高中物理必修2宇宙航行 备课资源

1、宇宙航行 备课资源合作讨论1.怎样才能使物体成为卫星而不掉在地上?“飘”起来,地球的自转角速度至少是多少?3.你如果成为一名宇航员有幸在太空旅行,你能否在空间站中通过台秤称量出自己的 体重?我的思路:在经典力学中,解决问题的关键是要抓住力与运动的关系,构建出与力相吻合的运动情景来.例如:某人站在高山上水平抛出物体,速度一次比一次大,落地时的水平距离一次比一次大,如果速度足够大,则物体就不再落回地面,而是将绕地球运动,成为地球人造卫星.“嫦娥奔月”7-5-1所示.图7-5-1“飘”着的,一不小心就会头下脚上了.到底多大的速度才能使物体成为人造地球卫星呢?由万有引力定律和匀速圆周运动知识可得:=v

2、=7.9 km/s式中M×1024 kg,r为地球半径6400 km.而地球上普通物体速度很难达到这么大的速度,这样物体就摆脱不了地球对它的引力,自然就会掉下来.反之,只要速度大到超过7.9 km/s时,就会成为卫星,实际生活中我们只有靠火箭才能达到这么大的速度.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.能应用万有引力定律及匀速圆周运动特点处理卫星运动的有关问题.4.了解人类太空飞行的发展历史.5.了解我国的航天发展过程，培养爱国主义精神.学习提示本节重点和难点是会用万有引力定律及匀速圆周运动的特点处理卫星运动的问题，会推导第一宇宙速度.

3、思维方法1.判断卫星的运动应该从受力和运动入手,将卫星的运动理想化,即卫星做匀速圆周运动万有引力提供向心力,根据万有引力定律和匀速圆周运动的规律,可求出相应的a、v、T等物理量.由=ma得a=,即a,r越大,a越小.由=,得v=,即v,r越大,v越小.由=mr2,得=,即,r越大,越小.由=mr,得T=,即T,r越大,T越大.2.正确区分卫星的发射速度和环绕速度.发射速度是指被发射的卫星在地面上离开发射装置时的初速度.卫星一旦被发射就无能量补充,而仅靠自己的初动能克服地球引力进入运行轨道,故发射速度不能小于第一宇宙 速度.环绕速度是指卫星在轨道上运行时的速度.如果人造卫星在圆形轨道上运行,运动

4、速度v=,其大小随半径的增大而减小,且小于或等于第一宇宙速度.但是由于在人造地球卫星的发射过程中火箭要克服地球引力做功,所以将卫星发射到离地面越远的轨道,需要克服地球引力做功越多,在地面上所需的发射速度就越大.注意:区分发射速度与环绕速度.卫星的发射事实上并不是一次给卫星一个初速度,也不可能一次给一个如此大的速度(大于第一宇宙速度),而是通过火箭的作用逐渐加速的.3.利用运载火箭发射人造卫星时,发送分三个阶段:发射升高阶段、飘移进入轨道阶段和进入预定轨道绕地球运行阶段.三种宇宙速度为:(1)第一宇宙速度(环绕速度):指的是卫星脱离地球表面成为地球近地卫星的线速度,它是人造卫星的最小发射速度,又

5、是卫星绕地球做匀速圆周运动的最大环绕速度.v1=7.9 km/s.(2)第二宇宙速度(脱离速度):使物体挣脱地球引力的束缚,而成为太阳的行星的最小发射速度.v2=11.2 km/s.(3)第三宇宙速度(逃逸速度):使物体挣脱太阳引力束缚成为与太阳平等的一颗行星的最小发射速度.v3=16.7 km/s.【例1】 如图7-5-2,a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运动的三颗卫星,a和b质量相等且小于c的质量,则图7-5-2A.b所需向心力最小B.b、c的周期相同且大于a的周期C.b、c的向心加速度大小相等,且大于a的向心加速度D.b、c的线速度大小相等,且小于a的线速度思路:万有引力提供向心力,结

6、合适当的圆周运动公式分析.答案:ABD【例2】 已知物体从地球上的逃逸速度(第二宇宙速度)v2=,其中G、ME、REG×10-11 N·m2/kg2,c×108 m/s.求下列问题:(1)逃逸速度大于真空中光速的天体叫做黑洞,设某黑洞的质量等于太阳的质量M×1030 kg,求它的可能最大半径(这个半径叫Schwarzschild半径）；（2）在目前天文观测范围内,物质的平均密度为10-27 kg/m3,如果认为我们的宇宙是这样一个均匀大球体,其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的速度c,因此任何物体都不能脱离宇宙,问宇宙的半径至少为多大?思路:将地球上的

