2014年春精选备课高中物理（鲁科版，必修2）：第5章　第2节　万有引力定律的应用　第3节　人类对太空的不懈追求（33张ppt）

课件33张PPT。第2节　万有引力定律的应用
第3节　人类对太空的不懈追求
1．掌握研究天体运动的基本方法：万有引力作为圆周运动的向心力．
2．初步了解人造卫星的发射、运行等情况．
3．能应用万有引力定律解决天体问题．
4．了解人类探索太空的历史与艰辛．
5．了解天文知识在科学研究和生产技术中的广泛应用．
一、人造卫星与宇宙速度
?人造卫星
(1)人造卫星的工作原理
万有引力mrω2地心小小大?宇宙速度
(1)第一宇宙速度：v1＝7.9 km/s，又称_________．
(2)第二宇宙速度：v2＝11.2 km/s，又称_________．
(3)第三宇宙速度：v3＝ ________，又称_________．
二、同步卫星
?同步卫星就是相对于地球_____的卫星，它只能处于_____上空，它的运动周期是____．
环绕速度脱离速度逃逸速度16.7 km/s静止赤道24 h三、发现未知天体
?海王星的发现
在观测_______时，发现其实际轨道与万有引力计算的轨道不吻合，并由此预测存在另一行星，这就是后来发现的_______．
?意义：巩固了_____________的地位，展现了科学理论超前的预见性．天王星海王星万有引力定律四、人类对太空的不懈追求
?1543年，波兰天文学家______正式提出了日心说，日心说认为太阳是宇宙的中心，其他行星都绕____做_________运动．
?牛顿的_____________是物理学的第一次大综合，它将地面上的力学与天上的力学统一起来，形成了以牛顿三大运动定律为基础的力学体系．
思考　不同国家不同时间发射的同步卫星高度相同吗？
提示　相同．
太阳匀速圆周万有引力定律哥白尼一、人造卫星与宇宙速度
?人造卫星
(1)人造卫星的工作原理
(1)人造卫星的分类：通讯卫星、导航卫星、气象卫星、侦察卫星、地球资源勘测卫星、科学研究卫星、预警卫星等．
(2)人造卫星的两个速度
①发射速度：指将人造卫星送入预定轨道运行所必须具有的速度．卫星离地面越高，卫星的发射速度越大．
由于发射卫星的过程中要克服地球的引力做功，所以发射速
度越大，卫星离地面越高，实际绕地球运行的速度越小．向
高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难得多．
?卫星的轨道
卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道．
(1)卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，卫星的半长轴和周期的关系遵从开普勒第三定律．
(2)卫星绕地球沿圆轨道运动时，因为地球对
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，所以地心必定
是卫星圆轨道的圆心．
(3)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步
卫星)也可以和赤道平面成任意角度，如图
5－2、3－1所示．
图5-2、 3-1二、宇宙速度
?第一宇宙速度(环绕速度)
(1)推导：对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径R＝6 400 km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，取g＝9.8 m/s2，则
7．9 km/s就是卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速
度，叫做第一宇宙速度，即v1＝7.9 km/s.?第二宇宙速度(脱离速度)
在地面附近发射飞行器，使之能够脱离地球的引力作用永远离开地球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.
?第三宇宙速度(逃逸速度)
在地面附近发射飞行器，使之能够脱离太阳引力的作用飞到太阳系以外所必需的最小发射速度，称为第三宇宙速度，其大小为v3＝16.7 km/s.
温馨提示　三个宇宙速度分别为三种不同情况下在地面附近的最小发射速度．
三、人造卫星的向心加速度、线速度、角速度、周期与半径的关系
设卫星的质量为m，地球的质量为M，卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径为r、线速度为v、角速度为ω、周期为T、向心加速度为a.由万有引力定律和牛顿第二定律得
温馨提示　(1)行星、人造地球卫星的向心加速度、线速度、
角速度、周期都跟轨道半径有关，跟行星、人造地球卫星自
身的质量无关．
四、近地卫星与同步卫星
?近地卫星
所谓近地卫星指的是卫星的运行半径约等于地球的半径，卫星做匀速圆周运动所需的向心力由万有引力提供．它的运行速度为第一宇宙速度，是最大绕行速度．
?同步卫星
相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星，又叫通讯卫星．同步卫星有以下几个特点：
(1)运行方向一定：同步卫星的运行方向与地球的自转方向一致．(2)周期一定：同步卫星的运行周期与地球的自转周期相同，即T
＝24 h.
