5.4飞出地球去课件2(沪科版必修2).ppt

1、5.4 飞出地球去1.1.了解卫星的发射、运行等情况。了解卫星的发射、运行等情况。2.2.知道三个宇宙速度的含义知道三个宇宙速度的含义, ,会计算第一宇宙速度。会计算第一宇宙速度。3.3.了解海王星的发现过程了解海王星的发现过程, ,掌握研究天体掌握研究天体( (或卫星或卫星) )运动的基本运动的基本方法，并能用万有引力定律解决相关问题。方法，并能用万有引力定律解决相关问题。4.4.了解人类探索太空的历史、现状及其未来发展的方向。了解人类探索太空的历史、现状及其未来发展的方向。重点：重点：1.1.第一宇宙速度的推导和理解、应用。第一宇宙速度的推导和理解、应用。 2.2.掌握卫星线速度、角速度、

2、周期、向心加速度与掌握卫星线速度、角速度、周期、向心加速度与 轨道半径间的关系。轨道半径间的关系。难点：卫星的变轨问题。难点：卫星的变轨问题。一、人造地球卫星与宇宙速度一、人造地球卫星与宇宙速度1.1.牛顿的设想：如图所示，从高山顶水牛顿的设想：如图所示，从高山顶水平抛出一个铅球，当抛出平抛出一个铅球，当抛出_足够大时，足够大时，铅球将环绕地球运动，成为一个铅球将环绕地球运动，成为一个“小月小月亮亮”。速度速度2.2.原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做_运动，向心力由地球对它的运动，向心力由地球对它的_提供提供, ,即即 则卫星在轨道上运行的线

3、速度则卫星在轨道上运行的线速度v=_v=_。匀速圆周匀速圆周万有引力万有引力22MmvGmrr，GMr3.3.宇宙速度宇宙速度7.9 7.9 匀速圆周运动匀速圆周运动 11.2 11.2 地球地球 16.7 16.7 太阳太阳 最小最小 【判一判【判一判】(1)(1)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10 km/s10 km/s。( )( )(2)(2)在地面上发射人造卫星的最小速度是在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9 km/s7.9 km/s。( )( )(3)(3)要发射一颗月球人造卫星，在地面的发射速度应大于要发射一颗月球人造卫星，在地面的发

4、射速度应大于16.7 km/s16.7 km/s。( )( )提示：提示：卫星绕地球做圆周运动飞行时的轨道半径越小，其线速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度就越大，最大速度等于第一宇宙速度7.9 km/s7.9 km/s，(1)(1)错；地错；地球卫星的最小发射速度为球卫星的最小发射速度为7.9 km/s7.9 km/s，即第一宇宙速度，但若将，即第一宇宙速度，但若将某卫星在地面上以大于某卫星在地面上以大于16.7 km/s16.7 km/s的速度发射，该卫星会脱离的速度发射，该卫星会脱离太阳的束缚，而跑到太阳系以外的空间，太阳的束缚，而跑到太

5、阳系以外的空间，(2)(2)对，对，(3)(3)错。错。二、为了和平与进步二、为了和平与进步19571957年年1010月月_成功发射了第一颗人造卫星；成功发射了第一颗人造卫星；19691969年年7 7月美国月美国“阿波罗阿波罗1111号号”登上登上_；20032003年年1010月月1515日我国航天员日我国航天员_踏入太空。踏入太空。苏联苏联月球月球杨利伟杨利伟【想一想【想一想】美国美国“新地平线新地平线”号探测器，已于美国东部时间号探测器，已于美国东部时间20062006年年1 1月月1717日日1313时时( (北京时间北京时间1818日日1 1时时) )借助借助“宇宙神宇宙神-5”

6、-5”火箭，火箭，从佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空，开始长从佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空，开始长达达9 9年的飞向冥王星的太空之旅，如果顺利，年的飞向冥王星的太空之旅，如果顺利，20152015年年“新地平新地平线线”号探测器就会按时到达，成为冥王星的一颗人造卫星。号探测器就会按时到达，成为冥王星的一颗人造卫星。“新地平线新地平线”号探测器的发射速度约为多少？号探测器的发射速度约为多少？提示：提示：“新地平线新地平线”号探测器是冥王星的卫星，它将飞离地球号探测器是冥王星的卫星，它将飞离地球而绕冥王星运动，但它仍没有脱离太阳的束缚，故其发射速度而绕冥王星运动，但它仍

