宙速度： 7.9 /s 第三宇宙速度： 16.7 km/s
力定律 适用条件：(1) 质点 间的相互作用
万 有 引 力 与 航 天 万有
GMm gR 2 2 R G 计算地球的质量(mg＝F万)：mg＝ ⇒M＝_____
(忽略地球自转影响)
GMm 4 质量(F万＝Fn)： r 2 ＝m 2 r⇒ T
引力
理论
4 r 3 M＝ GT 2 4 R 3 GT 2 r＝R，M＝_____
第一定律( 轨道 定律) 万 有 引 力 与 航 天 内容 公式：F＝
G
开普勒行星运动定律
第二定律( 面积 定律) 第三定律( 周期 定律)
m1m2 r2 ，G为引力常量，由卡文迪许 在实验室
万有引
中测定 (2) 两个质量分布均匀 的球体间的相互作用 (3)质点与 质量分布均匀 的球体间的相互作用
的成
就
计算
天体的
M 4 3 R 密度：ρ＝_____ ⇒ 3
3r 3 2 3 GT R ——高空测量 ρ＝______
3 GT 2 ——表面测量 ρ＝_____
万 有 引 力 与 航 天
万有 引力
Mm G 2 ＝ 理论 人造地球卫星： r
的成 就
3 r 2 4 m 2 r ⇒T＝_______ GM T GM v r m ⇒v＝_____ r GM r3 mω2r⇒ω＝_____ GM r2 man⇒an＝____
第一宇宙速度： 7.9 /s 第三宇宙速度： 16.7 km/s
力定律 适用条件：(1) 质点 间的相互作用
万 有 引 力 与 航 天 万有
GMm gR 2 2 R G 计算地球的质量(mg＝F万)：mg＝ ⇒M＝_____
(忽略地球自转影响)
GMm 4 质量(F万＝Fn)： r 2 ＝m 2 r⇒ T
引力
理论
4 r 3 M＝ GT 2 4 R 3 GT 2 r＝R，M＝_____
2018-2019学年高中物理 第六章 万有引力与航天 1 行星的运动优质课件 新人教版必修2
[答案] C
[解析] 由开普勒第二定律 恒星的连线在相同时间内 的面积；A离恒星较近，要 间内扫过相同的面积，则 的弧长，所以在A点的速度 在B点的速度是最小的，故 错误．所以从A到B是减速 是加速运动，选项C正确，
自我检测
3．(开普勒第三定律的理解)理论和实践证明， 开普勒行星运动定律不仅适用于太阳系中的天 体运动，而且对一切天体(包括卫星绕行星的运 动)都适用．关于开普勒第三定律的公式a2/T2＝ k，下列说法正确的是( ) A．公式只适用于轨道是椭圆的运动 B．式中的k值，对于所有行星(或卫星)都相等 C．式中的k值，只与中心天体有关，与绕中心 天体旋转的行星(或卫星)无关 D．若已知月球与地球之间的距离，根据公式可 求出地球与太阳之间的距离
学习互动
a3 例 2 (多选)关于开普勒第三定律的公式T2＝k，以下理解正确的是( A．研究行星绕太阳的运转时，k 是一个与行星无关的量 B．若地球绕太阳运转轨道的半长轴为 a，周期为 T，月球绕地球运转轨道的
a3 a′3 周期为 T′，则T2＝T′2 C．T 表示行星运动的自转周期 D．T 表示行星运动的公转周期
【导入二】 在浩瀚的宇宙中有着无数大小不一、形态各异的天体，如月亮、地球
星星……日出日落，斗转星移，各种天体都在不停地运动，我们知道：月 球绕着太阳转，地球在公转的同时还在自转，天体的运动遵循着什么样的 星体的运动，有地心说和日心说，我们知道地心说是错误的，那么日心说 呢？行星是否在做完美的匀速圆周运动呢？“坐地日行八万里，巡天遥看 些无数天体组成的广袤无垠的宇宙始终是人们渴望了解、不断探索的领域 们沿着先辈们的足迹去了解行星的运动特点.
