高中物理 65 6 宇宙航行 经典力学的局限性课件 新人教
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提示：第一宇宙速度是最大的环绕速度，其他环绕物体的线 速度都比第一宇宙速度小，也可以通过公式推导证明．
四、经典力学的成就和局限性 1. 经典力学的成就 牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔 领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大 的成就． 2. 经典力学的局限性 (1)牛顿力学即经典力学，它只适用于_宏__观__、__低__速__运__动__的物 体，不适用于_微__观__和__高__速__运__动__的物体．
(2)狭义相对论阐述了物体以接近光速运动时遵从的规律， 得出了一些不同于经典力学的结论，如质量要随物体运动速度的 增大而__增__大__．
(3)20 世纪 20 年代，建立了量子力学，它正确描述了_微__观__ 粒子的运动规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用．
(4)爱因斯坦的广义相对论说明在_强__引__力___的作用下，牛顿 的引力理论将不再适用．
第六章 万有引力与航天
第5、6节 宇宙航行 经典力学的局限性
课前·新知预习
夯实基础
自填要点 形成认识
一、人造地球卫星 如图所示，当物体的_速__度__足够大时，它将会围绕_地__球__旋转 而不再落回地面，成为一颗绕地球转动的_卫__星___．一般情况下可 认为人造地球卫星绕地球做_匀__速__圆__周___运动，向心力由地球对它 的__万__有__引__力_____提供，即 GMr2m＝mvr2，则卫星在轨道上运行的
(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)要发射一颗月球人造卫星，在地面的发射速度应大于 16.7
km/s. (
)
提示：卫星绕地球做圆周运动飞行时的轨道半径越小，其线 速度就越大，最大速度等于第一宇宙速度 7.9 km/s，(1)错；地球 卫星的最小发射速度为 7.9 km/s，即第一宇宙速度，但若将某卫 星在地面上以大于 16.7 km/s 的速度发射，该卫星会脱离太阳的 束缚，而跑到太阳系以外的空间，(2)对，(3)错．
线速度 v＝
GM r.
两颗卫星 A、B 的质量相等，距地面的高度分别为 HA、HB， 且 HA<HB，那么这两颗卫星做圆周运动所需的向心力哪个较大？
提示： 由于卫星绕地球做圆周运动的向心力等于地球对 它的万有引力，即 Fn＝GRM＋mH2，故距地面较近的 A 卫星的向 心力较大．
二、三个宇宙速度的比较
(一)规范解答 由匀变速运动的规律可得，该星球表面的重力加速度为 g＝
2v t
第一宇宙速度即为卫星在其表面附近绕它做匀速圆周运动
的线速度，该星球对卫星的万有引力提供向心力，而万有引力又
可近似认为和物体重力相等，所以有 mg＝mvR21
第一宇宙速度 v1＝ gR＝
2vR t.
(二)完美答案(
2vR t)
三、梦想成真 1957 年 10 月__苏__联___成功发射了第一颗人造卫星； 1969 年 7 月美国“阿波罗 11 号”登上_月__球___； 2003 年 10 月 15 日我国航天员_杨__利__伟___踏入太空．
“天宫一号”目标飞行器在距地面 355 km 的轨道上做圆周 运动，它的线速度比 7.9 km/s 大还是小？
数值
意义
(1)卫星环绕地球表面运行的速度，也是
第一宇 7.9 绕地球做匀速圆周运动的最大速度 宙速度 km/s (2)使卫星绕地球做匀速圆周运动的最
小地面发射速度
第二宇 11.2 使卫星挣脱地球引力束 宙速度 km/s 缚的最小地面发射速度 第三宇 16.7 使卫星挣脱太阳引力束 宙速度 km/s 缚的最小地面发射速度
(三)总结提升 (1)处理行星、卫星绕中心天体做圆周运动的问题中，万有 引力充当向心力是解决问题的关键． (2)第一宇宙速度是绕地球表面运行的卫星的速度，是卫星 的最大绕行速度．Biblioteka 课堂·师生共研诠释核心
研析考点 重难突破
三个宇宙速度
牛顿的猜想中，炮弹至少得以多大速度发射，才能在 地面附近绕地球做匀速圆周运动？
重点诠释 1. 第一宇宙速度(环绕速度) (1)定义：又叫环绕速度，是人造卫星在地面附近绕地球做 匀速圆周运动所具有的速度，是人造地球卫星的最小发射速度， v＝7.9 km/s. (2)推导：设地球的质量为 M，卫星的质量为 m，卫星到地 心的距离为 r，卫星做匀速圆周运动的线速度为 v：
绕太阳运动的人造行星或绕其他行星运动的人造卫星所必需的 最小发射速度，其大小为 11.2 km/s.