7、没有脱离太阳的束缚，故其发射速度在第二宇宙速度与第三宇宙速度之间，即在第二宇宙速度与第三宇宙速度之间，即11.2 km/sv11.2 km/sv16.7 km/s16.7 km/s。 对三个宇宙速度的理解对三个宇宙速度的理解【探究导引【探究导引】如图是关于地球卫星的三个宇宙速度如图是关于地球卫星的三个宇宙速度示意图，思考以下问题：示意图，思考以下问题：(1)(1)地球卫星一定绕地球做圆周运动地球卫星一定绕地球做圆周运动吗？吗？(2)(2)宇宙速度是卫星绕地球做圆周运动的速度吗？宇宙速度是卫星绕地球做圆周运动的速度吗？(3)(3)宇宙速度与卫星的质量是否有关？与地球的质量又是否有宇宙速度与卫星的

8、质量是否有关？与地球的质量又是否有关？关？【要点整合【要点整合】 1.1.第一宇宙速度第一宇宙速度( (环绕速度环绕速度) )(1)(1)定义：又叫环绕速度，是人造卫星在地面附近绕地球做匀定义：又叫环绕速度，是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度，是人造地球卫星的最小发射速度，速圆周运动所具有的速度，是人造地球卫星的最小发射速度，v=7.9 km/sv=7.9 km/s。(2)(2)推导推导设地球的质量为设地球的质量为M,M,卫星的质量为卫星的质量为m m，卫星到地心的距离为，卫星到地心的距离为r r，卫，卫星做匀速圆周运动的线速度为星做匀速圆周运动的线速度为v v：2.2.第二

9、宇宙速度第二宇宙速度( (脱离速度脱离速度) )在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳运动的人造行星或绕其他行星运动的人造卫星所必需的最小发射运动的人造行星或绕其他行星运动的人造卫星所必需的最小发射速度，其大小为速度，其大小为11.2 km/s11.2 km/s。3.3.第三宇宙速度第三宇宙速度( (逃逸速度逃逸速度) )在地面上发射物体在地面上发射物体, ,使之最后能脱离太阳的引力作用，飞到太阳使之最后能脱离太阳的引力作用，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度，其大小为系以外的宇宙空间所必需的最小速度，其大小为16

10、.7 km/s16.7 km/s。【特别提醒【特别提醒】(1)(1)第一宇宙速度是人造卫星绕地球做匀速圆周第一宇宙速度是人造卫星绕地球做匀速圆周运动的最大环绕速度运动的最大环绕速度, ,也是最小发射速度。也是最小发射速度。(2)(2)当在地面上以当在地面上以7.9 km/sv11.2 km/s7.9 km/svvvB BvvC CB.B.运转角速度满足运转角速度满足A AB BC CC.C.向心加速度满足向心加速度满足a aA AaaB BaaC CD.D.运动一周后，运动一周后，A A最先回到图示位置最先回到图示位置vgr【解析【解析】选选C C。由。由 得，得，v= v= ，r r大，则大

11、，则v v小，小，故故v vA AvvB BvvC C，A A错误；由错误；由 得，得，= = ，r r大，大，则则小，故小，故A AB BC C，B B错误；由错误；由 得，得，r r大，则大，则a a小，故小，故a aA AaaB BaTTB BTTC C，因此运动一周后，因此运动一周后，C C最先回到图示位置最先回到图示位置,D,D错误。错误。22MmvGmrrGMr22MmGm rr3GMr2MmGmar2GMar，222Mm4GmrrT3rT2GM 地球卫星的运行规律地球卫星的运行规律【探究导引【探究导引】地球上空有数千颗人造地球卫星在运动，地球上空有数千颗人造地球卫星在运动，它们的