新课导入
【导入一】 我们与无数生灵生活在地球上，白天我们沐浴着太阳的光辉．夜晚
2018-2019学年高中物理(人教版)必修二课件：第六章 万有引力与航天 专题二
[完美答案]
(1)2π
R＋h3 (2) 2 gR
2π gR2 3－ω0 R＋h
本例中第1问的解答就是用了前面图中的 2、3 等式 组合而成，在万有引力的解题过程中，首先考虑的就是 图中几个表达式之间的关系。2问是第五、六节导学案 里的“相遇问题”。
[变式训练1] 量如下表所示：
课堂任务
万有引力与“抛体”相结合的问题
万有引力与“抛体”类知识的结合问题，涉及的 “抛体”往往是平抛、竖直上抛，也可以是自由落体运 动。解决这类问题很简单，就是要以重力加速度为中间 桥梁。
1．解决各物理量与轨道半径 r 之间关系的问题
2 v Mm (1)环绕速度：由 G 2 ＝m 得到 v＝ r r
GM 。(利 r GM 。(利用 r3
用了图中 1 的等式) Mm 2 (2)角速度：由 G 2 ＝mω r 得到 ω＝ r 了图中 2 的等式)
4π2 Mm (3)公转周期：由G 2 ＝m 2 r得到T＝ r T
行星名称 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星
太阳系八大行星绕太阳运动的轨道
可粗略地认为是圆，各行星的星球半径、日星距离和质
星球半径/106 m 2.44 6.05 6.38 3.40 71.49 60.27 25.56 24.79 日星距离/1011 m 0.58 1.08 1.50 2.28 7.78 14.29 28.70 45.04 质量/1024 kg 0.33 4.87 5.97 0.64 1900 568 86.8 102
2 v Mm 我们把本章解题常用的四个表达式 G 2 ， mg， m ， r r
mω2r 按照如图所示进行组合， 可以看出有 6 种方式(虚线 的部分是圆周运动常用的，本章基本不直接用，所以没
2018高中物理人教必修2课件：第六章 万有引力与航天 6-5宇宙航行
课堂互动探究 知识点一 对第一宇宙速度的理解与计算 1．认识第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕 地球做匀速圆周运动必须具备的速度，即近地卫星的环绕速度．
2．推导 万有引力提供卫星运动的 重力提供卫星运动 向心力 的向心力 2 v2 Mm v 公式 G R2 ＝m R mg＝m R GM 结果 v＝ gR v＝ R
v＝ GM r
2
2．字航员在月球上做自由落体实验，将某物体由距月球表 面高 h 处释放，经时间 t 后落到月球表面(设月球半径为 R)．据 上述信息推断， 飞船在月球表面附近绕月球做匀速圆周运动所必 须具有的速率为( ) 2 Rh 2Rh Rh Rh A. t B. t C. t D. 2t
解析：设月球表面的重力加速度为 g′，由物体“自由落 1 2 体”可得 h＝2g′t ，飞船在月球表面附近做匀速圆周运动可得 2 2Rh Mm v GMm G R2 ＝m R ，在月球表面附近 mg′＝ R2 ，联立得 v＝ t ， 故 B 正确． 答案：B
5.宇宙航行
学习目标 (1)了解人造卫星的有关知识． (2)知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度． (3)正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系.
