高三物理一輪復(fù)習(xí) 第4章第5講 人造衛(wèi)星 宇宙速度課件 魯科版

曲線運(yùn)動曲線運(yùn)動萬 有 引 力 定 律萬 有 引 力 定 律人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星宇宙速度宇宙速度第四章 一、人造衛(wèi)星 1.牛頓的設(shè)想：當(dāng)物體拋出的速度足夠大時(shí)，物體將會圍繞地球旋轉(zhuǎn)而不再落回地面，成為一顆繞地球轉(zhuǎn)動的衛(wèi)星. 2.原理：衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動時(shí)， 提供向心力，即 =,其中r為衛(wèi)星到地心的距離. 3.同步衛(wèi)星：又稱靜止衛(wèi)星，周期、角速度與地球自轉(zhuǎn)的周期、角速度相同，所有的同步衛(wèi)星T=24h.萬有引力萬有引力2MmGr2vmr2mr224mrT 二、宇宙速度 1.第一宇宙速度：v1=7.9km/s，理論上人造衛(wèi)星的最小的發(fā)射速度，以此速度發(fā)射的人造衛(wèi)星近地面運(yùn)行，軌道半徑為地球半徑.同時(shí)，該速度又是最大環(huán)繞速度. 2.第二宇宙速度：v2=11.2km/s，以此速度發(fā)射的人造衛(wèi)星擺脫地球的吸引，成為繞太陽轉(zhuǎn)動的人造天體，因此又稱為脫離速度. 3.第三宇宙速度：v3=16.7km/s，以此速度發(fā)射的人造衛(wèi)星擺脫太陽的吸引，因此又稱為逃逸速度. 學(xué)會建立天體勻速圓周運(yùn)動模型 1997年8月26日，在日本舉行的國際學(xué)術(shù)交流會上，德國Max Plank學(xué)會的一個(gè)研究組宣布了他們的研究成果：銀河系的中心可能存在一個(gè)“大黑洞”.黑洞是某些天體的最后演變結(jié)果. (1)根據(jù)長期觀測發(fā)現(xiàn)，距離某“黑洞”r=6.01012m的另一個(gè)星體(設(shè)其質(zhì)量為m2)以v=2.0106m/s的速度繞“黑洞”旋轉(zhuǎn)，求該“黑洞”的質(zhì)量m1.(結(jié)果要求保留兩位有效數(shù)字.) (2)根據(jù)天體物理學(xué)知識，物體從某 天體上的逃逸速度公式為，其中引力常量G=6.6710-11Nm2/kg2.其中M為天體質(zhì)量，R為天體的半徑，且已知逃逸速度大于真空中光速的天體叫“黑洞”，請估算(1)中“黑洞”可能的最大半徑.(結(jié)果要求保留一位有效數(shù)字.)2GMvR 該題中情景屬于天體圍繞“黑洞”做勻速圓周運(yùn)動，其向心力由“黑洞”對天體的萬有引力提供. (1)根據(jù)萬有引力定律有： ， 得m1=， 代入數(shù)據(jù)得m1=3.61035kg. 21222mmvGmrr2v rG (2)設(shè)黑洞的可能半徑為R,質(zhì)量為 m1,依題意，應(yīng)滿足c，因此 R，黑洞可能的最大半徑 Rmax=. 處理天體運(yùn)動問題時(shí)，往往需要建立勻速圓周運(yùn)動模型：做勻速圓周運(yùn)動的對象、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)行軌道半徑、圓心位置及向心力來源等. 12GmR122Gmc113588 22 6.67 103.6 105 10(3 10 )mm 在神舟七號上，翟志剛整個(gè)出艙活動持續(xù)時(shí)間25分23秒，此時(shí)神舟七號在離地高度為H=3.4105m的圓軌道上，求在這段時(shí)間內(nèi)航天員繞行地球多少角度？（地球半徑為R=6.37106m，重力加速度g取10m/s2).622236.71 10.2()25.4 1025min231523360102 .rrRHmMmGmrrTMmTGrrGMgRTRgTstsstT 用 表示飛船圓軌道半徑，有由萬有引力定律和牛頓定律，得，式中表示地球質(zhì)量， 表示飛船質(zhì)量， 表示飛船繞地球運(yùn)行的周期， 表示萬有引力常量利用及上式，得，代入數(shù)值解得，出艙活動時(shí)間，航天員繞行地球角度 全面、準(zhǔn)確理解第一宇宙速度的物理意義 1990年3月,中國紫金山天文臺將1965年9月20日發(fā)現(xiàn)的第2752號小行星命名為“吳健雄星”,其直徑2R2=32km.