高中物理（新人教必修二）：第六章 5《宇宙航行》

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歡迎進(jìn)入物理課堂 5 宇宙航行 1 第一宇宙速度 表達(dá)式為 或 大小為 它是衛(wèi)星最大的環(huán)繞速度 也是衛(wèi)星最小的發(fā)射速度 環(huán)繞速度 指衛(wèi)星進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度 2 第二宇宙速度 也叫脫離速度 大小為 它表示當(dāng)發(fā)射速度等于或大于此速度時(shí) 物體就會(huì)克服地球的引力 永遠(yuǎn)離開地球 16 7km s 3 第三宇宙速度 也叫逃逸速度 大小為 它表示當(dāng)發(fā)射速度等于或大于此速度時(shí) 物體就會(huì)掙脫太陽(yáng)引力的束縛 飛到太陽(yáng)系外 7 9km s 11 2km s 4 通信衛(wèi)星繞地球赤道運(yùn)轉(zhuǎn) 其周期與地球周期相同 這種衛(wèi)星稱為同步衛(wèi)星 從地面上看 此衛(wèi)星像是懸在高空中靜止不 動(dòng) 有關(guān)同步衛(wèi)星的敘述 正確的是 D A 它的位置太高 不會(huì)受地球引力的作用 所以能懸在高空靜止B 它受到太陽(yáng)的引力恰好等于地球?qū)λ囊 它受到月亮的引力恰好等于地球?qū)λ囊 它受到地球的引力恰好等于它繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力解析 同步衛(wèi)星在軌道內(nèi)只受地球?qū)λ娜f(wàn)有引力作用 且用以提供它做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力 D對(duì) 知識(shí)點(diǎn)1 宇宙速度 美國(guó)有部電影叫 光速俠 是說(shuō)一個(gè)叫DanielLight的家伙在一次事故后 發(fā)現(xiàn)自己擁有了能以光速奔跑的能力 根據(jù)所學(xué)物理知識(shí)分析 如果光速俠要以光速?gòu)募~約跑到洛杉磯救人 可能實(shí)現(xiàn)嗎 圖6 5 1 提示 不可能實(shí)現(xiàn) 當(dāng)人或物體以大于第一宇宙速度的速度在地表運(yùn)動(dòng)時(shí) 會(huì)脫離地表 到達(dá)外太空 即在地表運(yùn)動(dòng)的速度不能超過(guò)7 9km s 1 第一宇宙速度 物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度叫做第一宇 宙速度 設(shè)地球的質(zhì)量為M 半徑為r 則其大小為v 7 9km s 它是地球人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度和最大環(huán)繞速度 2 第二宇宙速度 當(dāng)發(fā)射物體的速度等于或大于11 2km s時(shí) 物體會(huì)掙脫地球的引力 不再繞地球運(yùn)行 我們把這個(gè)速度叫做第二宇宙速度 3 第三宇宙速度 發(fā)射速度達(dá)到第二宇宙速度的物體雖然掙脫了地球引力的束縛 但還受到太陽(yáng)引力的作用 要使物體掙脫太陽(yáng)引力的束縛 飛到太陽(yáng)系外 必須使發(fā)射速度等于或大于16 7km s 這個(gè)速度叫做第三宇宙速度 例1 若取地球的第一宇宙速度為8km s 某行星的質(zhì)量是地球的6倍 半徑是地球的1 5倍 這行星的第一宇宙速 度約為 A 16km sB 32km sC 4km sD 2km s 答案 A 觸類旁通 1 關(guān)于地球的第一宇宙速度 下列表述正確的是 A A 第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度B 第一宇宙速度又叫脫離速度C 第一宇宙速度跟地球的質(zhì)量無(wú)關(guān)D 第一宇宙速度跟地球的半徑無(wú)關(guān) 知識(shí)點(diǎn)2 人造地球衛(wèi)星 探索宇宙的奧秘 奔向廣闊的太空 是人類自古以來(lái)的夢(mèng)想 人類是借助于火箭完成飛向太空的壯舉的 我國(guó)首個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室 天宮一號(hào) 于2011年9月29日發(fā)射升空 按計(jì)劃與 神舟 八號(hào) 神舟 九號(hào)和 神舟 十號(hào)進(jìn)行無(wú)人和人工對(duì)接 實(shí)現(xiàn)我國(guó)航天器空間對(duì)接技術(shù) 神舟 八號(hào)于2011年11月1日凌晨發(fā)射 這次發(fā)射的主要任務(wù)是與 天宮一號(hào) 對(duì)接 圖6 5 2 圖6 5 3 討論 蘇聯(lián) 神舟 五號(hào) 楊利偉 1 1957年10月4日 發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星 2 2003年10月15日 我國(guó)的 宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射 把我國(guó)第一位航天員 送入太空 成為繼蘇聯(lián) 美國(guó)后 第三個(gè)依靠自己的力量將宇航員送上太空的國(guó)家 1 人造地球衛(wèi)星的軌道 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí) 由地球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供向心力 地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力指向地心 而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體的向心力時(shí)刻指向它所做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心 因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心必與地心重合 這樣就存在三類人造地球衛(wèi)星軌道 如圖6 5 4所示 1 赤道軌道 