知识导图
课前自主学习 一、宇宙速度 阅读教材第 44 页“宇宙速度”部分，回答下列问题. 1．人造地球卫星的发射原理 (1)牛顿的设想：在高山上水平抛出一个物体 ，当初速度足 够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕 地球转动的人造地球卫星． (2)原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆 2 v Mm 周运动，向心力由地球对它的万有引力提供，即 G r2 ＝m r ，则 GM 卫星在轨道上运行的线速度 v＝ 宇宙速度是人造地球卫星运行时的最大速度 B．第一宇宙速度是地球同步卫星的发射速度 C．人造地球卫星运行时的速度介于第一宇宙速度和第二宇 宙速度之间 D．第三宇宙速度是物体逃离地球的最小速度
人教版高中物理必修2第六章6.5宇宙航行(共26张PPT)
1、人造卫星的发射原理 2、宇宙速度 3、人造卫星的运动规律 4、地球同步卫星
高中物理 · 人教版·必修二
1－1 1、人造卫星的发射原理
从平抛运动的思考说起
回答下列问题： 1、平抛物体速度逐渐增大，
物体的落地点怎样变化？
2、速度达到一定值后，物体 能否落回地面
第7页
高中物理 · 人教版·必修二
总结：
人造卫星的问题都可从下列关 系去列运动方程，即:
重力=万有引力=向心力
mg =G
Mm r2
m
v2 r
式中：r R h
g是高空h处的重力加速度
晚年，陶成道把47个自制的火箭绑在椅子上，自己坐在 上面，双手举着2只大风筝，然后叫人点火发射。设想利 用火箭的推力，加上风筝的力量飞起。 那仆人说:"倘若飞天不成，主人的性命怕是难保。"
万户仰天大笑，说道:"飞天，乃是我中华千年之夙愿。今 天，我纵然粉身碎骨，血溅天疆，也要为后世闯出一条 探天的道路来。你等不必害怕，快来点火!" 不幸火箭爆炸，万户也为此献出了生命。
第24页
高中物理 · 人教版·必修二
巩固练习（二）
天舟一号货运飞船于2017年4月20日19时41分发射升空，天舟
一号发射获得圆满成功。进入高度约380公里的运行轨道。已知地
球半径为6400km，这颗卫星的运动速度约为
A、11.2km／s
C B、7.9km／s
C、7.6km／s
D、2.1km／s
第25页
g 10m / s2
R 6.37106 m
第12页
高中物理 · 人教版·必修二
总结：凡是人造卫星的问题都可从 下列关系去列运动方程，即:
高中物理 · 人教版·必修二
1－1 1、人造卫星的发射原理
从平抛运动的思考说起
回答下列问题： 1、平抛物体速度逐渐增大，
物体的落地点怎样变化？
2、速度达到一定值后，物体 能否落回地面
第7页
高中物理 · 人教版·必修二
总结：
人造卫星的问题都可从下列关 系去列运动方程，即:
重力=万有引力=向心力
mg =G
Mm r2
m
v2 r
式中：r R h
g是高空h处的重力加速度
晚年，陶成道把47个自制的火箭绑在椅子上，自己坐在 上面，双手举着2只大风筝，然后叫人点火发射。设想利 用火箭的推力，加上风筝的力量飞起。 那仆人说:"倘若飞天不成，主人的性命怕是难保。"
万户仰天大笑，说道:"飞天，乃是我中华千年之夙愿。今 天，我纵然粉身碎骨，血溅天疆，也要为后世闯出一条 探天的道路来。你等不必害怕，快来点火!" 不幸火箭爆炸，万户也为此献出了生命。
第24页
高中物理 · 人教版·必修二
巩固练习（二）
天舟一号货运飞船于2017年4月20日19时41分发射升空，天舟
一号发射获得圆满成功。进入高度约380公里的运行轨道。已知地
球半径为6400km，这颗卫星的运动速度约为
A、11.2km／s
C B、7.9km／s
C、7.6km／s
D、2.1km／s
第25页
g 10m / s2
R 6.37106 m
第12页
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总结：凡是人造卫星的问题都可从 下列关系去列运动方程，即:
人教版高中物理必修二6.5宇宙航行(共27张ppt)
四、梦想成真
世界航天史：
1、1957年10月4日世界上第一颗人造卫星在苏联发射成功。
2、1961年4月12日苏联空军少校加加林进入了东方一号载人 飞船。飞船绕地球飞行一圈，历时108分，安全降落在地面， 铸就了人类进入太空的丰碑。
3、1969年7月16时32分，阿波罗11号飞船在美国卡纳维拉尔 角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月20 日10时56分，阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出那句 载入史册的名言：“对个人来说，这不过十小小的一步，但对 人类而言，却是巨大的飞跃。”