如果該小行星的密度與地球的密度相同, 則對該小行星而言, 第一宇宙速度為多少?(已知地球的半徑為R1=6400km, 地球的第一宇宙速度v1=8km/s) 設(shè)地球和“吳健雄星”的質(zhì)量分別為M1、M2，由于兩個(gè)星球密度相等，故有： , 得 設(shè)星球第一宇宙速度為v, 根據(jù)萬有引力定律和牛頓運(yùn)動定律得： , 得3311223344MRMR31122MRMRGMvR22MmvGmRR 地球和吳健雄星的第一宇宙速度之 比為： 因此吳健雄星的第一宇宙速度為： 人造衛(wèi)星的第一宇宙速度即為衛(wèi)星貼近地球表面近地運(yùn)行的最大速度.應(yīng)用時(shí)可將該定義遷移應(yīng)用于其他星體的第一宇宙速度.11212212vM RRvMRR2211618/ 20/6400Rvvkm sm sR “嫦娥二號嫦娥二號”衛(wèi)星于衛(wèi)星于2010年年10月月1日發(fā)射，它的繞月飛行軌道由日發(fā)射，它的繞月飛行軌道由“嫦娥一號嫦娥一號”時(shí)的時(shí)的200公里高度降低到了公里高度降低到了100公里如果公里如果“嫦娥二號嫦娥二號”衛(wèi)星在近地點(diǎn)衛(wèi)星在近地點(diǎn)600km處通過發(fā)動處通過發(fā)動機(jī)短時(shí)點(diǎn)火，實(shí)施變軌變軌后衛(wèi)星從遠(yuǎn)地機(jī)短時(shí)點(diǎn)火，實(shí)施變軌變軌后衛(wèi)星從遠(yuǎn)地點(diǎn)高度點(diǎn)高度12萬余公里的橢圓軌道進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)高萬余公里的橢圓軌道進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)高度度37萬余公里的橢圓軌道，直接奔向月萬余公里的橢圓軌道，直接奔向月球則衛(wèi)星在近地點(diǎn)變軌后的運(yùn)行速度球則衛(wèi)星在近地點(diǎn)變軌后的運(yùn)行速度( )A小于小于7.9km/sB大于大于7.9km/s，小于，小于11.2km/sC大于大于11.2km/sD大于大于11.2km/s，小于，小于16.7km/s7.9km/s是第一宇宙速度，是衛(wèi)星在地面附近做是第一宇宙速度，是衛(wèi)星在地面附近做勻速圓周運(yùn)動所具有的線速度當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地勻速圓周運(yùn)動所具有的線速度當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地面附近的軌道速度大于面附近的軌道速度大于7.9km/s而小于而小于11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星將沿橢圓軌道運(yùn)行，當(dāng)衛(wèi)星的速度等時(shí)，衛(wèi)星將沿橢圓軌道運(yùn)行，當(dāng)衛(wèi)星的速度等于或大于于或大于11.2km/s時(shí)就會脫離地球的吸引，不再時(shí)就會脫離地球的吸引，不再繞地球運(yùn)行，繞地球運(yùn)行，11.2km/s被稱為第二宇宙速被稱為第二宇宙速度度“嫦娥二號嫦娥二號”變軌后仍沿橢圓軌道繞地球變軌后仍沿橢圓軌道繞地球運(yùn)動，故運(yùn)動，故B正確正確 有關(guān)地球同步衛(wèi)星的計(jì)算 我國發(fā)射的亞洲一號通信衛(wèi)星的質(zhì)量為m，如果地球半徑為R，自轉(zhuǎn)角速度為，地球表面重力加速度為g，則關(guān)于亞洲一號衛(wèi)星的說法中錯(cuò)誤的是() A.距地面高h(yuǎn)= B.軌道速度v= C.受到地球引力為mg D.