高中物理第5章萬有引力與航天5.4飛出地球去講義滬科版必修

5.4飛出地球去第5章

萬有引力與航天[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度.2.認(rèn)識(shí)同步衛(wèi)星的特點(diǎn).3.了解人造衛(wèi)星的相關(guān)知識(shí)和我國(guó)衛(wèi)星發(fā)射的情況以及人類對(duì)太空的探索歷程.內(nèi)容索引重點(diǎn)探究啟迪思維探究重點(diǎn)達(dá)標(biāo)檢測(cè)檢測(cè)評(píng)價(jià)達(dá)標(biāo)過關(guān)自主預(yù)習(xí)預(yù)習(xí)新知夯實(shí)基礎(chǔ)自主預(yù)習(xí)一、宇宙速度1.牛頓的設(shè)想：如圖1所示，把物體水平拋出，如果速度

，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為

.足夠大人造地球衛(wèi)星圖12.三個(gè)宇宙速度

數(shù)值意義第一宇宙速度

km/s人造衛(wèi)星在

繞地球做

的速度第二宇宙速度

km/s使航天器脫離

引力束縛，永遠(yuǎn)離開地球的最小地面發(fā)射速度第三宇宙速度

km/s使航天器脫離

引力束縛飛到太陽系外的

地面發(fā)射速度7.911.216.7地面附近勻速圓周運(yùn)動(dòng)地球太陽最小二、為了和平與進(jìn)步1.1957年10月4日

成功發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星.2.1961年4月12日，前蘇聯(lián)空軍少校

進(jìn)入“東方一號(hào)”載人飛船，鑄就了人類進(jìn)入太空的豐碑.3.1969年7月，美國(guó)“阿波羅11號(hào)”飛船登上

.4.2003年10月15日，我國(guó)“神舟五號(hào)”宇宙飛船發(fā)射成功，把中國(guó)第一位航天員

送入太空.前蘇聯(lián)加加林月球楊利偉[即學(xué)即用]1.判斷下列說法的正誤.(1)第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度.(

)(2)人造地球衛(wèi)星的最小繞行速度是7.9km/s.(

)(3)要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度必須大于16.7km/s.(

)答案×√×2.已知月球半徑為R，月球質(zhì)量為M，引力常量為G，則月球的第一宇宙速度v＝_______.答案重點(diǎn)探究[導(dǎo)學(xué)探究]

(1)不同天體的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的決定因素是什么？一、第一宇宙速度的理解與計(jì)算答案(2)把衛(wèi)星發(fā)射到更高的軌道上需要的發(fā)射速度越大還是越?。看鸢冈酱?向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，因?yàn)榘l(fā)射衛(wèi)星要克服地球?qū)λ囊?[知識(shí)深化]

1.第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的繞行速度.2.推導(dǎo)：對(duì)于近地人造衛(wèi)星，軌道半徑r近似等于地球半徑R＝6400km，衛(wèi)星在軌道處所受的萬有引力近似等于衛(wèi)星在地面上所受的重力，取g＝9.8m/s2，則3.推廣由第一宇宙速度的兩種表達(dá)式看出，第一宇宙速度的值由中心天體決定，可以說任何一顆行星都有自己的第一宇宙速度，都可以用

表示，式中G為引力常量，M為中心天體的質(zhì)量，g為中心天體表面的重力加速度，R為中心天體的半徑.4.理解(1)“最小發(fā)射速度”與“最大繞行速度”①“最小發(fā)射速度”：向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，因?yàn)榘l(fā)射衛(wèi)星要克服地球?qū)λ囊?所以近地軌道的發(fā)射速度(第一宇宙速度)是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度.(2)發(fā)射速度與發(fā)射軌道①當(dāng)7.9km/s≤v發(fā)<11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)，且發(fā)射速度越大，衛(wèi)星的軌道半徑越大，繞行速度越小.②當(dāng)11.2km/s≤v發(fā)<16.7km/s時(shí)，衛(wèi)星繞太陽旋轉(zhuǎn)，成為太陽系一顆“小行星”.③當(dāng)v發(fā)≥16.7km/s時(shí)，衛(wèi)星脫離太陽的引力束縛跑到太陽系以外的空間中去.例1

我國(guó)發(fā)射了一顆繞月運(yùn)行的探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”.設(shè)該衛(wèi)星的軌道是圓形的，且貼近月球表面.已知月球的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的