4、1992年中国载人航天工程正式启动。2003年10月15日9时， 我国神州五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国 第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后，于 10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。
5、2005年10月12日—17日，神舟六号载人飞船经 过115小时32分的太空飞行，在完成我们真正意义 上有人参与的空间科学实验后返航顺利着陆，航天 员费俊龙、聂海胜安全返回。 6、我国探月计划 2004年－2007年 为“绕”的阶段，主要目标是发 射“嫦娥一号”探测卫星，对月球进行为期1年的全 球性、整体性和综合性探测。 2007年－2012年 为“落”的阶段，主要目标是实 现月球表面软着陆与月球巡视探测。 2012年－2017年 为“回”的阶段，主要目标是实 现月球表面软着陆并采样返回。
A 火卫一距离火星表面较近 B 火卫二的角速度较大 C 火卫一的运动速度较大 D 火卫二的向心加速度较大
5.在地球(看作质量均匀分布的球体)上空有许多 同步卫星,下列说法中正确的是 ( A )
A.它们地质量可能不同
B.它们的速率可能不同
C.它们的向心加速度大小可能不同
(新课标)2018版高中物理 第六章 万有引力与航天 6-3 万有引力定律课件 新人教版必修2
A．公式中 G 为引力常量，是牛顿通过计算得出的 B．引力常量 G 与中心天体有关，与行星无关 C．m1、m2 之间的万有引力总是大小相等，与 m1、m2 的质 量是否相等无关 D．m1、m2 之间的万有引力总是大小相等、方向相反，是一 对平衡力
【答案】 C 【解析】 万有引力常量是卡文迪许通过实验测出的，是一 个确定的常量，故 A 项错误，引力常量 G 与两个物体都无关， 故 B 项错误．两物体间的万有引力是一对作用力和反作用力，故 C 项对，D 项错误．
m/s2
可以验证ag＝Rr22成立，即 a＝6102g.
3．结论：地面物体所受地球引力，月球所受地球引力，太 阳与行星间的引力，遵从相同的规律．
二、万有引力定律 1．内容：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的 大小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟他们的距离的二次方 成反比．
2．公式：F＝Gmr1m2 2. (1)公式中的 F 表示两物体间的万有引力，m1、m2 是两个物 体的质量，r 是两物体间的距离，即把两物体看成质点来处理， 不是两物体外表间距离． (2)计算时注意分母是 r2，不是 r；G 是比例系数，称为万有 引力常量，它是适用于任何两物体的普适恒量，其值由实验测出， G≈6.67×10－11 N·m2/kg2.
火箭启动前：据平衡条件 FN1＝mg
火箭启动后：据牛顿第二定律 FN2－mg1＝m·g2 由题意知 FN2＝1178FN1，所以 g1＝49g 在地面：mg≈GmRM2 火箭距地面高度为 H 处：mg1＝G·（RM＋mH）2 所以49g＝（Rg＋RH2 ）2 解得 H＝R2
1990 年 5 月，紫金山天文台将他们发现的第 2752
2．黄金代换 由于物体随地球自转需要的向心力很小，一般情况下认为重 力近似等于万有引力．因此不考虑(忽略)地球自转的影响时，在 地球附近有 mg＝GMRm2 ，化简得 gR2＝GM.gR2＝GM 通常叫做 黄金代换式，适用于任何天体，主要用于某星体的质量 M 未知 的情况下，用该星体的半径 R 和表面的“重力加速度 g”代换 M.
【答案】 C 【解析】 万有引力常量是卡文迪许通过实验测出的，是一 个确定的常量，故 A 项错误，引力常量 G 与两个物体都无关， 故 B 项错误．两物体间的万有引力是一对作用力和反作用力，故 C 项对，D 项错误．
m/s2
可以验证ag＝Rr22成立，即 a＝6102g.
3．结论：地面物体所受地球引力，月球所受地球引力，太 阳与行星间的引力，遵从相同的规律．
二、万有引力定律 1．内容：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的 大小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟他们的距离的二次方 成反比．
2．公式：F＝Gmr1m2 2. (1)公式中的 F 表示两物体间的万有引力，m1、m2 是两个物 体的质量，r 是两物体间的距离，即把两物体看成质点来处理， 不是两物体外表间距离． (2)计算时注意分母是 r2，不是 r；G 是比例系数，称为万有 引力常量，它是适用于任何两物体的普适恒量，其值由实验测出， G≈6.67×10－11 N·m2/kg2.