12、高度、轨迹各异。请思考以下有它们的高度、轨迹各异。请思考以下有关卫星的几个问题：关卫星的几个问题：(1)(1)人造地球卫星做圆周运动的圆心一定人造地球卫星做圆周运动的圆心一定是地球的球心吗？是地球的球心吗？(2)(2)地球同步卫星能否定点在北京的正上空？地球同步卫星能否定点在北京的正上空？(3)(3)在同一轨道上运动的两个卫星，后面的卫星通过加速能不在同一轨道上运动的两个卫星，后面的卫星通过加速能不能与前面的卫星实现交会对接？能与前面的卫星实现交会对接？【要点整合【要点整合】1.1.人造地球卫星的轨道人造地球卫星的轨道人造卫星的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道。人造卫星的轨道可以是椭圆轨道，

13、也可以是圆轨道。(1)(1)椭圆轨道：地心位于椭圆的一个焦点上。椭圆轨道：地心位于椭圆的一个焦点上。(2)(2)圆轨道：卫星绕地球做匀速圆周运动，卫星所需的向心力圆轨道：卫星绕地球做匀速圆周运动，卫星所需的向心力由万有引力提供，由于万有引力指向地心，所以卫星的轨道圆由万有引力提供，由于万有引力指向地心，所以卫星的轨道圆心必然是地心，即卫星在以地心为圆心的轨道平面内绕地球做心必然是地心，即卫星在以地心为圆心的轨道平面内绕地球做匀速圆周运动。匀速圆周运动。总之，地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度，但轨总之，地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度，但轨道平面一定过地心。当轨道平面与赤道平

14、面重合时，称为赤道道平面一定过地心。当轨道平面与赤道平面重合时，称为赤道轨道；当轨道平面与赤道平面垂直时，即通过极点，称为极地轨道；当轨道平面与赤道平面垂直时，即通过极点，称为极地轨道，如图所示。轨道，如图所示。2.2.地球同步卫星地球同步卫星(1)(1)定义：相对于地面静止的卫星，又叫静止卫星。定义：相对于地面静止的卫星，又叫静止卫星。(2)(2)六个六个“一定一定”同步卫星的运行方向与地球自转方向一致。同步卫星的运行方向与地球自转方向一致。同步卫星的运转周期与地球自转周期相同同步卫星的运转周期与地球自转周期相同,T=24 h,T=24 h。同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度。同步卫星

15、的运行角速度等于地球自转的角速度。同步卫星的轨道平面均在赤道平面上同步卫星的轨道平面均在赤道平面上, ,即所有的同步卫星都即所有的同步卫星都在赤道的正上方。在赤道的正上方。同步卫星的高度固定不变。同步卫星的高度固定不变。由由 知知 由于由于T T一定一定, ,故故r r一定一定, ,而而r=R+h,hr=R+h,h为同步卫星离地面的高度为同步卫星离地面的高度, , 又因又因GM=gRGM=gR2 2, ,代入数据代入数据T=24 h=86 400 s,gT=24 h=86 400 s,g取取9.8 m/s9.8 m/s2 2,R=6.38,R=6.3810106 6 m, m,得得h=3.6h

16、=3.610104 4 km km。22GMm2mr()rT232GMTr4。232GMThR4。同步卫星的环绕速度大小一定同步卫星的环绕速度大小一定: :设其运行速度为设其运行速度为v,v,由于由于所以所以22MmvGmRhRh2GMgRvRhRh263679.86.38 10m/s3.1 10m/s6.38 103.6 10 。【温馨提示【温馨提示】由于卫星在轨道上运动时由于卫星在轨道上运动时, ,它受到的万有引力全它受到的万有引力全部提供给了向心力部提供给了向心力, ,产生了向心加速度产生了向心加速度, ,因此卫星及卫星上任何因此卫星及卫星上任何物体都处于完全失重状态。物体都处于完全失重

