7.4.1 課件：宇宙速度

宇宙速度情境導(dǎo)入1970年(中國)：東方紅一號1972年(美國)：先驅(qū)者10號探測器1973年(美國)：先驅(qū)者11號探測器1970年新中國發(fā)射東方紅一號衛(wèi)星，開啟了我國探索外太空的篇章；1972年美國發(fā)射的先驅(qū)者10號探測器早已飛出太陽系，成為最孤獨(dú)的探測器；1973年發(fā)射的先驅(qū)者11號探測器，開啟了對地球鄰居土星的探索歷程。你知道如果只考慮地面發(fā)射的話，這些探測器需要多大的發(fā)射速度嗎？知識海洋第一宇宙速度1.兩種方法求解第一宇宙速度：

站在高山上平拋一個(gè)物體，至少速度多大該物體就不能再回到地球呢？

像這種在地球附近做勻速圓周運(yùn)動的線速度稱為第一宇宙速度。知識海洋第一宇宙速度

站在高山上平拋一個(gè)物體，至少速度多大該物體就不能再回到地球呢？

像這種在地球附近做勻速圓周運(yùn)動的線速度稱為第一宇宙速度。2.第一宇宙速度的理解：(1)是航天器成為衛(wèi)星的最小發(fā)射速度(2)是衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度發(fā)射衛(wèi)星的軌道越高，需要克服萬有引力的阻礙作用越多，所以發(fā)射速度需要增加。應(yīng)用探究例.關(guān)于第一宇宙速度，下列說法中正確的是()A.它是人造地球衛(wèi)星繞地球勻速圓周運(yùn)行的最小速度B.它等于人造地球衛(wèi)星在近地圓形軌道上的運(yùn)動速度C.它是能使衛(wèi)星進(jìn)入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度D.它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)動至近地點(diǎn)的速度解析：衛(wèi)星在圓軌道上符合動力學(xué)方程：A錯誤。BC第一宇宙速度指的是物體在地球表面附近做勻速圓周運(yùn)動的線速度。此時(shí)r=R，這個(gè)圓周軌道就是近地圓軌道，B正確。想一想：為什么它是最小的發(fā)射速度，卻是最大的環(huán)繞速度呢？就是因?yàn)榘l(fā)射高軌道衛(wèi)星，就需要克服更多的阻力作用，所以C正確。當(dāng)軌道是橢圓軌道時(shí)，并非是萬有引力提供向心力，不符合，D錯。應(yīng)用探究例.若地球表面重力加速度g=9.8m/s2，下列說法正確的是

()A.繞地球做勻速圓周運(yùn)動的人造衛(wèi)星最大速度為7.9km/sB.繞地球做勻速圓周運(yùn)動并離地球最近的人造衛(wèi)星的向心加速度為9.8m/s2C.衛(wèi)星處于完全失重狀態(tài)，因此衛(wèi)星處于平衡狀態(tài)D.可以發(fā)射一顆繞地球運(yùn)動周期為60分鐘的衛(wèi)星，D錯。AB

解析：第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度和是最大的環(huán)繞速度，其值就是7.9km/s，所以A正確。對于近地衛(wèi)星寫出動力學(xué)方程：，所以B正確。什么是完全失重呢？當(dāng)物體對于支撐面或懸線作用力為零時(shí)稱為完全失重，此時(shí)物體的加速度為g，故C不正確。寫出衛(wèi)星的動力學(xué)方程：知識海洋第二宇宙速度1.當(dāng)航天器在地球的發(fā)射速度達(dá)到一定值時(shí)，就會脫離地球引力場而成為圍繞太陽運(yùn)動的人造行星，這一發(fā)射速度值為第二宇宙速度。2.第二宇宙速度和第一宇宙速度的關(guān)系：知識海洋3.黑洞M為黑洞質(zhì)量；R為黑洞半徑。第二宇宙速度如果，這種天體就是黑洞。應(yīng)用探究(2)把宇宙看作一個(gè)特殊的均勻大球體，設(shè)其半徑為R，密度為ρ，其質(zhì)量：(1)解析：例.已知物體在地球上的第二宇宙速度，其中G、ME、RE分別是萬有引力恒量、地球的質(zhì)量和半徑。已知

G=6.67×10-11N·m2/kg2

，c=2.9979×108m/s。第二宇宙速度大于真空中光速的天體叫做黑洞。(1)設(shè)某黑洞的質(zhì)量等于太陽的質(zhì)量m=1.98×1030kg，求它的可能最大半徑？(2)經(jīng)研究在目前天文觀測范圍內(nèi)，物質(zhì)的平均密度為10-27kg/m3，如果認(rèn)為我們的宇宙是這樣一個(gè)均勻大球體，其密度使得它的第二宇宙速度大于光在真空中的速度c，因此任何物體都不能脫離宇宙，經(jīng)以上信息分析可知宇宙的半徑至少多大？知識海洋4.解決黑洞問題的另一種思路：黑洞既然也是一種天體，就可以用萬有引力相關(guān)知識解決問題，即黑洞對星體的萬有引力提供星體圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的向心力。動力學(xué)方程：第二宇宙速度應(yīng)用探究例.黑洞是愛因斯坦的廣義相對論中預(yù)言的一種特殊天體，它的密度極大，對周圍物質(zhì)(包括光子)有極強(qiáng)的吸引力，根據(jù)愛因斯坦理論，光子是有質(zhì)量的，光子到達(dá)黑洞表面時(shí)也將被吸入，最多恰能繞黑洞表面做圓周運(yùn)動。根據(jù)天文觀測，銀河系中心可能有一個(gè)黑洞，距該黑洞6.0×1012m遠(yuǎn)的星體正以2.0×106

m/s的速度繞它旋轉(zhuǎn)，試估算該可能黑洞的最大半徑。解析：對光子：對星體：聯(lián)立兩式得：知識海洋第三宇宙速度1.當(dāng)航天器發(fā)射速度達(dá)到某一值后，會掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系之外，此發(fā)射速度被稱為第三宇宙速度。其值為v3=16.7km/s知識海洋2.發(fā)射速度和衛(wèi)星軌跡之間關(guān)系：3.三種宇宙速度均指的是在地球的發(fā)射速度。是航天器運(yùn)動軌跡的臨界值。

v=v1時(shí)，航天器在近地圓軌道上圓周運(yùn)動。v1<v<v2時(shí)，航天器繞地球在橢圓軌道上運(yùn)行。v2≤v

≤

v3時(shí)，航天器將沿一條拋物線飛離地球，開始繞太