火箭启动前：据平衡条件 FN1＝mg
火箭启动后：据牛顿第二定律 FN2－mg1＝m·g2 由题意知 FN2＝1178FN1，所以 g1＝49g 在地面：mg≈GmRM2 火箭距地面高度为 H 处：mg1＝G·（RM＋mH）2 所以49g＝（Rg＋RH2 ）2 解得 H＝R2
1990 年 5 月，紫金山天文台将他们发现的第 2752
2．黄金代换 由于物体随地球自转需要的向心力很小，一般情况下认为重 力近似等于万有引力．因此不考虑(忽略)地球自转的影响时，在 地球附近有 mg＝GMRm2 ，化简得 gR2＝GM.gR2＝GM 通常叫做 黄金代换式，适用于任何天体，主要用于某星体的质量 M 未知 的情况下，用该星体的半径 R 和表面的“重力加速度 g”代换 M.
人教版高一物理必修二第六章 万有引力与航天总结(共16张ppt)
8
三、卫星变轨问题
1.发射（离心运动）：卫星在轨道Ⅰ上的Q点加速进入Ⅱ轨 道，在Ⅱ轨道上的P点加速进入Ⅲ轨道。
2.回收（近心运动）：卫星在轨道Ⅲ上的P点减速进入Ⅱ轨
规 道，在Ⅱ轨道上的Q点减速进入Ⅰ轨道。
律 3.Ⅰ、Ⅱ轨道上Q点，Ⅱ、Ⅲ轨道上P点的速度和加速度的 总 大小关系。
结
vQ2 > vQ1, vP3 > vP2
C.由A中的表达式可知：C正确
D.由于不知道卫星的质量关系，故无法判断
卫星a的机械能和卫星b的机械能的关系， D不正确
2020/5/16
7
变
式 2
变式2.同步卫星与地心的距离为r，运行速率为v1向心加速度 为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，第
一宇宙速度为v2，地球半径为R，则下列比值正确的是( D )
m
m0 v2
2020/5/16 6.狭义相对论：
1 c2
2
一、天体质量和密度的求解方法：
（1）自立更生法：
利用天体表面的重力加速度g和天体的半径R：
规
由G
Mm R2
m g得：天体质量 M
（2）借助外援法：
gR2 G
天体密度 M 3g 。 V 4RG
律
利用卫星绕天体做匀速圆周运动的半径r和周期T.
2020/5/16 所以两次经过P点时速度不同， D不正确。
月球 r a
P
10
变 变式3：人造飞船首先进入的是距地面高度近地点为200km，远地点为
式 340km的椭圆轨道，在飞行第5圈的时候，飞船从椭圆轨道运行到以远地 3 点为半径的圆形轨道上，如图所示，试处理下面几个问题（地球的半径R
浙江专用2018_2019学年高中物理第六章万有引力与航天5宇宙航行课件新人教版必修22018110947
D.36 km/s
解析
答案
规律总结 “最小发射速度”与“最大绕行速度” 1.“ 最小发射速度 ” ：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因 为发射卫星要克服地球对它的引力 . 所以近地轨道的发射速度 ( 第一宇宙 速度)是发射人造卫星的最小速度. 2 v Mm GM 2.“最大绕行速度”：由G 2 ＝m r 可得v＝ ，轨道半径越小，线 r r 速度越大，所以近地卫星的线速度(第一宇宙速度)是最大绕行速度.
例1
我国发射了一颗绕月运行的探月卫星 “嫦娥一号”.设该卫星的轨 1 道是圆形的，且贴近月球表面.已知月球的质量约为地球质量的 ，月球 81 1 的半径约为地球半径的 4 ，地球上的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则该探
月卫星绕月运行的最大速率约为
A.0.4 km/s B.1.8 km/s
√
C.11 km/s
自主预习
一、宇宙速度 1. 牛顿的设想：如图 1 所示，把物体水平抛出，如果速 度 足够大 ，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成 为 人造地球卫星 . 匀速圆 原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做_______ 周 运动，向心力由地球对它的万有引力 提供，即GMm 2＝ r 2 GM v mr r _____，则卫星在轨道上运行的线速度v＝_______.
