物理必修2（配粤教）3.2-3.3《万有引力定律的应用，飞向太空》课件

(共61张PPT)
第3章　万有引力定律及其应用
第二节　万有引力定律的应用

第三节　飞向太空
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
课前自主学案
第三节　飞向太空
课标定位
课标定位
学习目标：1.会利用万有引力定律计算天体的质量．
2．理解人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系．
3．能利用人造卫星的运行规律分析、计算有关问题并能区分人造卫星的发射速度和环绕速度．
4．知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度．
重点难点：利用万有引力定律，求天体的质量、密度、运动周期和运动速度．
课前自主学案
一、计算天体的质量(以地球为例讨论)
1．基本思路
月球绕地球做匀速圆周运动的向心力是由它们之间的____________提供的，由此可列方程，从中求得地球的质量．
万有引力
3．如果已知卫星绕行星(或行星绕中心天体)运动的________和卫星与行星(或行星与中心天体)之间的_________，也可以算出行星(或中心天体)的质量．
周期
距离
思考感悟：1．根据月球绕地球做圆周运动的观测数据，应用万有引力定律求出的天体质量是地球的还是月球的？
提示：求出的是地球的质量，因为利用F万＝F引只能求出中心天体的质量．
二、理论的威力：预测未知天体
历史上天文学家曾经根据万有引力定律计算太阳系中天王星的运动轨道，由于计算值与实际情况有较大偏差，促使天文学家经过进一步的研究先后发现了海王星和冥王星．这两颗星的发现进一步证明了万有引力定律的正确性，而且也显示了万有引力定律对天文学研究的重大意义．
2．宇宙速度
(1)第一宇宙速度：v1＝____________，这是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，也叫_________速度．
7.9 km/s
环绕
(2)第二宇宙速度：v2＝_________，当人造卫星的发射速度大于或等于这一速度时，卫星就会挣脱___________的束缚，不再绕地球运动，所以第二宇宙速度也叫_______速度．
(3)第三宇宙速度：v3＝__________，人造卫星要想摆脱太阳引力的束缚，飞出太阳系，其发射速度至少要达到这一速度，所以第三宇宙速度又叫________速度．
11.2 km/s
地球引力
脱离
16.7 km/s
逃逸
思考感悟：2．发射一个火星探测器，那么这个探测器大体以多大的速度从地面上发射？
提示：发射速度应介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之间，即11.2 km/s四、飞向太空
1．火箭的发明
火箭最早是由我国发明的，早在12世纪的南宋时期，火箭已被用于战争．它是利用火药燃烧向后急速喷出的气体产生反作用力，使火箭向前射出．
2．近代火箭的研究
(1)近代火箭的研究从19世纪开始．
(2)俄国科学家齐奥尔斯基作出了重要贡献：研究了火箭运动的原理和液体火箭推进及喷射的理论，提出了用液体火箭对未来太空飞行的设想及多级火箭和惯性导航的概念．
3．多级火箭
多级火箭是用几个火箭连接而成的火箭组合，一般用三级，如图3－2－1所示．火箭起飞时，第一级火箭的发动机“点火”，推动各级火箭一起前进，当这一级的燃料燃尽后，第二级火箭开始工作，自动脱掉第一级火箭的外壳；第二级火箭在第一级火箭基础上进一步加速，以此类推，最终达到所需要的速度．
图3－2－1
4．探索宇宙奥秘的先锋——空间探测器
深空探测既是人类认识宇宙的需要，又是人类为了开发宇宙资源，扩大自身生存环境的需要．因此，世界上的科技大国都投入巨资进行研究，使得深空探测水平和载人航天技术成为衡量一个国家发展水平的标志．
核心要点突破
特别提醒：(1)在用万有引力等于向心力列式求天体的质量时，只能求出中心天体的质量，这种方法不仅适用于地球，也适用于其他天体质量的计算．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
1．(双选)(2011年天津高一检测)已知下面的哪组数据，可以算出地球的质量M(引力常数G为已知)(　　)
A．月球绕地球运动的周期T1及月球到地球中心的距离R1
B．地球绕太阳运行的周期T2及地球到太阳中心的距离R2
C．人造卫星在地面附近的运行速度v3和运行周期T3
D．地球绕太阳运行的速度v4及地球到太阳中心的距离R4
二、对人造卫星的理解
1．人造卫星的轨道
在地球上空绕地球运行的人造地球卫星所受的力是地球对它的万有引力．在中学阶段，我们主要研究绕地球做匀速圆周运动的卫星．
图3－2－2
卫星绕地球做匀速圆周运动时由地球对它的万有引力提供向心力，地球对卫星的万有引力指向地心，而做匀速圆周运动的物体的向心力时刻指向它做圆周运动的圆心．因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道．当然也应存在着与赤道平面成某一角度的圆轨道，只要圆心在地心，就可能是卫星绕地球运行的圆轨道．如图3－2－2所示．
但由于人造地球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，在地面所需要的发射速度越大，卫星的最小发射速度为7.9 km/s.
