2018_2019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

数
值
三、梦想成真 加加林 进入“东方一 2.1961年4月12日,苏联空军少校_______ 号”载人飞船,铸就了人类进入太空的丰碑。 月球 。 3.1969年7月,美国“阿波罗11号”飞船登上_____ 4.2003年10月15日,我国“神舟五号”宇宙飞船发射 杨利伟 送入太空。 成功,把中国第一位航天员_______
5. 宇 宙 航 行
一、人造地球卫星
1.牛顿的设想:如图所示,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 。 _____________
2.近地卫星的速度: (1)原理:飞行器绕地球做匀速圆周运动,运动所需的向 心力由万有引力提供,所以 v=
(4)地球所有的卫星在轨道上的运行速度都为7.9 km/s。 ( ) )
(5)人造地球卫星离地面越高,运动速度越小。 (
提示:(1)√。只有发射速度大于等于第一宇宙速度,卫 星才能不落回地面,第一宇宙速度是最小发射速度。 (2)×。不同星球的第一宇宙速度不同。 (3)×。使卫星脱离地球引力束缚的最小发射速度是 11.2 km/s。
。
3.第一宇宙速度的理解: (1)“最小发射速度”:发射卫星时,卫 星远离地球要克服地球对它的引力,所以,发射速度越 大,卫星发射轨道的远地点越高。如图: 近地轨道是人造卫星的最低运行轨道,而近地轨道的发 射速度是第一宇宙速度,所以第一宇宙速度是人造卫星
的最小发射速度。
(2)“最大环绕速度”:卫星定轨做匀速圆周运动时,由
【补偿训练】 1.将地球看作质量均匀分布的球体,在其上空有许多同
步卫星,下列说法中正确的是 (
A.它们的质量可能不同
)
B.它们的角速度可能不同
C.它们的向心加速度可能不同 D.它们离地心的距离可能不同
【解析】选A。所谓地球同步卫星,是相对地面静止且 和地球有相同周期、角速度的卫星。同步卫星定位于 赤道的正上方,离地面的高度约为3.6×104 km。因此 所有同步卫星离地心的距离均相同,向心加速度也相同。
GM _______ 。 r
v2 m r
Mm =________, 解得: r2 G
(2)结果:用地球半径R代表近地卫星到地心的距离r,
可算出:v=
6.67 1011 5.98 1024 6.4 106
7.9 km/s 。 m/s=____
二、宇宙速度
第一宇 宙速度 第二宇 宙速度 第三宇 宙速度
有引力提供其做匀速圆周运动的向心力,根据万有引力
2 Mm v 定律和牛顿第二定律得 G ＝m 2 r r 解得v= GM r
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,
GM 故 v＝ R MR 2 v MR GM R
即v′=2v=2×8 km/s=16 km/s,A正确。
(4)×。地球所有的卫星在轨道上的运行速度都小于或 等于7.9 km/s。
2 Mm v (5)√。由G 2 m 得卫星的速度为v= r r
离地面越高,运动半径越大,速度越小。
GM ,故卫星 r
一
第一宇宙速度及其理解
第一宇宙速度的理解
考查角度1
【典例1】(多选)关于第一宇宙速度,以下叙述正确的 是 ( )
)
D H C.v 0 D 2H D.v 0 D H
【解析】选B。因为物体做竖直上抛运动,根据其规律,
2 v0 上升的最大高度H= ,得到星球表面的重力加速度 2g 2 g= v 0 ;当“近地”卫星绕该星球做圆周运动时,轨道半 2H 2 v D 径R= ,此时重力提供卫星的向心力有mg=m ,所以, R 2 2 v0 D v D ,选项B正确。 v gR 0 2H 2 2 H
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【解析】选D。同步卫星的轨道半径是固定的,与质量 大小无关,A错;7.9 km/s是人造卫星的最小发射速度, 同时也是卫星的最大环绕速度,卫星的轨道半径越大, 其线速度越小;同步卫星距地面很高,故其运行速度
小于7.9 km/s,B错;同步卫星只能在赤道的正上方,
