4、飞出地球去.ppt

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5.4飞出地球去,第五章万有引力与航天,1.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度的公式2.理解掌握人造卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系3.了解人造卫星的相关知识及我国卫星发射的情况，激发学生的爱国热情,学习目标,两条基本思路,1、万有引力等于重力,2、万有引力提供向心力,知识回顾,2、石头抛出后会落地，为什么卫星、月亮没有落下来？

石头抛出后不落下来必须具备什么条件？

1、在某一定高度处平时抛出石头，如果抛出的速度v逐渐增大，落地点越远怎样变化？

思考：

一、宇宙速度,越来越远,石头抛出的水平初速度足够大,从高山上水平抛出物体，速度越大，落地点离山脚越远。

如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗永远绕地球运动的人造卫星。

牛顿关于卫星的设想,人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，它需要的向心力是由谁提供的？

设地球和卫星的质量分别为M和m，卫星到地心的距离为r,卫星运动的速度为v，请你用学过的知识推导出卫星在轨道上运行速度v的表达式。

若M=6.01024kg,rR地=6.40106m，计算出运动速度的大小。

【探究问题一】以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？

合作探究,思路一：

由于卫星运动所需的向心力是由万有引力提供的，所以,对于靠近地面的卫星，可以认为此时的r近似等于地球半径R，把r用地球半径R代入，可以求出：

显然要使所有人造地球卫星发射到地球上空不掉下来,发射的速度不能低于这个速度,不然会由于地球的引力大于所需的向心力而会使物体掉下来。

这个速度是所有人造地球卫星的最小发射速度，又是近地卫星的环绕速度！

（若已知地表重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km）,思路二：

重力提供物体作圆周运动的向心力,1第一宇宙速度v1_km/s，卫星在_绕地球做匀速圆周运动的速度，又称环绕速度（不同天体第一宇宙速度不同）2第二宇宙速度v2_km/s，使卫星挣脱_引力束缚的最小地面发射速度，又称脱离速度3第三宇宙速度v3_km/s，使卫星挣脱_引力束缚的_地面发射速度，也叫逃逸速度,阅读教材并回答：

三种宇宙速度,7.9,地球表面附近,11.2,地球,16.7,太阳,最小,1轨道及特点

（1）轨道：

赤道轨道、极地轨道及其他轨道,二、人造地球卫星运动规律,特点：

所有的轨道圆心都在地心,二、人造地球卫星运动规律,【探究问题二】将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动，你能推出卫星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系吗？

注意：

地球卫星的an、v、T由地球的质量M和卫星的轨道半径r决定，与卫星的质量、形状等因素无关,【例1】a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星其中a、c的轨道相交于P，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图所示，下列说法中正确的是（）,Aa、c的加速度大小相等，且大于b的加速度Bb、c的角速度大小相等，且小于a的角速度Ca、c的线速度大小相等，且小于d的线速度Da、c存在P点相撞的危险,A,人造卫星的发射速度和运行（环绕）速度,

（1）发射速度：

指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度宇宙速度均指发射速度,

（2）运行速度：

是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度当卫星“贴着”地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度.,向高轨道发射卫星时,需要的初速度大，因为火箭克服地球对卫星的引力,对火箭的要求更高一些,所以比较困难。

【探究问题三】将卫星送入低轨道和高轨道所需的发射速度哪一个更大？

哪一个更容易？

为什么？

思考：

第一宇宙速度是发射卫星的最大速度还是最小速度？

在所有卫星中运行速度最大还是最小？

r最小，是最小发射速度，最大运行速度。

【例2】下列说法是否正确：

（1）绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10km/s.（）

（2）在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9km/s.（）答案卫星绕地球做圆周运动飞行时的轨道半径越小，其线速度就越大，最大速度等于第一宇宙速度7.9km/s，

（1）错；地球卫星的最小发射速度为7.9km/s，即第一宇宙速度，

（2）对,【例3】某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t后，物体以速率v落回手中已知该星球的半径为R，求该星球上的第一宇宙速度,三、地球同步卫星,【探究问题三】地球同步的轨道有什么特点？

轨道应在赤道的正上方,地球同步卫星：

相对于地面静止，公转周期和地球自转周期相同的卫星。

1特点：

（1）定周期：

T=24h=86400s,

（2）定轨道：

同步卫星轨道必须在赤道上空,（3）定高度：

由,（4）定速度：

由于同步卫星高度确定，其轨道半径即确定，因此线速度、角速度大小均不变,（5）定加速度：

由于同步卫星高度确定，其轨道半径即确定，因此向心加速度大小也不变,特别提醒

（1）所有同步卫星的周期T、轨道半径r、环绕速度v、角速度及向心加速度a的大小均相同；但因质量可能不同，所受万有引力（向心力）可能不同

（2）所有国家发射的同步卫星的轨道都与赤道为同心圆，它们都在同一轨道上运动且都相对静止,【例4】下面关于同步通信卫星的说法中，正确的是（）A同步通信卫星和地球自转同步卫星的高度和速率都是确定的B同步通信卫星的高度、速度、周期中，有的能确定，有的不能确定，可以调节C我国发射第一颗人造地球卫星的周期是114min，比同步通信卫星的周期短，所以第一颗人造卫星离地面的高度比同步通信卫星的低D同步通信卫星的速率比我国发射的第一颗人造地球卫星的速率小答案ACD,同步卫星,近地卫星,月球,近地卫星、同步卫星、月球三者比较,同步卫星,近地卫星,近地卫星、同步卫星、赤道上随地球自转的物体三者比较,卫星变轨,卫星变轨的两种情况：