GM ，因此，当M不变，R增大为2R时， R
解析 答案
例2
某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t后，物体以速率
v落回手中.已知该星球的半径为R，求该星球的第一宇宙速度.(忽略该星 球的自转且物体仅受该星球的引力作用)
答案 2 vR t
解析 根据匀变速直线运动的规律可得，该星球表面的重力加速度为g 2v ＝ ，该星球的第一宇宙速度即为卫星在其表面附近绕其做匀速圆周运 t 动的线速度，该星球对卫星的引力(重力)提供卫星做圆周运动的向心力， 2 m v 则mg＝ 1 ，该星球的第一宇宙速度为v1＝ gR ＝ 2vR . R t
高中物理第6章万有引力与航天5宇宙航行课件新人教版必修2
天文小组测得一颗卫星距地面的高度为 h，运行周期为 T.已知
地球半径为 R，万有引力常量为 G，由此可将地球的质量 M 表
示为( )
A．4Gπ2TR2 3
B．4π2GRT＋2 h3
C．4GπT2R2
D．4π2GRT＋2 h
【答案】B 【解析】卫星运动过程中，万有引力充当向 心力，该卫星的轨道半径为 r＝R＋h，根据公式 GMr2m＝m4Tπ22r 可得 M＝4π2GRT＋2 h3，B 正确．
我国发射了嫦娥探月卫星、火星探测卫星，两颗卫星分别 在月球表面附近的速度、火星表面附近的速度相等吗？
【答案】不相等．
三、梦想成真 1．1957年10月，__苏__联____成功发射了第一颗人造卫星． 2．1969年7月，美国“阿波罗11号”登上__月__球____． 3．2003年10月15日，我国航天员__杨__利__伟____踏入太空．
同步卫星
1．同步卫星 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，叫做 同步卫星．
2．特点 (1)运行方向一定：与地球自转方向相同． (2)运行周期一定：同步卫星运行的周期与地球自转的周期 相同，即T＝24小时． (3)运行角速度一定：同步卫星运行的角速度与地球自转的 角速度相同． (4)运行线速度大小一定． (5)运行的轨道位置一定：同步卫星在赤道正上方，离地面 的高度不变，即轨道半径不变．其轨道平面与赤道平面重合．
解析：天体运动的基本原理为万有引力提供向心力，地球 的引力使卫星绕地球做匀速圆周运动，即 F 引＝F 向＝mvr2＝ 4πT2m2 r.当卫星在地表运行时，F 引＝GRM2m＝mg(此时 R 为地球半 径)，设同步卫星离地面高度为 h，则 F 引＝RG＋Mhm2＝F 向＝ma 向<mg，所以 C 错误，D 正确．
高中物理第六章万有引力与航天第5节宇宙航行课件新人教版必修20728196
①速度突然增大时，GMr2m<mvr2，做离心运动。 ②速度突然减小时，GMr2m>mvr2，做向心运动。
第三十一页，共46页。
3.发射地球同步卫星时，先将卫星发射至
近地圆轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道2运
行，最后(zuìhòu)再次点火，将卫星送入同步圆轨道3。
轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如 图6－5－2
解析：对人造地球卫星，由万有引力提供向心力，得 GMr2m＝
mvr2，所以 v＝ GrM，离地面越近，速度越大，与质量无关，
故 A 项错误，B 项正确；人造卫星环绕地球做匀速圆周运动
的最大速度是 7.9 km/s，故 C 错，7.9 km/s 是人造卫星的最小
发射速度，故 D 项错。
答案(dá àn)： B
4π2 m T2 r
得
r＝
3
G4MπT2 2，所有同步卫星的轨道半径相同
第二十四页，共46页。
特点
理解
线速度大小一定 由 v＝2Tπr知所有同步卫星绕地球运动的线 速度的大小是一定的(3.08 km/s)
向心加速度大小 由 GMr2m＝ma 得 a＝GrM2 ，所有同步卫星运