苏联 成功发射了第一颗人造地球卫星。 1.1957年10月4日_____
【思考辨析】 (1)第一宇宙速度是发射卫星的最小速度。 ( )
(2)无论从哪个星球上发射卫星,发射速度都要大于 7.9 km/s。 ( )
(3)当发射速度v>7.9 km/s时,卫星将脱离地球的吸引, 不再绕地球运动。 ( )
考查角度2
第一宇宙速度的计算
【典例2】若取地球的第一宇宙速度为8 km/s,某行星 质量是地球的6倍,半径是地球的1.5倍,此行星的第一 宇宙速度约为 km/s C.4 km/s D.2 km/s A.16 km/s B.32
【解析】选A。第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度,
对于近地卫星,其轨道半径近似等于星球半径,所受万
②确定的周期:和地球自转周期相同,即T=24 h。
③确定的角速度:等于地球自转的角速度。 ④确定的轨道平面:所有的同步卫星都在赤道的正上方, 其轨道平面必须与赤道平面重合。 ⑤确定的高度:离地面高度固定不变(3.6×104 km)。 ⑥确定的环绕速率:线速度大小一定(3.1×103 m/s)。
【过关训练】 1.地球上有两位相距非常远的观察者,都发现自己的正 上方有一颗人造地球卫星相对自己静止不动,则这两位 观察者的位置以及两颗人造地球卫星到地球中心的距 离可能是 ( )
2.“北斗”卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星(同 步卫星)、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成。地球静止 轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行,它们距地面 的高度分别约为地球半径的6倍和3.4倍。下列说法正 确的是 ( )
A.静止轨道卫星的周期约为中轨道卫星的2倍 B.静止轨道卫星的线速度大小约为中轨道卫星的2倍 C.静止轨道卫星的角速度大小约为中轨道卫星的 1
B.5.0 km/s D.35.2 km/s
【解析】选A。构建公转模型,对卫星由万有引力提供
2 GM 地 Mm v 向心力,有G 对近地卫星有v近地= ， m ， 2 r近地 r r 同理对航天器有v航= GM火 ， 联立两式有 v航 M火 r近地 r航 v 近地 M 地 r航

5 而v ， 近地=7.9 5
R
卫星发射得越高,需要的发射速度越大,故第一宇宙 速度等于最小发射速度,选项B、C正确。
【核心归纳】 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.第一宇宙速度的计算式:
2 Mm v (1) v GM :由 G 2 m 推导可得v= GM R 2 R R R (2)v= gR :由mg= m v 推导可得v= gR 。 R
【解析】选A。地球同步卫星一定位于赤道上方,周期 一定,离地面高度一定,向心加速度大小一定,选项A正 确,选项B、C错误;由F= G Mm 知,因不同的卫星质量不 2 同,其受到的地球的万有引力不同,向心力不同,选项D 错误。
r
【核心归纳】 地球同步卫星 (1)概念:相对于地面静止且与地球自转具有相同周期 的卫星,叫作地球同步卫星。 (2)特点。 ①确定的转动方向:和地球自转方向一致。
A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度 B.它是近地圆轨道上人造卫星运行的速度 C.它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度 D.它是人造卫星发射时的最大速度
【正确解答】选B、C。第一宇宙速度是指卫星围绕天
v2 m ，即v= R
体表面做匀速圆周运动的线速度,满足关系 G Mm 2
GM ,且由该式知,它是最大环绕速度; R
1 D.静止轨道卫星的向心加速度大小约为中轨道卫星的 7 7
GMm 2 2 v2 ＝m(R＋h)( ) ＝m 【解析】选A。由 2 T R＋h （R＋h）
=m(R&#＋h中 3 ＝ 2， ＝ ( ) 3 T中 （R＋h中） 中 R＋h 静