(3)角速度一定：同步卫星的运行角速度等于地球的自转角速
度．
(4)轨道平面一定：卫星的轨道平面必须与赤道平面平行，又由
于向心力是由万有引力提供的，且万有引力必须在轨道平面上，
所以同步卫星的轨道平面必须在赤道平面上，即所有的同步卫星
都在赤道的正上方．
教材资料分析
讨论与交流
结合登月航线讨论：为什么飞船能围绕地球旋转？飞船在什么条件下能挣脱地球的束缚？为什么飞船能围绕月球旋转？在什么条件下飞船可以挣脱月球的束缚？
点拨　让飞船获得足够大的速度后，飞船会在地球引力作用下围绕地球旋转，此时地球对飞船的引力提供飞船做圆周运动的向心力．
当飞船的速度大于11.2 km/s时，飞船能挣脱地球的引力远离地球而去．
同样，在合适的速度下，飞船受到月球的引力提供飞船绕月球运行的向心力，此时飞船可以绕月球旋转．
飞船的速度超过某一值时，飞船可以挣脱月球的束缚远离月球.对第一宇宙速度的理解与计算【典例1】 恒星演化发展到一定阶段，可能成为恒星世界的“侏儒”——中子星，中子星的半径较小，一般在7～20 km，但它的密度大得惊人．若某中子星的密度为1.2×1017 kg/m3，半径为10 km，那么该中子星上的第一宇宙速度约为(G＝6.67×10－11 N·m2/kg2) (　　)．
A．7.9 km/s B．16.7 km/s
C．2.9×104 km/s D．5.8×104 km/s
答案　D
【变式1】 关于地球的第一宇宙速度，下列表述正确的是
(　　)．
A．第一宇宙速度又叫环绕速度
B．第一宇宙速度又叫脱离速度
C．第一宇宙速度跟地球的质量无关
D．第一宇宙速度跟地球的半径无关
答案　A
【典例2】 两颗人造地球卫星都绕地球做匀速圆周运动，已知它们的轨道半径之比 r1∶r2＝4∶1，求这两颗卫星的
(1)线速度大小之比；
(2)角速度之比；
(3)向心加速度大小之比．
解析　(1)地球对卫星的万有引力提供卫星做匀速圆周运动所需的向心力，设地球的质量为M，两卫星的质量分别为m1、m2，线速度大小分别为v1、v2，由牛顿第二定律得
卫星的向心加速度、线速度、角速度、周期的计算答案　(1)1∶2　(2)1∶8　(3)1∶16【变式2】 人造地球卫星以地心为圆心做匀速圆周运动，关于各物理量间的关系，下列说法正确的是 (　　)．
A．半径越大，线速度越小，周期越小
B．半径越大，线速度越小，周期越大
C．所有卫星的线速度均是相同的，与半径无关
D．所有卫星的角速度均是相同的，与半径无关
答案　B
【典例3】 据报道，我国数据中继卫星“天链一号01星”在西昌卫星发射中心发射升空，经过4次变轨控制后，成功定点在东经77°赤道上空的同步轨道．关于成功定点后的“天链一号01星”，下列说法正确的是 (　　)．
A．运行速度大于7.9 km/s
B．离地面高度一定，相对地面静止
C．绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大
D．向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等
有关同步卫星的问题答案　BC借题发挥　同步卫星与一般卫星的共同点是：向心力都是由
万有引力提供的．区别是：由于同步卫星的周期确定为地球
的自转周期，所以其轨道半径等也随之确定，一般卫星的轨
道半径是不确定的．
【变式3】 甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道均可视为圆轨道．以下判断正确的是 (　　)．
A．甲的周期大于乙的周期
B．乙的速度大于第一宇宙速度
C．甲的加速度小于乙的加速度
D．甲在运行时能经过北极的正上方答案　AC
【典例4】发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后点火，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5－2、3－2所示．当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，下列说法正确的是 (　　)．
卫星的发射与变轨问题图5-2、 3-2A．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点时的加速度大小大于它在轨道2上经过Q点时的加速度大小
D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度大小等于它在轨道3上经过P点时的加速度大小答案　BD
【变式4】 宇宙飞船正在轨道上运行，地面指挥人员发现某一火箭残体的轨道与飞船轨道有一交点，于是通知宇航员，飞船有可能与火箭残体相遇．宇航员随即开动飞船上的发动机使飞船加速，脱离原轨道，最终在新轨道上稳定运行．关于飞船在此过程中的运动，下列说法正确的是 (　　)．
A．飞船的高度降低 B．飞船的高度升高
C．飞船的周期变小 D．飞船的向心加速度变大
答案　B