受到地球引力為243m R g23R g223/R gR 由萬有引力提供向心力，則 ，又GM=gR2， 解得h=-R,A正確； 由v=(R+h)得,v=,B正確； 由和 及GM=gR2得F=,D正確；22MmGmRhRh232R g23R g2()mRh2GMmFRh243m R g2GMmRh 設(shè)同步衛(wèi)星所在處重力加速度為g， 則有mg=,而地球上的物體，有 mg=，因此，同步衛(wèi)星受地球引力的大小為mgmg,C錯(cuò).選C. 要熟練掌握各個(gè)物理量與軌道半徑的關(guān)系.2GMmRh2GMmR下列關(guān)于地球同步通信衛(wèi)星的說法中，正確下列關(guān)于地球同步通信衛(wèi)星的說法中，正確的是的是( )A為避免通信衛(wèi)星在軌道上相撞，應(yīng)使它們?yōu)楸苊馔ㄐ判l(wèi)星在軌道上相撞，應(yīng)使它們運(yùn)行在不同的軌道上運(yùn)行在不同的軌道上B通信衛(wèi)星定點(diǎn)在地球上空某處，各個(gè)通信通信衛(wèi)星定點(diǎn)在地球上空某處，各個(gè)通信衛(wèi)星的角速度相同，但線速度大小可以不同衛(wèi)星的角速度相同，但線速度大小可以不同C不同國家發(fā)射通信衛(wèi)星的地點(diǎn)不同，這些不同國家發(fā)射通信衛(wèi)星的地點(diǎn)不同，這些衛(wèi)星軌道不一定在同一平面內(nèi)衛(wèi)星軌道不一定在同一平面內(nèi)D通信衛(wèi)星只能運(yùn)行在赤道上空某一恒定高通信衛(wèi)星只能運(yùn)行在赤道上空某一恒定高度上度上 飛船中的超失重問題 隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了載人航天飛行.2003年10月15日，我國成功發(fā)射了“神舟”五號載人宇宙飛船.火箭全長58.3m，起飛總重量479.8t，火箭點(diǎn)火豎直升空時(shí)，儀器顯示航天員對座艙的最大壓力等于他體重的5倍.飛船進(jìn)入軌道后，“神舟”五號環(huán)繞地球飛行14圈約用時(shí)21h，宇航員多次在艙內(nèi)飄浮起來.假定飛船運(yùn)行軌道是圓形軌道，地球半徑R=6.4106m，地面重力加速度g=10m/s2.(計(jì)算結(jié)果取兩位有效數(shù)字) (1)試分析航天員在艙內(nèi)“飄浮起來”的現(xiàn)象產(chǎn)生的原因； (2)求火箭點(diǎn)火發(fā)射時(shí)，火箭的最大推力； (3)估算飛船運(yùn)行軌道距離地面的高度. (1)飛船進(jìn)入軌道繞地球做勻速圓周運(yùn)動，地球?qū)教靻T的引力全部提供航天員所需的向心力，處于完全失重狀態(tài)，故產(chǎn)生“飄浮起來”的現(xiàn)象. (2)對航天員受力分析，設(shè)座艙對他的支持力為N，他的質(zhì)量為m，最大加速度為a， 由牛頓第二定律：N-mg=ma, 由題知N=5mg,故a=4g 對火箭整體受力分析，設(shè)最大推力為F，由牛頓第二定律： F-Mg=Ma 所以 F=M(g+a)=5Mg=5479.810310N=2.399107N=2.4107N (3)由題知運(yùn)行周期 T=s=5400s=5.4103s 由 又GM地=R2g 由得h=-R=3.2105m. 弄清超失重現(xiàn)象的條件.21 360014222()M mGm RhTRh地22324gR T某物體在地面上受到的重力為某物體在地面上受到的重力為160N，將它，將它置于宇宙飛船中，當(dāng)宇宙飛船以置于宇宙飛船中，當(dāng)宇宙飛船以a=g/2的的加速度加速上升時(shí)，在某高度處物體對飛加速度加速上升時(shí)，在某高度處物體對飛船中支持面的壓力為船中支持面的壓力為90N，試求此時(shí)宇宙，試求此時(shí)宇宙飛船離地面的距離是多少？飛船離地面的距離是多少？(已知地球半已知地球半徑徑R=6.4103km，g=10m/s2)222416016160()161031.92 10NNGmkggMmGmgRMmhFGmaRRhRhRkm物體在地面時(shí)重力為，則其質(zhì)量物體在地面時(shí)有在 高處時(shí)有由上式得得：