7、逃逸速度v=推广到任何天体,就得到黑洞的逃逸速度公式,公式再变形即可求出最大半径.×103 m×1010光年自主练习1.研究天体运动时，它们做匀速圆周运动的向心力是 ，公式是 .答案：它们受到的万有引力 G=m或G=mr2=mr2.把卫星的运动看成匀速圆周运动，通过测出和及.特别是若卫星在天体表面环绕时，只要测出.答案：天体的卫星的环绕周期T 轨道半径r M= = 环绕周期T =3.在地球表面上，重力近似等于，表达式为，由此可得地球表面的重力加速度为.答案：万有引力 mg=G g=知识链接万有引力定律的应用领域，主要是自然天体和人造天体的运动，人造地球卫星是万有引力定律具体

8、应用的典型.根据卫星环绕运动时万有引力等于向心力，可以算出卫星的环绕速度、角速度、周期等.知识总结有关人造卫星的知识,根本问题就是抓住万有引力提供人造地球卫星做圆周运动的向心力这一基本力学关系,由此出发导出描述卫星做圆周运动的各物理量的关系式,应用时可根据实际情况选用适当的公式进行分析和计算:F万有=ma=mr2=mv=mr在地球表面,mg第一宇宙速度:人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径近似等于地球半径RM,根据万有引力定律和匀速圆周运动的规律可得:=得v=m/s=7.9 km/s或者由mg=得v=m/s=7.9 kmv=,指的是人造卫星在各自轨道上做匀速圆周运动的运行速度,其

9、大小随轨道半径的增大而减小,但由于人造卫星发射过程中要克服地球引力做功,增大势能,所以将卫星发射到离地球越远的轨道上在地面上所需要的发射速度就越大.根据v运行=,第一宇宙速度v1=可知:由于rR地球,所以卫星的运行速度不可能大于第一宇宙速度,人造卫星的发射速度与运行速度的大小关系是:v发射7.9 km/sv运行所以第一宇宙速度是最小发射速度,又是卫星最大环绕速度.第二宇宙速度:在地面上(r=R)发射物体,使之能够脱离地球的引力作用,成为绕太阳运动的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度,称为第二宇宙速度,其大小为v2=11.2 km/s.当11.2 km/sv27.9 km/s时,卫星

10、绕地球旋转,其轨道是椭圆,地球位于一个焦点上.第三宇宙速度:在地面上发射物体,使之最后能脱离太阳的引力范围,飞到太阳系以外的宇宙空间所必须的最小速度称为第三宇宙速度,其大小为v3=16.7 km/s.当16.7 km/sv11.2 km/s时,卫星脱离地球的束缚成为太阳系的一颗“小行星”.卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆形轨道,卫星绕地球沿圆形轨道运动时,由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,而万有引力指向地心,所以,地心必然是卫星圆轨道的圆心,卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星),也可以和赤道平面垂直,还可以和赤道平面成任一角度.卫星绕地球沿椭圆轨道运行

11、时,地心是椭圆的一个焦点,其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律,这类问题在中学物理中很少讨论.不同星体上的宇宙速度是各不相同的,以上给出的速度值是地球上的宇宙速度值,其计算方法完全可以推广到其他任何天体.天体的质量越大,半径越小,其宇宙速度值就越大.同步卫星指在赤道平面内,以和地球自转角速度相同的角速度绕地球运动的卫星.同步卫星又叫静止轨道卫星,有以下几个特点:周期一定:同步卫星在赤道上空相对地球静止,它绕地球的运动与地球自转同步,它的运动周期就等于地球自转的周期,即T=24 h.角速度一定:同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度,且卫星转动的方向与地球自转方向相同.轨道一定:a.由

12、于同步卫星绕地球的运动与地球的自转同步,这就决定了同步卫星的轨道平面应与赤道平面平行.又由于同步卫星绕地球运动的向心力是地球对卫星的万有引力,这就决定了同步卫星做圆周运动的圆心为地心,所以,同步卫星的轨道必在赤道平面内.b.由于所有同步卫星的周期都相同,由r=可知,所有同步卫星的轨道半径相同,即同步卫星都在同一轨道上绕地球做匀速圆周运动,其轨道离地面的高度h=-R×104 km.(地球半径R=6400 km,自转周期T=24 h=86400 s,地球表面重力加速度g=9.8 m/s2)环绕速度大小一定:所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的,都是 3.08 km/s,因为所有卫星的环绕速度等各物理量都是由轨道决定的.向心加速度大小一定:所有同步卫星由于到地心距离相同,所以它们绕地球运动的向心加速度大小都相同,约为0.23 m/s2.归根到底,同步卫星的以上特点,是由于同步卫星与地球相对静止这一特殊要求决定的.“超重”和“失重”问题的理解“超重”:卫星在进入轨道前的加速过程中