17、状态。【典例【典例3 3】(2012(2012北京高考北京高考) )关于环绕地球运行的卫星，下列关于环绕地球运行的卫星，下列说法正确的是说法正确的是( )( )A.A.分别沿圆轨道和椭圆轨道运行的两颗卫星，不可能具有相同分别沿圆轨道和椭圆轨道运行的两颗卫星，不可能具有相同的周期的周期B.B.沿椭圆轨道运行的一颗卫星，在轨道不同位置可能具有相同沿椭圆轨道运行的一颗卫星，在轨道不同位置可能具有相同的速率的速率C.C.在赤道上空运行的两颗地球同步卫星，它们的轨道半径有可在赤道上空运行的两颗地球同步卫星，它们的轨道半径有可能不同能不同D.D.沿不同轨道经过北京上空的两颗卫星，它们的轨道平面一定沿不同轨

18、道经过北京上空的两颗卫星，它们的轨道平面一定会重合会重合【思路点拨【思路点拨】解答本题时需要把握以下三点：解答本题时需要把握以下三点：关键点关键点(1)(1)行星运动的开普勒定律。行星运动的开普勒定律。(2)(2)卫星运行过程中机械能守恒。卫星运行过程中机械能守恒。(3)(3)同步卫星的周期都是相等的。同步卫星的周期都是相等的。【规范解答【规范解答】卫星的周期随轨道半径变化而变化，所以它们的卫星的周期随轨道半径变化而变化，所以它们的运行周期可能相等，运行周期可能相等，A A错误；同步卫星的轨道是正圆，周期都错误；同步卫星的轨道是正圆，周期都是是2424小时，根据小时，根据 ，所有同步卫星的轨道

19、半径，所有同步卫星的轨道半径r r都相等，都相等，C C错误；卫星运行过程中机械能守恒，在轨道的不同位置可能有错误；卫星运行过程中机械能守恒，在轨道的不同位置可能有相等的重力势能，因而具有相等的动能，所以轨道的不同位置，相等的重力势能，因而具有相等的动能，所以轨道的不同位置，速率也有可能相等，速率也有可能相等，B B正确；经过北京上空的卫星轨道可以有正确；经过北京上空的卫星轨道可以有无限多条，无限多条，D D错误。错误。答案答案: :B B32rkT【变式训练【变式训练】(2012(2012哈尔滨高一检测哈尔滨高一检测) )当人造卫星进入轨道做当人造卫星进入轨道做匀速圆周运动后，下列叙述正确的

20、是匀速圆周运动后，下列叙述正确的是( )( )A.A.在任何轨道上运动时，地球球心都在卫星的轨道平面内在任何轨道上运动时，地球球心都在卫星的轨道平面内B.B.卫星运动速度一定等于卫星运动速度一定等于7.9 km/s7.9 km/sC.C.卫星内的物体仍受重力作用，并可用弹簧测力计直接测出所卫星内的物体仍受重力作用，并可用弹簧测力计直接测出所受重力的大小受重力的大小D.D.因卫星处于完全失重状态，所以在卫星轨道处的重力加速度因卫星处于完全失重状态，所以在卫星轨道处的重力加速度等于零等于零【解析【解析】选选A A。由于地球对卫星的万有引力提供向心力，所以。由于地球对卫星的万有引力提供向心力，所以球

21、心必然是卫星轨道的圆心，球心必然是卫星轨道的圆心，A A正确。只有贴近地面做匀速圆正确。只有贴近地面做匀速圆周运动的卫星的速度才等于周运动的卫星的速度才等于7.9 km/s7.9 km/s，其他卫星的线速度小于，其他卫星的线速度小于7.9 km/s7.9 km/s，B B错误。卫星绕地球做匀速圆周运动，其内部的物错误。卫星绕地球做匀速圆周运动，其内部的物体处于完全失重状态，弹簧测力计无法测出其重力，地球在卫体处于完全失重状态，弹簧测力计无法测出其重力，地球在卫星轨道处产生的重力加速度等于其向心加速度，并不等于零，星轨道处产生的重力加速度等于其向心加速度，并不等于零，C C、D D错误。错误。【