3 （R＋h 静）
a静 R＋h中 R＋h中 2 1 v静 选项A正确。 ， ＝ 0.79， ＝( ) 0.395， 2 v中 R＋h 静 a中 R＋h 静
二
人造地球卫星 人造卫星的轨道特点
考查角度1
【典例1】某位同学设想了人造地球卫星轨道(卫星发 动机关闭),其中不可能的是
【解析】选D。人造地球卫星靠万有引力提供向心力, 做匀速圆周运动,万有引力的方向指向地心,所以圆周 运动的圆心是地心。故A、B、C正确,D错误。
【核心归纳】
1.卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道
意 义 卫星在地球表面附近绕地球 7.9 ____ km/s 匀速圆周运动 的速度 做_____________ 地球 引力束缚的 使卫星挣脱 _____ 11.2 km/s _____ 最小地面发射速度 太阳 引力束缚的 使卫星挣脱 _____ 16.7 km/s _____ 最小 地面发射速度 _____
【核心归纳】 计算第一宇宙速度的两个方法 (1)根据星球表面的重力加速度可计算它的第一宇宙速
2 v 度,依据是mg=m 。 R
(2)根据星球的近地卫星的运动情况可计算它的第一宇
2 Mm v 宙速度,依据是G 2 m 。 r r
【过关训练】 1.(多选)第一宇宙速度是物体在地球表面附近环绕地 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
GM 【解析】选C、D。第一宇宙速度v1= ,与地球质量 R
M有关。与发射物体质量无关。故选项C、D正确。
2.已知地球的质量约为火星质量的10倍,地球的半径约 为火星半径的2倍,则航天器在火星表面附近绕火星做 匀速圆周运动的速率约为 A.3.5 km/s C.17.7 km/s ( )
半径的关系:
2.人造卫星的轨道:卫星绕地球做匀速圆周运动时,由 地球对它的万有引力充当向心力,因此卫星绕地球做匀 速圆周运动的圆心必与地心重合。
考查角度2
地球同步卫星
【典例2】关于地球同步卫星的说法正确的是
A.所有地球同步卫星一定在赤道上空 B.不同的地球同步卫星,离地高度不同
(
)
C.不同的地球同步卫星的向心加速度大小不相等 D.所有地球同步卫星受到的向心力大小一定相等
km/s,解得v航=3.5 km/s,A项正确。
【补偿训练】 在某星球表面以初速度v0竖直上抛一个物体,若 物体只受该星球引力作用,忽略其他力的影响,物体 上升的最大高度为H,已知该星球的直径为D,如果要 在这个星球上发射一颗绕它运行的近“地”卫星,其 环绕速度为(
v0 A. 2 H D v0 B. 2
2.关于“亚洲一号”地球同步通讯卫星,下述说法正确 的是 ( ) A.已知它的质量是1.24 t,若将它的质量增为2.48 t, 其同步轨道半径将变为原来的2倍 B.它的运行速度大于7.9 km/s C.它可以绕过北京的正上方,所以我国能利用它进行电 视转播 D.它距地面的高度约为地球半径的5倍,故它的向心加 1 速度约为其下方地面上物体的重力加速度的
Mm v2 所以轨道半径越小,线速度越大, G 2 m 可得v= GM， r r r
如图:
所以在环绕地球匀速圆周运动的这些卫星中,近地卫 星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。
【易错提醒】(1)近地卫星距离地面的高度远小于地球 半径,故它的运行轨道半径约等于地球半径。 (2)三个宇宙速度分别为三种不同情况下在地球表面发 射卫星的最小发射速度,不同星球的第一宇宙速度不同。
A.一人在南极,一人在北极,两卫星到地球中心的距离 一定相等 B.一人在南极,一人在北极,两卫星到地球中心的距离 可以不等,但应成整数倍 C.两人都在赤道上,两卫星到地球中心的距离一定相等 D.两人都在赤道上,两卫星到地球中心的距离可以不等,
但应成整数倍
【解析】选C。在夜晚都发现自己正上方有一颗人造地 球卫星相对自己静止不动,说明此卫星为地球同步卫星, 运行轨道为位于地球赤道平面上距离地球的高度约为 36 000 km,所以两个人都在赤道上,两卫星到地球中心 的距离一定相等,选项C正确。