2015-2016学年高中物理 3.3 飞向太空课件 粤教版必修2

学案3飞向太空[学习目标定位]1.了解火箭的基本原理，了解万有引力定律对航天技术发展的重大贡献.2.会分析人造卫星的超重和失重问题.3.会分析人造卫星的变轨问题.4.了解同步卫星的知识．1．天体运动问题的分析思路：卫星所受中心天体的吸引力提供卫星做圆周运动的向心力：GMmr2＝mv2r＝＝.2．第一宇宙速度是指发射卫星的最小发射速度，也是卫星环绕地球运动的最大环绕速度，由公式＝mv2R可求得v＝GMR＝gR.mω2rm(2πT)2rGMmR23．火箭是利用火药燃烧向后急速喷出的气体产生的，使火箭射出的．4．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．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，并自动脱掉，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．反作用力向前第一级火箭的外壳速度5．1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星由发射成功；1969年7月16日，“阿波罗11号”飞船在美国发射升空，7月20日在月球表面着陆；2003年10月15日，我国“神舟五号”宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位宇航员送入太空．6．1962年美国发射了探测器，第一次对进行了近距离的考察.1989年美国宇航局发射的探测器，飞行6年到达木星，对木星进行了长达7年的考察，向人类发送了许多宝贵的资料.2003年6月与7月，美国与火星探测器分别发射成功，在经过七个多月3.03亿千米的旅行后，“勇气号”于2004年1月登陆火星．苏联杨利伟“水手2号”金星“伽利略号”“勇气号”“机遇号”一、人造卫星的超重和失重1．人造卫星在发射升空时，有一段加速运动过程；在返回地面时，有一段减速运动过程，这两个过程加速度方向均向上，因而都是超重状态．2．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不会发生，因此，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．例1如图1所示，火箭内平台上放有测试仪，火箭从地面启动后，以加速度g2竖直向上匀加速运动，升到某一高度时，测试仪对平台的压力为启动前压力的1718.已知地球半径为R，求火箭此时离地面的高度．(g为地面附近的重力加速度)解析在地面附近的物体所受重力近似等于物体受到的万有引力，即mg＝GMmR2，物体距地面一定高度时，万有引力定律中的距离为物体到地心的距离，重力和万有引力近似相等，故此时的重力加速度小于地面上的重力加速度．图1取测试仪为研究对象，其先后受力如图甲、乙所示．根据物体的平衡条件有N1＝mg1，g1＝g所以N1＝mg根据牛顿第二定律有N2－mg2＝ma＝m·g2所以N2＝mg2＋mg2由题意知N2＝1718N1，所以mg2＋mg2＝1718mg所以g2＝49g设火箭距地面高度为H，则有mg2＝GMmR＋H2又mg＝GMmR2联立解得H＝R2.答案R2二、人造卫星的变轨问题人造卫星在运动过程中若速率发生了变化，轨道半径将发生变化．(1)当人造卫星减速时，卫星所需的向心力F向＝mv2r减小，万有引力大于卫星所需的向心力，卫星将做近心运动，向低轨道变迁．(2)当人造卫星加速时，卫星所需的向心力F向＝mv2r增大，万有引力不足以提供卫星所需的向心力，卫星将做离心运动，向高轨道变迁．注意卫星变轨时，是v发生变化导致卫星需要的向心力发生变化，进而使轨道半径r发生变化，所以不能通过v＝GMr来判断卫星如何变轨，但卫星再次达到稳定状态时，仍有v＝GMr成立．例2(双选)2013年5月2日凌晨0时06分，我国“中星11号”通信卫星发射成功．“中星11号”是一颗地球同步卫星，它主要用于为亚太地区等区域用户提供商业通信服务．如图2为发射过程的示意图，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再一次点火，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，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是()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点时的速度大于它在轨道2上经过Q点时的速度D．卫星在轨道2上经过P点时的速度小于它在轨道3上经过P点时的速度图2解析同步卫星在圆轨道上做匀速圆周运动时有：GMmr2＝mv2r，v＝GMr因为r1＜r3，所以v1＞v3，由ω＝vr得ω1＞ω3在Q点，卫星沿着圆轨道1运行与沿着椭圆轨道2运行时所受的万有引力相等，在圆轨道1上引力刚好等于向心力，即F＝mv21r.