1由低轨道向高轨道，即离心运动；,2.由高轨道向低轨道，即近心运动。

1由低轨道向高轨道：

卫星速率变大，万有引力不够提供向心力，卫星做离心运动，轨道半径变大。

所以轨道变大，需要点火加速；,2由高轨道向低轨道：

卫星速率变小，万有引力大于所需向心力，卫星做近心运动，轨道半径变小，所以轨道变小，需要熄火减速；,卫星变轨问题“三个”物理量的规律分析,1速度：

如图所示，设卫星在圆轨道和上运行时的速率分别为v1、v3，在轨道上过A点和B点时速率分别为vA、vB.,在A点加速，则vAv1，在B点加速，则v3vB,又因v1v3，故有vAv1v3vB,2加速度：

因为在A点，卫星只受到万有引力作用，故不论从轨道还是轨道上经过A点，卫星的加速度都相同，同理，经过B点加速度也相同,3周期：

设卫星在、轨道上的运行周期分别为T1、T2、T3,轨道半径分别为r1、r2（半长轴）、r3，由开普勒第三定律k可知T1T2T3.,【例5】在完成各项任务后，“神舟十号”飞船于2013年6月26日回归地球如图所示，飞船在返回地面时，要在P点从圆形轨道进入椭圆轨道，Q为轨道上的一点，M为轨道上的另一点，关于“神舟十号”的运动，下列说法中正确的有（）,A飞船在轨道上经过P的速度小于经过Q的速度B飞船在轨道上经过P的速度小于在轨道上经过M的速度C飞船在轨道上运动的周期大于在轨道上运动的周期D飞船在轨道上经过P的加速度小于在轨道上经过M的加速度,答案AB,【例6】如图所示，搭载着“嫦娥二号”卫星的“长征三号丙”运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射，卫星由地面发射后，进入地月转移轨道，经多次变轨最终进入距离月球表面100km，周期为118min的工作轨道，开始对月球进行探测下列说法正确的是（）,A卫星在轨道上的运动速度比月球的第一宇宙速度小B卫星在轨道上经过P点的速度比在轨道上经过P点时大C卫星在轨道上运动周期比在轨道上短D卫星在轨道上P点加速度的比在轨道上P点的加速度小,答案AC,宇宙飞船与空间站对接,空间站在近地轨道长时间运行，可供航天员长期工作和生活的载人航天器，那么，地球上的人如何登到空间站，空间站上的人又如何返回地面？

这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。

如果二者在同一轨道，飞船想加速与空间站对接，能否成功？

对接过程：

飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。

通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，便可实现对接，如图所示。

飞船,空间站,【例7】宇宙飞船和轨道空间站在同一轨道上运动，若飞船想与前面的空间站对接，飞船为了追上轨道空间站，可采取的方法是：

（）A飞船加速直到追上B飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站，完成对接C飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站，完成对接D无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接,B,【例8】2013年6月13日13时8分，搭载聂海胜、张晓光、王亚平3名航天员的“神舟十号”飞船与“天宫一号”目标飞行器在离地面343km的近圆轨道上成功进行了我国载人空间交会对接对接轨道所在空间存在极其稀薄的大气，下列说法正确的是（）,A为实现对接，两者运行速度的大小都应等于第一宇宙速度B对接前，“神舟十号”欲追上“天宫一号”，必须在同一轨道上点火加速C由于稀薄空气，如果不加干预，天宫一号将靠近地球D当航天员王亚平站在“天宫一号”内讲课不动时，她受平衡力作用,C,注：

任何在轨道上正常运行的航天器因为只受万有引力即重力，随意航天器及航天器里的物品都处于完全失重状态。

双星系统,在天体运动中会有两颗星球，相距很近，在相互之间的万有引力作用下，各自以一定的速率绕某一中心转动而不会吸在一块，这两颗星球称为双星。

【特点】：

1.相互之间的万有引力提供向心力。

2.运动角速度、周期相等。

【规律】：

r,【例9】如图，质量分别为m1和m2的两个星球在引力作用下都绕O点做匀速圆周运动，两者中心之间的距离为L。

已知两星球m、M的中心和O三点始终共线，m和M分别在O的两侧引力常数为G。

（1）证明:

它们的轨道半径之比、线速度之都等于质量的反比；

（2）求两星球做圆周运动的周期T；（3）若已知运动周期T，试表示两星的总质量m1+m2.,【提示】：

双星的角速度、周期是相等的。

m1,天体的相遇,【例10】如图所示，有A、B两颗行星绕同一颗恒星M做圆周运动，旋转方向相同，A行星的周期为T1，B行星的周期为T2，在某一时刻两行星相距最近，则经过多长时间，两行星再次相距最近？

经过多长时间，两行星第一次相距最远？

小结：

1.三个宇宙速度的含义，及推导第一宇宙速度的公式2.人造卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系3.万有引力在航天上的应用相关问题,