22、温馨提示【温馨提示】对于同步卫星、近地卫星、极地卫星等一些特殊对于同步卫星、近地卫星、极地卫星等一些特殊卫星要注意加以理解、辨析，另外地球表面尤其是赤道上的物卫星要注意加以理解、辨析，另外地球表面尤其是赤道上的物体虽然也做圆周运动，但它们的运动规律与卫星的不同。体虽然也做圆周运动，但它们的运动规律与卫星的不同。【典例】地球同步卫星离地心的距离为【典例】地球同步卫星离地心的距离为r r，运行速度为，运行速度为v v1 1，加，加速度为速度为a a1 1，地球赤道上的物体随地球自转的加速度为，地球赤道上的物体随地球自转的加速度为a a2 2，第一，第一宇宙速度为宇宙速度为v v2 2，地球半径为，

23、地球半径为R R，则以下正确的是，则以下正确的是( )( )考查内容考查内容卫星与赤道上物体的运动规律卫星与赤道上物体的运动规律211221()11222aarRA.B.()aRarvvrrC.D.()vRvR 【思路点拨【思路点拨】求解本题要把握以下四点：求解本题要把握以下四点：关键点关键点(1)(1)同步卫星与赤道上物体的角速度相同。同步卫星与赤道上物体的角速度相同。(2)(2)第一宇宙速度的概念。第一宇宙速度的概念。(3)(3)圆周运动向心加速度同角速度的关系。圆周运动向心加速度同角速度的关系。(4)(4)卫星的线速度同轨道半径的关系。卫星的线速度同轨道半径的关系。【规范解答【规范解答】

24、设地球的质量为设地球的质量为M M，同步卫星的质量为，同步卫星的质量为m m1 1，地球，地球赤道上物体的质量为赤道上物体的质量为m m2 2，近地卫星的质量为，近地卫星的质量为m m2 2，根据向心加，根据向心加速度和角速度的关系有：速度和角速度的关系有：a a1 1=1 12 2r,ar,a2 2=2 22 2R,R,1 1=2 2, ,故故 ，可知选项，可知选项A A正确，正确，B B错误。错误。由万有引力定律得：由万有引力定律得：对同步卫星：对同步卫星：对近地卫星：对近地卫星：由以上两式解得：由以上两式解得： ，可知选项，可知选项D D正确，正确，C C错误。错误。答案答案: :A A

25、、D D12araR21112MmvGm,rr22222MmvGm,RR12vRvr卫星、飞船变轨问题的处理方法卫星、飞船变轨问题的处理方法1.1.卫星、飞船做圆周运动卫星、飞船做圆周运动卫星、飞船由较低轨道通过加速进入较高轨道，在较高轨道可卫星、飞船由较低轨道通过加速进入较高轨道，在较高轨道可以通过减速进入较低轨道。此时由以通过减速进入较低轨道。此时由=ma =ma 得，得，所以通过比较卫星、飞船轨道半径的变化，可以得知卫星、飞所以通过比较卫星、飞船轨道半径的变化，可以得知卫星、飞船的船的v v、T T和和a a的变化。的变化。2222Mmv2Gmmrmr()rrT332GMGMrGMvT2

26、arrGMr，。2.2.卫星、飞船做椭圆运动卫星、飞船做椭圆运动此时可以通过开普勒第二定律讨论卫星、飞船在同一椭圆轨道此时可以通过开普勒第二定律讨论卫星、飞船在同一椭圆轨道上不同位置的线速度大小，或通过开普勒第三定律讨论卫星、上不同位置的线速度大小，或通过开普勒第三定律讨论卫星、飞船在不同椭圆轨道上运动的周期大小，还可以通过关系式飞船在不同椭圆轨道上运动的周期大小，还可以通过关系式 讨论椭圆轨道上距地心不同距离处的加速度大小。讨论椭圆轨道上距地心不同距离处的加速度大小。3.3.飞船对接问题飞船对接问题两飞船实现对接前应处于高低不同的两轨道上，目标船处于较两飞船实现对接前应处于高低不同的两轨道上