一定
动的向心加速度大小都相同
星上的第一(dìyī)宇宙速度。
第十八页，共46页。
[解析] 由 GMRm2 ＝mvR2得 v＝
GRM。
因为行星的质量 M′是地球质量 M 的 6 倍，半径 R′是地球半
径 R 的 1.5 倍。即 M′＝6M，R′＝1.5R。
由vv′＝
GM′ R′ ＝ GM R
MM′RR′＝2
得 v′＝2v＝2×8 km/s＝16 km/s。
高度一定
同步卫星离地面的高度是一定的，约为 3.6×104 km
第三十一页，共46页。
3.发射地球同步卫星时，先将卫星发射至
近地圆轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道2运
行，最后(zuìhòu)再次点火，将卫星送入同步圆轨道3。
轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如 图6－5－2
解析：对人造地球卫星，由万有引力提供向心力，得 GMr2m＝
mvr2，所以 v＝ GrM，离地面越近，速度越大，与质量无关，
故 A 项错误，B 项正确；人造卫星环绕地球做匀速圆周运动
的最大速度是 7.9 km/s，故 C 错，7.9 km/s 是人造卫星的最小
发射速度，故 D 项错。
答案(dá àn)： B
4π2 m T2 r
得
r＝
3
G4MπT2 2，所有同步卫星的轨道半径相同
第二十四页，共46页。
特点
理解
线速度大小一定 由 v＝2Tπr知所有同步卫星绕地球运动的线 速度的大小是一定的(3.08 km/s)
向心加速度大小 由 GMr2m＝ma 得 a＝GrM2 ，所有同步卫星运
一定
动的向心加速度大小都相同
星上的第一(dìyī)宇宙速度。
第十八页，共46页。
[解析] 由 GMRm2 ＝mvR2得 v＝
GRM。
因为行星的质量 M′是地球质量 M 的 6 倍，半径 R′是地球半
径 R 的 1.5 倍。即 M′＝6M，R′＝1.5R。
由vv′＝
GM′ R′ ＝ GM R
MM′RR′＝2
得 v′＝2v＝2×8 km/s＝16 km/s。
高度一定
同步卫星离地面的高度是一定的，约为 3.6×104 km
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2．字航员在月球上做自由落体实验，将某物体由距月球表 面高 h 处释放，经时间 t 后落到月球表面(设月球半径为 R)．据 上述信息推断， 飞船在月球表面附近绕月球做匀速圆周运动所必 须具有的速率为( ) 2 Rh 2Rh Rh Rh A. t B. t C. t D. 2t
解析：设月球表面的重力加速度为 g′ ，由物体 “自由落 1 体”可得 h＝2g′t2，飞船在月球表面附近做匀速圆周运动可得 v2 2Rh Mm GMm G R2 ＝m R ，在月球表面附近 mg′＝ R2 ，联立得 v＝ t ， 故 B 正确． 答案：B
5.宇宙航行
学习目标 (1)了解人造卫星的有关知识． (2)知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度． (3)正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系.
知识导图
课前自主学习 一、宇宙速度 阅读教材第 44 页“宇宙速度”部分，回答下列问题. 1．人造地球卫星的发射原理 (1)牛顿的设想：在高山上水平抛出一个物体 ，当初速度足 够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕 地球转动的人造地球卫星． (2)原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆 v2 Mm 周运动，向心力由地球对它的万有引力提供，即 G r2 ＝m r ，则 GM 卫星在轨道上运行的线速度 v＝ r .