3. 第三宇宙速度(逃逸速度) 在地面上发射物体，使之最后能脱离太阳的引力作用，飞
到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度，其大小为 16.7 km/s.
(1)第一宇宙速度是人造卫星绕地球做匀速圆周运动的最大 环绕速度，也是最小发射速度．
要使发射出去的人造卫星能够绕地球做圆周运动，则在地面 发射时的速度需满足什么要求？根据天体运动的规律，在地面发 射速度越大的卫星到达太空绕地球做圆周运动的速度越大还是 越小？
提示：卫星在地面的发射速度须满足 7.9 km/s<v<11.2 km/s 才能最终绕地球运行，在地面发射速度越大的卫星能上升的高度 也就越大，根据 v＝ GrM可知最终的运行速度就越小．
方法一： 万有引力提供向心力 ―→
GMr2m＝mvr2 ―→ v＝
GM r
rM＝＝R5＝― .968―.×4→×1012046kmg
v＝7.9
km/s
方法二： 重力提供向心力 ―→ mg＝mvr2 ―→ v＝ gr
r＝Rg＝＝―96―..84→×m/1s026 m v＝7.9 km/s
2. 第二宇宙速度(脱离速度) 在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为
(2)当在地面上以 7.9 km/s<v<11.2 km/s 的速度发射卫星时， 该卫星的轨道是椭圆，地球位于椭圆的一个焦点上．
(3)三个宇宙速度分别为三种不同情况下在地面附近的最小 发射速度．不同星球的第一宇宙速度不同．
共研经典 [例 1] 某人在一星球上以速率 v 竖直上抛一物体，经时间 t 物体以速率 v 落回手中，已知该星球的半径为 R，求这星球上 的第一宇宙速度．
四、经典力学的成就和局限性 1. 经典力学的成就 牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔 领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验，取得了巨大 的成就． 2. 经典力学的局限性 (1)牛顿力学即经典力学，它只适用于_宏__观__、__低__速__运__动__的物 体，不适用于_微__观__和__高__速__运__动__的物体．
(2)狭义相对论阐述了物体以接近光速运动时遵从的规律， 得出了一些不同于经典力学的结论，如质量要随物体运动速度的 增大而__增__大__．
(3)20 世纪 20 年代，建立了量子力学，它正确描述了_微__观__ 粒子的运动规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用．
(4)爱因斯坦的广义相对论说明在_强__引__力___的作用下，牛顿 的引力理论将不再适用．
第六章 万有引力与航天
第5、6节 宇宙航行 经典力学的局限性
课前·新知预习
夯实基础
自填要点 形成认识
一、人造地球卫星 如图所示，当物体的_速__度__足够大时，它将会围绕_地__球__旋转 而不再落回地面，成为一颗绕地球转动的_卫__星___．一般情况下可 认为人造地球卫星绕地球做_匀__速__圆__周___运动，向心力由地球对它 的__万__有__引__力_____提供，即 GMr2m＝mvr2，则卫星在轨道上运行的
(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)要发射一颗月球人造卫星，在地面的发射速度应大于 16.7
km/s. (
)
提示：卫星绕地球做圆周运动飞行时的轨道半径越小，其线 速度就越大，最大速度等于第一宇宙速度 7.9 km/s，(1)错；地球 卫星的最小发射速度为 7.9 km/s，即第一宇宙速度，但若将某卫 星在地面上以大于 16.7 km/s 的速度发射，该卫星会脱离太阳的 束缚，而跑到太阳系以外的空间，(2)对，(3)错．
线速度 v＝
GM r.