3．人造卫星的运行规律
在中学阶段，若无特别说明，我们一般将卫星的运行轨道视为圆轨道，卫星绕地球做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力即：F万＝F向．由此可知
特别提醒：在同一中心天体做匀速圆周运动的所有卫星的v、ω、T、a各量都只与轨道半径r有关．
4．人造卫星的超重与失重
人造卫星在发射升空时，有一段加速运动；在返回地面时，有一段减速运动．这两个过程加速度方向均向上，因而都是超重状态．
人造卫星在沿圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力，所以处于完全失重状态．在这种情况下，凡是与重力有关的力学现象都会停止发生．因此，在卫星上的仪器，凡是制造原理与重力有关的均不能使用．同理，与重力有关的实验也将无法进行．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
2. (单选)如图3－2－3所示，a、b、c是环绕地球圆形轨道上运行的3颗人造卫星，它们的质量关系是ma＝mbA．b、c的线速度大小相等，且大于a的线速度
B. b、c的周期相等，且小于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所需向心力最小
图3－2－3
三、对宇宙速度的理解
1．第一宇宙速度(环绕速度)
指人造卫星近地环绕速度，它是人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，是人造地球卫星的最小发射速度，v1＝7.9 km/s.发射速度小于7.9 km/s，卫星将不能围绕地球做圆周运动而落回地面．
2．第二宇宙速度(脱离速度)：在地面上(r＝R)发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳运行的人造行星或飞到其他行星上去所必须达到的最小发射速度，称为第二宇宙速度，其大小为v＝11.2 km/s.
当卫星的发射速度7.9 km/s3．第三宇宙速度(逃逸速度)：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需的最小速度，称为第三宇宙速度，其大小为v＝16.7 km/s.
特别提醒：(1)第一宇宙速度是人造地球卫星的最大运行速度，也是最小发射速度．
(2)三个宇宙速度分别为在三种不同情况下在地面附近的最小发射速度．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
3．(双选)(2011年成都高一检测)关于地球的第一宇宙速度，下列说法中正确的是(　　)
A．它是人造地球卫星绕地球运行的最小速度
B．它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度
C．它是能使卫星进入近地轨道的最小速度
D．它是能使卫星进入轨道的最大发射速度
四、近地卫星与同步卫星的比较
1．近地卫星
所谓近地卫星指的是卫星的半径等于地球的半径，卫星做匀速圆周运动的向心力是万有引力．
它的运动速度为第一宇宙速度，它是卫星的最大绕行速度．
2．同步卫星
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．同步卫星又叫通讯卫星，同步卫星有以下几个特点：
(1)同步卫星的运行方向与地球自转方向一致．
(2)同步卫星的运转周期与地球自转周期相同，T＝24 h.
(3)同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度．
(4)同步卫星的轨道一定与赤道平面共面．
如图3－2－4所示，假设卫星在轨道B跟着地球的自转同步做匀速圆周运动，卫星运动的向心力由地球对它的引力F引的一个分力F1提供，由于另一个分力F2的作用将使卫星轨道靠向赤道，故只有在赤道上空，同步卫星才可能在稳定的轨道上运行，所以所有同步卫星只能在赤道正上方，且在一定高度处．
图3－2－4
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ω及向心加速度a的大小均相同．
(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．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
4．(单选)(2011年高考北京理综卷)由于通信和广播等方面的需要，许多国家发射了地球同步轨道卫星，这些卫星的(　　)
A．质量可以不同　　　　　
B．轨道半径可以不同
C．轨道平面可以不同
D．速率可以不同
课堂互动讲练
天体质量和密度的计算
1969年7月21日，美国宇航员阿姆斯特朗在月球上留下了人类第一只脚印，迈出了人类征服宇宙的一大步．在月球上，如果阿姆斯特朗和同伴奥尔德林用弹簧测力计测出质量为m的仪器的重力为F；而另一位宇航员科林斯驾驶指令舱，在月球表面附近飞行一周，记下时间为T.引力常数G已知，试根据以上数据求出月球的质量．
例1
第一宇宙速度的计算
例2
【答案】　B
变式训练　　(2011年烟台质检)1990年5月，中国紫金山天文台将1965年9月20日发现的第2752号小行星命名为吴健雄星，其直径为32 km.若该行星的密度和地球的密度相同，则对该小行星而言，第一宇宙速度为多少？(已知地球半径R1＝6400 km，地球的第一宇宙速度v1≈8 km/s)
答案：20 m/s
人造卫星的稳定运行和变轨运行
例3
(双选)发射同步卫星时，先将卫星发射到近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如图3－2－5所示．当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是(　　)
图3－2－5
A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
B．卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度
C．卫星在轨道1上经过Q点时的速率小于在轨道2上经过Q点时的速率
D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度大于在轨道3上经过P点时的加速度
卫星在Q点时，在圆形轨道1时的速率一定小于在轨道2上经过Q点的速率，因为卫星在轨道1时所受的地球的引力提供给它的向心力使它刚好做匀速圆周运动，经点火在轨道2上的Q点，地球对卫星的引力不足以提供卫星做匀速圆周运动的向心力，所以卫星在轨道2上将做离心运动，与地球的距离增大；卫星在轨道2上经过P点的加速度大小等于在轨道3上经过P点的加速度大小，因为在P点处，卫星无论是在轨道2上还是在轨道3上，它所受到地球的万有引力相等，且万有引力方向与速度方向垂直，万有引力提供向心力，所以它们的加速度大小相等．综上所述，B、C选项正确．
【答案】　BC
知能优化训练
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