知识点二
人造ห้องสมุดไป่ตู้星的运行规律
1．卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径 的关系 人造卫星做匀速圆周运动所需要的向心力由万有引力提供， 2 v2 4π Mm 即 G r2 ＝m r ＝mrω2＝m T2 r＝man，可推导出： v减小 GM ω＝ ω减小 r3 3 ⇒当 r 增大时 T增大 r T＝2π GM an减小 M an＝G r2
GM 3.决定因素： 由第一宇宙速度的计算式 v＝ R 可以看出， 第一宇宙速度的值由中心天体决定， 第一宇宙速度的大小取决于 中心天体的质量 M 和半径 R，与卫星无关． 4．第一宇宙速度的推广 GM 任何一颗行星都有自己的第一宇宙速度，都应用 v＝ R 或 v＝ gR表示，式中 G 为引力常量，M 为中心星球的质量，g 为中心星球表面的重力加速度，R 为中心星球的半径．
2．宇宙速度 意义 卫星在地球表面附近绕地球 第一宇宙速度 7.9 km/s 做匀速圆周运动的速度 使卫星挣脱地球引力束缚的 第二宇宙速度 11.2 km/s 最小地面发射速度 使卫星挣脱太阳引力束缚的 第三宇宙速度 16.7 km/s 最小地面发射速度 数值
☆思考：人造地球卫星离地面越高，其线速度越小，那么发 射起来是不是越容易？
[变式训练] 1．(多选)第一宇宙速度是物体在地球表面附近绕地球做匀 速圆周运动的速度，则有( ) A．被发射的物体质量越大，第一宇宙速度越大 B．被发射的物体质量越小，第一宇宙速度越大 C．第一宇宙速度与被发射物体的质量无关 D．第一宇宙速度与地球的质量有关
v2 GMm 解析：设地球质量为 M，半径为 R，则由 R2 ＝m R 得第一 GM 宇宙速度 v＝ R ，故 v 与地球质量有关，与被发射物体的质 量无关． 答案：CD
提示： 不是． 近地卫星最“容易”发射， 离地面越高的卫星， 越难发射．
二、梦想成真 阅读教材第 44～45 页“梦想成真”部分，回答下列问题． (1)1957 年 10 月 4 日前苏联成功发射了第一颗人造地球卫 星． (2)1961 年 4 月 12 日，苏联空军少校加加林进入“东方一 号”载人飞船，铸就了人类进入太空的丰碑． (3)1969 年 7 月，美国“阿波罗 11 号”飞船登上月球． (4)2003 年 10 月 15 日，我国“神舟五号”宇宙飞船发射成 功，把中国第一位航天员杨利伟送入太空．
课堂互动探究 知识点一 对第一宇宙速度的理解与计算
1．认识第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕 地球做匀速圆周运动必须具备的速度，即近地卫星的环绕速度．
2．推导 万有引力提供卫星运动的 重力提供卫星运动 向心力 的向心力 v2 v2 Mm 公式 G R2 ＝m R mg＝m R GM 结果 v＝ gR v＝ R
解析： 第一宇宙速度是行星表面卫星的环绕速度， 对于卫星， 其轨道半径近似等于星球半径， 所受万有引力提供其做匀速圆周 Mm 运动的向心力，根据万有引力定律和牛顿第二定律得 G R2 ＝ v2 GM m R ，解得 v＝ R .因为该行星的质量 M′是地球质量 M 的 6 GM′ R′ v′ M′R 倍， 半径 R′是地球半径 R 的 1.5 倍， 则 v ＝ ＝ MR′ GM R ＝2，故 v′＝2v＝2×8 km/s＝16 km/s，A 正确． 答案：A
1关于宇宙速度的说法，正确的是( ) A．第一宇宙速度是人造地球卫星运行时的最大速度 B．第一宇宙速度是地球同步卫星的发射速度 C．人造地球卫星运行时的速度介于第一宇宙速度和第二宇 宙速度之间 D．第三宇宙速度是物体逃离地球的最小速度
答案：A
2若取地球的第一宇宙速度为 8 km/s，某行星的质量是地球 质量的 6 倍，半径是地球半径的 1.5 倍，此行星的第一宇宙速度 约为( ) A．16 km/s B．32 km/s C．4 km/s D．2 km/s
v＝ GM r
2．三类人造地球卫星轨道 (1)赤道轨道：卫星轨道在赤道平面 ，卫星始终处于赤道上 方． (2)极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直 ，卫星通过两 极上空．
☆思考：宇航员在太空中漫步而不落回地面，是否是由于宇 航员不再受到地球的引力作用？
提示：不是．宇航员离开飞船在太空中，依然绕地球运动， 受到地球的引力提供向心力．
判一判 (1) 绕 地 球 做 圆 周 运 动 的 人 造 卫 星 的 速 度 可 以 是 10 km/s.( × ) (2)在地面上发射人造卫星的最小速度是 7.9 km/s.( √ ) (3)如果在地面发射卫星的速度大于 11.2 km/s，卫星会永远 离开地球．( √ ) (4)要发射一颗人造月球卫星， 在地面的发射速度应大于 16.7 km/s.( × )