新教材物理粤教版课件34宇宙速度与航天

第四节宇宙速度与航天必备知识·自主学习知识点一第一宇宙速度【情境思考】牛顿说在高山上架起一门大炮,只要这门炮的威力足够大,炮弹将不会落到地面,成为地球的一颗卫星,是什么力使炮弹绕地球运动呢?提示:炮弹与地球之间的万有引力。1.对第一宇宙速度的理解:第一宇宙速度是在地面上发射卫星的最小速度,等于卫星围绕地球表面做匀速圆周运动的速度。2.第一宇宙速度数值推导:物体绕地球运动可视作匀速圆周运动,万有引力充当做匀速圆周运动所需的向心力,即(m地是地球的质量,r是物体做圆周运动的半径)。r近似等于地球半径代入数据得v=≈_________。

7.9km/s知识点二第二宇宙速度v=__________时,使飞行器挣脱地球束缚的最小地面发射速度,这个速度叫作第二宇宙速度又叫逃逸速度。

知识点三第三宇宙速度v=__________时,使飞行器挣脱太阳束缚的最小地面发射速度。这个速度叫作第三宇宙速度。

11.2km/s16.7km/s【易错辨析】(1)第一宇宙速度是卫星绕地球做匀速圆周运动的最小速度。 ()(2)第一宇宙速度的大小与地球质量有关。 ()(3)月球的第一宇宙速度也是7.9km/s。 ()(4)若物体的速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度,则物体可绕太阳运行。 ()(5)要发射一颗月球卫星,在地面的发射速度应大于16.7km/s。 ()×√×√×关键能力·合作学习知识点一第一宇宙速度角度1第一宇宙速度的定性分析1.第一宇宙速度:第一宇宙速度是卫星近地环绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度,即近地环绕速度。提醒:卫星近地环绕地球运动时轨道半径可近似看成地球半径。2.决定因素:由公式v=可得出第一宇宙速度数值由中心天体决定,大小取决于地球质量m地和地球半径R。提醒:由=mg还可得出第一宇宙速度v=。3.“最小发射速度”:发射人造卫星的速度如果低于第一宇宙速度,由于受到地球引力的作用,卫星会落到地球上。所以第一宇宙速度是最小的发射速度。提醒:发射速度是指卫星与火箭分离时的速度。4.“最大环绕速度”:在所有的环绕地球做圆周运动的卫星中,近地卫星的轨道半径最小,由公式得v=,轨道半径越小,线速度越大,所以第一宇宙速度是最大的环绕速度。提醒:环绕速度即运行速度与发射速度概念不同。【问题探究】在离地面150km左右飞行的航天器,能说在地面附近飞行吗?为什么?提示:能,150km相对于地球6400km的半径来说可以忽略。【典例示范】

【典例1】(多选)关于第一宇宙速度,以下叙述正确的是 ()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的运行速度C.它是使卫星进入轨道的最小发射速度D.它是人造卫星发射时的最大速度【解析】选B、C。第一宇宙速度是卫星绕天体表面做匀速圆周运动的线速度。第一宇宙速度满足关系式,由此得到v=,由此式可得到第一宇宙速度是最大的环绕速度。卫星发射得越高,需要的发射速度越大,故第一宇宙速度是最小的发射速度。选项B、C正确。角度2第一宇宙速度的定量计算1.根据星球表面的重力加速度计算它的第一宇宙速度,依据=mg。2.根据星球近地卫星做匀速圆周运动计算它的第一宇宙速度,依据【典例示范】

【典例2】(多选)已知火星的质量约为地球质量的,火星的半径约为地球半径的。下列关于火星探测器的说法中正确的是 ()A.发射速度只要大于第一宇宙速度即可B.发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C.发射速度应大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度D.火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的

【解析】选C、D。根据三个宇宙速度的意义,可知选项A、B错误,选项C正确;已知【素养训练】1.(母题追问)(多选)在典例1的情景中下列说法正确的是 ()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【解析】选C、D。设地球质量为M,半径为R,则由得第一宇宙速度v=,故v与地球质量有关,与被发射物体的质量无关。2.金星的半径是地球半径的95%,质量为地球质量的82%,近地卫星与环绕金星表面卫星的周期之比是多少?向心加速度之比是多少?【解析】地球和金星的近地卫星都是万有引力提供做圆周运动所需的向心力,即答案:

【加固训练】某人在一星球表面上以速度v0竖直上抛一物体,经过时间t后物体落回手中。已知星球半径为R,那么沿星球表面将物体抛出,要使物体不再落回星球表面,抛射速度至少为 ()

【解析】选B。要使物体不再落回星球表面,抛射速度必须达到星球的第一宇宙速度,满足v=,而由竖直上抛规律知v0=gt,所以v=。

知识点二人造地球卫星角度1人造地球卫星轨道特点1.卫星运动遵循的规律:卫星绕地球沿椭圆轨道运动时,地心在椭圆的一个焦点上,卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。【问题探究】地球的周围,有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动,这些卫星运动所需的向心力都是什么力提供的?

提示:地球对卫星的万有引力提供向心力。特点内容周期一定与地球自转周期相同,即T=24h=86400s角速度一定与地球自转的角速度相同高度一定卫星离地面高度h=r-R≈6R(为恒量)向心加速度大小一定an=0.23m/s2轨道平面一定轨道平面与赤道平面共面三大宇宙速度第三宇宙速度：v=16.7km/s离开太阳奔向远方第一宇宙速度：v=7.9km/s近地环绕的线速度最小发射速度最大环绕速度第二宇宙速度：v=11.2km/s离开地球奔向太阳同步卫星周期一定：T=24h轨道平面一定：与赤道平面共面高度一定：离地面高度h≈6R情境·模型·素养【生产情境】我国的空间站有望在2022年投入运转,支持在轨实施空间天文、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空间材料科学等学科领域的科学研究与应用项目。探究:(1)为什么宇宙飞船与空间站对接前不在同一轨道?(2)宇宙飞船与空间站对接后,空间站的周期会变化吗?【解析】(1)由关系式得v=,飞船在较低轨道上加速,需要的向心力变大,但此高度万有引力不变故做离心运动,飞到较高的轨道与空间站对接。(2)由关系式得T=2π,则运行周期和轨道半径、中心天体质量有关与空间站质量无关,故空间站周期不变。答案:见解析课堂检测·素养达标1.(多选)关于人造地球卫星的环绕速度可能正确的是 ()=11.2km/s=7.9km/sC.7.9km/s<v<11.2km/s <7.9km/s【解析】选B、D。人造地球卫星环绕地球运行时,当绕地球表面运行时,环绕速度最大,半径越大,环绕速度越小,故环绕速度一定小于等于7.9km/s。2.如图所示,人造卫星M、N分别绕地球做匀速圆周运动,关于它们的线速度、角速度、向心加速度和周期的大小的比较,下列说法正确的是 ()A.卫星M的线速度小于卫星N的线速度B.卫星M的向心加速度小于卫星N的向心加速度C.卫星M的角速度大于卫星N的角速度D.卫星M的周期大于卫星N的周期【解析】选C。人造卫星M、N分别绕地球做匀速圆周运动,均由万有引力提供向心力,则有:=ma=mrω2=,得:因为rM<rN,则vM>vN,aM>aN,ωM>ωN,TM<TN。【解析】选A。=ma。解得:

由角速度、加速度的表达式可得出:半径大的角速度小,加速度小,故A正确,B错误;轨道半径大的线速度小,则卫星a的运行速度小于第一宇宙速度,故C错误;b、a的轨道半径相同,周期相同为24h,故D错误。4.嫦娥四号探测器作为世界首个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器,其主要任务是着陆月球表面,继续更深层次更加全面地科学探测月球地质、资源等方面的信息,完善月球的档案资料。嫦娥四号探测器在月球表面着陆过程十分复杂,要经过一系列的轨道变换,其中就包括如图所示的由圆形轨道变轨为与之相切的椭圆轨道。下列说法正确的是 ()A.嫦娥四号沿圆轨道运行时加速度等于月球表面的重力加速度B.嫦娥四号沿椭圆轨道运行时,越接近月球其运行速率越小C.嫦娥四号在圆轨道上运行的周期大于在椭圆形轨道上运行时的周期D