两颗卫星 A、B 的质量相等，距地面的高度分别为 HA、HB， 且 HA<HB，那么这两颗卫星做圆周运动所需的向心力哪个较大？
提示： 由于卫星绕地球做圆周运动的向心力等于地球对 它的万有引力，即 Fn＝GRM＋mH2，故距地面较近的 A 卫星的向 心力较大．
二、三个宇宙速度的比较
(一)规范解答 由匀变速运动的规律可得，该星球表面的重力加速度为 g＝
2v t
第一宇宙速度即为卫星在其表面附近绕它做匀速圆周运动
的线速度，该星球对卫星的万有引力提供向心力，而万有引力又
可近似认为和物体重力相等，所以有 mg＝mvR21
第一宇宙速度 v1＝ gR＝
2vR t.
(二)完美答案(
2vR t)
三、梦想成真 1957 年 10 月__苏__联___成功发射了第一颗人造卫星； 1969 年 7 月美国“阿波罗 11 号”登上_月__球___； 2003 年 10 月 15 日我国航天员_杨__利__伟___踏入太空．
“天宫一号”目标飞行器在距地面 355 km 的轨道上做圆周 运动，它的线速度比 7.9 km/s 大还是小？
数值
意义
(1)卫星环绕地球表面运行的速度，也是
第一宇 7.9 绕地球做匀速圆周运动的最大速度 宙速度 km/s (2)使卫星绕地球做匀速圆周运动的最
小地面发射速度
第二宇 11.2 使卫星挣脱地球引力束 宙速度 km/s 缚的最小地面发射速度 第三宇 16.7 使卫星挣脱太阳引力束 宙速度 km/s 缚的最小地面发射速度
(三)总结提升 (1)处理行星、卫星绕中心天体做圆周运动的问题中，万有 引力充当向心力是解决问题的关键． (2)第一宇宙速度是绕地球表面运行的卫星的速度，是卫星 的最大绕行速度．Biblioteka 课堂·师生共研诠释核心
研析考点 重难突破
三个宇宙速度
牛顿的猜想中，炮弹至少得以多大速度发射，才能在 地面附近绕地球做匀速圆周运动？
重点诠释 1. 第一宇宙速度(环绕速度) (1)定义：又叫环绕速度，是人造卫星在地面附近绕地球做 匀速圆周运动所具有的速度，是人造地球卫星的最小发射速度， v＝7.9 km/s. (2)推导：设地球的质量为 M，卫星的质量为 m，卫星到地 心的距离为 r，卫星做匀速圆周运动的线速度为 v：
绕太阳运动的人造行星或绕其他行星运动的人造卫星所必需的 最小发射速度，其大小为 11.2 km/s.
3. 第三宇宙速度(逃逸速度) 在地面上发射物体，使之最后能脱离太阳的引力作用，飞
到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度，其大小为 16.7 km/s.
(1)第一宇宙速度是人造卫星绕地球做匀速圆周运动的最大 环绕速度，也是最小发射速度．
要使发射出去的人造卫星能够绕地球做圆周运动，则在地面 发射时的速度需满足什么要求？根据天体运动的规律，在地面发 射速度越大的卫星到达太空绕地球做圆周运动的速度越大还是 越小？
提示：卫星在地面的发射速度须满足 7.9 km/s<v<11.2 km/s 才能最终绕地球运行，在地面发射速度越大的卫星能上升的高度 也就越大，根据 v＝ GrM可知最终的运行速度就越小．
方法一： 万有引力提供向心力 ―→
GMr2m＝mvr2 ―→ v＝
GM r
rM＝＝R5＝― .968―.×4→×1012046kmg
v＝7.9
km/s
方法二： 重力提供向心力 ―→ mg＝mvr2 ―→ v＝ gr
r＝Rg＝＝―96―..84→×m/1s026 m v＝7.9 km/s
2. 第二宇宙速度(脱离速度) 在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为
(2)当在地面上以 7.9 km/s<v<11.2 km/s 的速度发射卫星时， 该卫星的轨道是椭圆，地球位于椭圆的一个焦点上．
(3)三个宇宙速度分别为三种不同情况下在地面附近的最小 发射速度．不同星球的第一宇宙速度不同．
共研经典 [例 1] 某人在一星球上以速率 v 竖直上抛一物体，经时间 t 物体以速率 v 落回手中，已知该星球的半径为 R，求这星球上 的第一宇宙速度．