27、，目标船处于较高轨道，在较低轨道上运动的对接船通过合理地加速，可以提高轨道，在较低轨道上运动的对接船通过合理地加速，可以提升高度并追上目标船与其完成对接。升高度并追上目标船与其完成对接。2GMar【案例展示】某次发射同步卫星的过程如下：先将卫星发射至【案例展示】某次发射同步卫星的过程如下：先将卫星发射至近地圆轨道近地圆轨道1 1，然后再次点火进入椭圆形的过渡轨道，然后再次点火进入椭圆形的过渡轨道2 2，最后将，最后将卫星送入同步轨道卫星送入同步轨道3 3。轨道。轨道1 1、2 2相切于相切于Q Q点，点，2 2、3 3相切于相切于P P点，点，则当卫星分别在则当卫星分别在1 1、2 2、3 3

28、轨道上正常运行时，以下说法正确的轨道上正常运行时，以下说法正确的是是( )( )A.A.卫星在轨道卫星在轨道3 3上的速率大于在轨道上的速率大于在轨道1 1上的速率上的速率B.B.卫星在轨道卫星在轨道3 3上的角速度大于在轨道上的角速度大于在轨道1 1上的角速度上的角速度C.C.卫星在轨道卫星在轨道1 1上经过上经过Q Q点时的加速度大于它在轨道点时的加速度大于它在轨道2 2上经过上经过Q Q点点时的加速度时的加速度D.D.卫星在轨道卫星在轨道2 2上经过上经过P P点时的加速度等于它在轨道点时的加速度等于它在轨道3 3上经过上经过P P点点时的加速度时的加速度【规范解答【规范解答】由由 得，

29、得， 由于由于r r1 1rvv3 3，1 13 3，A A、B B错；轨道错；轨道1 1上的上的Q Q点与轨点与轨道道2 2上的上的Q Q点是同一点，到地心的距离相同，根据万有引力定律点是同一点，到地心的距离相同，根据万有引力定律及牛顿第二定律知，卫星在轨道及牛顿第二定律知，卫星在轨道1 1上经过上经过Q Q点时的加速度等于它点时的加速度等于它在轨道在轨道2 2上经过上经过Q Q点时的加速度，同理卫星在轨道点时的加速度，同理卫星在轨道2 2上经过上经过P P点时点时的加速度等于它在轨道的加速度等于它在轨道3 3上经过上经过P P点时的加速度，点时的加速度，C C错，错，D D对。对。答案答案

30、: :D D222MmvGmmrrr3GMGMvrr，【名师点评【名师点评】卫星变轨问题的处理技巧卫星变轨问题的处理技巧卫星变轨问题是天体运动中的难点，处理此类问题有以下两卫星变轨问题是天体运动中的难点，处理此类问题有以下两点技巧：点技巧：(1)(1)当卫星绕天体做匀速圆周运动时，万有引力提供向心力，当卫星绕天体做匀速圆周运动时，万有引力提供向心力，由由 ，得，得 ，由此可见轨道半径，由此可见轨道半径r r越大，线越大，线速度速度v v越小。当由于某原因速度越小。当由于某原因速度v v突然改变时，若速度突然改变时，若速度v v突然减突然减小，则小，则F F ，卫星将做近心运动，轨迹为椭圆；若速

31、度，卫星将做近心运动，轨迹为椭圆；若速度v v突突然增大，则然增大，则F Frr神神，所以所以v v天天vv神神，天天TT神神，a a天天aa神神；故正确选项为；故正确选项为B B。22222Mmv4GmrmmrmarrT，332GMGMrGMvT2arrGMr，5.5.有两颗人造地球卫星，甲离地面有两颗人造地球卫星，甲离地面800 km800 km，乙离地面，乙离地面1 600 km1 600 km，求：，求：(1)(1)两者的线速度之比。两者的线速度之比。(2)(2)两者的周期之比。两者的周期之比。( (地球半径约为地球半径约为6 400 km)6 400 km)【解析【解析】r r甲甲=6 400 km+800 km=7 200 km=6 400 km+800 km=7 200 km，r r乙乙=6 400 km+1 600 km=8 000 km=6 400 km+1 600 km=8 000 km，由由得卫星线速度得卫星线速度 ，周期，周期所以所以答案答案: :(1) 3 (2)27(1) 3 (2)27222Mmv2Gmmr()rrTGMvr3rT2GMvvrr103 乙乙甲甲 ，33TTrr2710 10 乙乙甲 甲 1010 10