衛(wèi)星的軌道在赤道平面上 衛(wèi)星始終處于赤 道上方 2 極地軌道 衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直 衛(wèi)星通過(guò)兩 極上空 3 一般軌道 衛(wèi)星軌道和赤道成一定的角度 圖6 5 4 2 人造地球衛(wèi)星的最小周期 人造地球衛(wèi)星的周期與軌道半徑的關(guān)系為T 2 由 此可知 衛(wèi)星的軌道半徑r越大 周期T越大 顯然 衛(wèi)星以第一宇宙速度在地球表面附近繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)的周期最小 最小周期約為84 8min 3 人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行速度和發(fā)射速度的區(qū)別 度指的是人造地球衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí)的速度 其大小隨軌道半徑的增大而減小 所以衛(wèi)星的運(yùn)行速度v 7 9km s 但由于人造地球衛(wèi)星在發(fā)射過(guò)程中要克服地球引力做功 勢(shì)能增大 所以將衛(wèi)星發(fā)射到離地球越遠(yuǎn)的軌道上 在地面所需要的發(fā)射速度越大 衛(wèi)星的最小發(fā)射速度為7 9km s 4 人造地球衛(wèi)星的超重與失重 1 發(fā)射和回收階段 衛(wèi)星發(fā)射加速上升的過(guò)程和衛(wèi)星回收進(jìn)入大氣層減速下降的過(guò)程中 都具有向上的加速度 這時(shí)發(fā)生超重現(xiàn)象 2 沿圓軌道正常運(yùn)行 衛(wèi)星進(jìn)入圓軌道正常運(yùn)行以后 只受重力 向心加速度為g 衛(wèi)星及衛(wèi)星上的任何物體都處于完全失重狀態(tài) 凡是應(yīng)用重力原理制成的儀器 天平 水銀氣壓計(jì)等 在衛(wèi)星中都不能正常使用 凡是與重力有關(guān)的實(shí)驗(yàn)在衛(wèi)星中都無(wú)法進(jìn)行 5 地球同步衛(wèi)星 1 同步衛(wèi)星 與地球同步轉(zhuǎn)動(dòng) 又稱靜止衛(wèi)星 相對(duì)于地球 表面靜止不動(dòng) 或通信衛(wèi)星 2 同步衛(wèi)星的特點(diǎn) 周期T 角速度 與地球自轉(zhuǎn)的周期和角速度相同 T 24h 軌道確定 因?yàn)?T與地球自轉(zhuǎn)的 T相同 又在做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 所以只能在赤道面上同地球自轉(zhuǎn)同步 R h m2 R h 式中的 如圖6 5 5所示 假設(shè)衛(wèi)星在軌道B跟著地球的自轉(zhuǎn)同步地做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的向心力由地球?qū)λ囊 引 的一個(gè)分力F1提供 由于另一個(gè)分力F2的作用將使衛(wèi)星靠向 赤道 故只有在赤道上空 同步衛(wèi)星才可能在穩(wěn)定的軌道上運(yùn)行 因此 所有的同步衛(wèi)星只能在赤道的正上方 且在一定高度處 因?yàn)?GMm 2 4 2T R為地球半徑 h為衛(wèi)星離地面的高度 經(jīng)計(jì)算得h 3 6 104km 圖6 5 5 例2 雙選 下列關(guān)于地球同步衛(wèi)星的說(shuō)法 正確的是 A 為避免通信衛(wèi)星在軌道上相撞 應(yīng)使它們運(yùn)行在不同的軌道上B 通信衛(wèi)星定點(diǎn)在地球赤道上空某處 所有通信衛(wèi)星的周期都等于地球的自轉(zhuǎn)周期C 不同國(guó)家發(fā)射通信衛(wèi)星的地點(diǎn)不同 這些衛(wèi)星的軌道不一定在同一平面上D 不同通信衛(wèi)星運(yùn)行的線速度大小是相同的 加速度的大小也是相同的 解析 通信衛(wèi)星為同步衛(wèi)星 地球同步衛(wèi)星都在同一軌道上 且相對(duì)靜止 A錯(cuò)誤 D正確 同步衛(wèi)星的運(yùn)行周期與地球的自轉(zhuǎn)周期一致 B正確 C錯(cuò)誤 答案 BD 例3 在天體演變的過(guò)程中 紅巨星發(fā)生 超新星爆炸 后 可以形成中子星 電子被迫同原子核中的質(zhì)子相結(jié)合而形成中子 中子星具有極高的密度 若已知某中子星的密度為1017kg m3 該中子星的衛(wèi)星繞它做圓軌道運(yùn)動(dòng) 試求該中子星的衛(wèi) 星運(yùn)行的最小周期 引力常量G 6 67 10 11 N m2 kg2 觸類旁通 2 人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 其速率 A 一定等于7 9km s B B 等于或小于7 9km sC 一定大于7 9km sD 介于7 9km s和11 2km s之間解析 第一宇宙速度為7 9km s 是衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度 3 地球的半徑為R0 地球表面的重力加速度為g 一個(gè)質(zhì)量為m的人造衛(wèi)星 在離地面高度為h R0的圓形軌道上繞地 球運(yùn)行 則 答案 A 衛(wèi)星的線速度 角速度 周期與軌道半徑的關(guān)系 例4 人造地球衛(wèi)星在運(yùn)行中 由于受到稀薄大氣的阻力作用 其運(yùn)動(dòng)軌道半徑會(huì)逐漸減小 在此過(guò)程中 以下說(shuō)法 錯(cuò)誤的是 A 衛(wèi)星的速率將增大B 衛(wèi)星的周期將增大C 衛(wèi)星的向心加速度將增大D 衛(wèi)星的角速度將增大 答案 B 觸類旁通 4 雙選 如圖6 5 6所示 T代表 天宮一號(hào) 飛行器 S代表 神舟 八號(hào)飛船 它們都繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 則 圖6 5 6 AD A T的周期大于S的周期B T的線速度大于S的線速度C T的向心加速度大于S的向心加速度D S和T的速度都小于環(huán)繞速度7 9km s 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全