而在椭圆轨道2上卫星做离心运动，说明引力不足以提供卫星以v2速率运行时所需的向心力，即F＜mv22r，所以v2＞v1.卫星在椭圆轨道2上运行到远地点P时，根据机械能守恒可知此时的速率v2′＜v2，在P点卫星沿椭圆轨道2运行与沿着圆轨道3运行时所受的地球引力也相等，但是卫星在椭圆轨道2上做近心运动，说明F′＞mv2′2r，卫星在圆轨道3上运行时引力刚好等于向心力，即F′＝mv23r，所以v2′＜v3.由以上可知，速率从大到小排列为：v2＞v1＞v3＞v2′.答案BD三、同步卫星同步卫星也叫通讯卫星，它相对于地面静止，与地球具有相同的自转周期，即因与地球同步转动而得名．同步卫星的特点——五个“一定”．(1)定周期：运转周期与地球自转周期相同，T＝24h.(2)定轨道平面：所有地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面内．(3)定高度：离地面高度为36000km.(4)定速率：运行速率为3.1×103m/s.(5)定点：每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上．例3已知地球的半径是6.4×106m，地球的自转周期是24h，地球的质量是5.89×1024kg，引力常数G＝6.67×10－11N·m2/kg2，若要发射一颗地球同步卫星，试求：(1)地球同步卫星的轨道半径r；(2)地球同步卫星的环绕速度v，并与第一宇宙速度比较大小关系．解析(1)根据万有引力提供向心力得GMmr2＝mω2r，ω＝2πT，则r＝3GMT24π2＝36.67×10－11×5.89×1024×24×360024×3.142m＝4.2×107m(2)根据GMmr2＝mv2r得：v＝GMr＝6.67×10－11×5.89×10244.2×107m/s≈3.1×103m/s＝3.1km/s7.9km/s答案(1)4.2×107m(2)3.1×103m/s小于第一宇宙速度1．(单选)关于人造地球卫星及其内部物体的超重、失重问题，下列说法中不正确的是()A．在发射过程中向上加速时产生超重现象B．在降落过程中向下减速时产生超重现象C．进入轨道时做圆周运动，产生失重现象D．失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的D2．(双选)2012年2月25日凌晨，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第十一颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道．这是一颗地球静止轨道卫星，下列关于地球同步卫星的说法正确的是()A．它的周期与地球自转周期相同B．它的周期、速度都可随高度变化C．我们国家发射的同步通讯卫星可以定点在北京上空D．我国发射的同步通讯卫星必须定点在赤道上空解析同步卫星的周期和地球的自转周期相同．同步卫星只能处在赤道的正上方，因它的周期是确定的，所以它距地面的高度和运转的速度都是一定的，A、D正确，B、C错误．AD3．(双选)质量为m的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行，其运动视为匀速圆周运动．已知月球质量为M，月球半径为R，月球表面重力加速度为g，引力常数为G，不考虑月球自转的影响，则航天器的()A．线速度v＝GMRB．角速度ω＝gRC．运行周期T＝2πRgD．向心加速度a＝GmR2解析航天器贴近月球表面运动，其轨道半径等于月球半径，根据GMmR2＝mv2R＝mRω2＝mR4π2T2＝ma，则线速度v＝GMR，角速度ω＝GMR3，运转周期T＝2πRRGM，向心加速度a＝GMR2.根据mg＝mRω2＝mR4π2T2得ω＝gR，T＝2πRg，故A、C正确．答案AC4．已知引力常数G，地球半径R，月球和地球之间的距离r，同步卫星距地面的高度h，月球绕地球的运转周期T1.地球的自转周期T2，地球表面的重力加速度g.某同学根据以上条件，提出一种估算地球质量M的方法：同步卫星绕地心做圆周运动，由GMmh2＝m2πT22h，得M＝4π2h3GT22.(1)请判断上面的结果是否正确，并说明理由．如不正确，请给出正确的解法和结果；(2)请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果．解析(1)上面结果是错误的．地球的半径R在计算过程中不能忽略．正确的解法和结果是GMmR＋h2＝m2πT22(R＋h)，得M＝4π2R＋h3GT22(2)解法一：对于月球绕地球做圆周运动，由GMmr2＝m2πT12r，得M＝4π2r3GT21.解法二：在地球表面重力近似等于万有引力，由GMmR2＝mg得M＝gR2G.答案见解析