，月球的半徑約為地球半徑的

，地球上的第一宇宙速度約為7.9km/s，則該探月衛(wèi)星繞月運(yùn)行的最大速率約為

A.0.4km/s B.1.8km/sC.11km/s D.36km/s答案解析√解析星球的第一宇宙速度即為圍繞星球做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為該星球半徑時(shí)的環(huán)繞速度，由萬有引力提供向心力即可得出這一最大環(huán)繞速度.衛(wèi)星所需的向心力由萬有引力提供，因此B項(xiàng)正確.例2某人在一星球上以速率v豎直上拋一物體，經(jīng)時(shí)間t后，物體以速率v落回手中.已知該星球的半徑為R，求該星球的第一宇宙速度.答案解析[導(dǎo)學(xué)探究]1.如圖2所示，圓a、b、c的圓心均在地球的自轉(zhuǎn)軸線上.b、c的圓心與地心重合，d為橢圓軌道，且地心為橢圓的一個(gè)焦點(diǎn).四條軌道中哪些可以作為衛(wèi)星軌道？為什么？二、人造地球衛(wèi)星圖2答案b、c、d軌道都可以.因?yàn)樾l(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，萬有引力提供向心力，而萬有引力是始終指向地心的，故衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力必須指向地心，因此b、c軌道都可以，a軌道不可以.衛(wèi)星也可在橢圓軌道運(yùn)行，故d軌道也可以.答案2.地球同步衛(wèi)星的軌道在哪個(gè)面上？周期是多大？同步衛(wèi)星的高度和軌道面可以任意選擇嗎？答案同步衛(wèi)星是相對(duì)地面靜止的衛(wèi)星，必須和地球自轉(zhuǎn)同步，也就是說必須在赤道面上，周期是24h.由于周期一定，故同步衛(wèi)星離地面的高度也是一定的，即同步衛(wèi)星不可以任意選擇高度和軌道面.答案[知識(shí)深化]1.人造地球衛(wèi)星的軌道衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，由地球?qū)λ娜f有引力充當(dāng)向心力，因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心必與地心重合，而這樣的軌道有多種，其中比較特殊的有與赤道共面的赤道軌道和通過兩極上空的極地軌道.當(dāng)然也存在著與赤道平面呈某一角度的圓軌道.如圖3所示.圖32.地球同步衛(wèi)星(1)定義：相對(duì)于地面靜止的衛(wèi)星，又叫靜止衛(wèi)星.(2)特點(diǎn)：①確定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向：和地球自轉(zhuǎn)方向一致；②確定的周期：和地球自轉(zhuǎn)周期相同，即T＝24h；③確定的角速度：等于地球自轉(zhuǎn)的角速度；④確定的軌道平面：所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方，其軌道平面必須與赤道平面重合；⑤確定的高度：離地面高度固定不變(3.6×104km)；⑥確定的環(huán)繞速率：線速度大小一定(3.1×103m/s).例3關(guān)于地球的同步衛(wèi)星，下列說法正確的是

A.同步衛(wèi)星的軌道和北京所在緯度圈共面B.同步衛(wèi)星的軌道必須和地球赤道共面C.所有同步衛(wèi)星距離地面的高度不一定相同D.所有同步衛(wèi)星的質(zhì)量一定相同解析同步衛(wèi)星所受向心力指向地心，與地球自轉(zhuǎn)同步，故衛(wèi)星所在軌道與赤道共面，故A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；同步衛(wèi)星距地面高度一定，但衛(wèi)星的質(zhì)量不一定相同，故C、D項(xiàng)錯(cuò)誤.√答案解析解決本題的關(guān)鍵是掌握同步衛(wèi)星的特點(diǎn)：同步衛(wèi)星定軌道(在赤道上方)、定周期(與地球的自轉(zhuǎn)周期相同)、定速率、定高度.總結(jié)提升針對(duì)訓(xùn)練

(多選)我國(guó)“中星11號(hào)”商業(yè)通信衛(wèi)星是一顆同步衛(wèi)星，它定點(diǎn)于東經(jīng)98.2度的赤道上空，關(guān)于這顆衛(wèi)星的說法正確的是

A.運(yùn)行速度大于7.9km/sB.離地面高度一定，相對(duì)地面靜止C.繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球運(yùn)行的角速度大D.向心加速度與靜止在赤道上物體的向心加速度大小相等答案解析√√解析“中星11號(hào)”是地球同步衛(wèi)星，距地面有一定的高度，運(yùn)行速度要小于7.9km/s，A錯(cuò)誤.其位置在赤道上空，高度一定，且相對(duì)地面靜止，B正確.其運(yùn)行周期為24小時(shí)，小于月球的繞行周期27天，由ω＝

知，其運(yùn)行角速度比月球的大，C正確.同步衛(wèi)星與靜止在赤道上的物體具有相同的角速度，但半徑不同，由a＝rω2知，同步衛(wèi)星的向心加速度大，D錯(cuò)誤.達(dá)標(biāo)檢測(cè)1.(對(duì)宇宙速度的理解)(多選)下列關(guān)于三種宇宙速度的說法中正確的是

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.第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛，成為繞太

陽運(yùn)行的人造行星的最小發(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

速度答案解析1234√√解析根據(jù)v＝

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，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引力束縛而成為繞太陽運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度，選項(xiàng)C正確.12342.(對(duì)同步衛(wèi)星的認(rèn)識(shí))下列關(guān)于我國(guó)發(fā)射的“亞洲一號(hào)”地球同步通訊衛(wèi)星的說法，正確的是

A.若其質(zhì)量加倍，則軌道半徑也要加倍B.它在北京上空運(yùn)行，故可用于我國(guó)的電視廣播C.它以第一宇宙速度運(yùn)行D.它運(yùn)行的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同答案√解析1234同步衛(wèi)星的軌道平面必須與赤道平面重合，即在赤道上空運(yùn)行，不能在北京上空運(yùn)行，B錯(cuò)；第一宇宙速度是衛(wèi)星在最低圓軌道上運(yùn)行的速度，而同步衛(wèi)星在高軌道上運(yùn)行，其運(yùn)行速度小于第一宇宙速度，C錯(cuò)；所謂“同步”就是衛(wèi)星保持與赤道上某一點(diǎn)相對(duì)靜止，所以同步衛(wèi)星的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同，D對(duì).1234答案12343.(第一宇宙速度的計(jì)算)若取地球的第一宇宙速度為8km/s