高一物理培優(yōu)人教版必修2課件 第六章第五節(jié)《宇宙航行第六節(jié)經(jīng)典力學的局限性》

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歡迎進入物理課堂 第六節(jié)經(jīng)典力學的局限性 第五節(jié)宇宙航行 基礎(chǔ)知識梳理 一 宇宙速度1 第一宇宙速度 1 大小 km s 2 意義 衛(wèi)星環(huán)繞地球表面運行的速度 也是繞地球做 的最大速度 使衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最小地面發(fā)射速度 2 第二宇宙速度 1 大小 km s 2 意義 使衛(wèi)星掙脫地球引力束縛的最小地面發(fā)射速度 7 9 勻速圓周運動 11 2 3 第三宇宙速度 1 大小 16 7km s 2 意義 使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小地面發(fā)射速度 二 同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星就是相對于地球靜止的衛(wèi)星 它只能處于赤道上空 它的運動周期是24h 三 經(jīng)典力學的局限性1 牛頓力學即經(jīng)典力學只適用于宏觀 低速運動的物體 不適用于微觀 高速運動的物體 2 微觀粒子的運動規(guī)律遵守普朗克的量子理論 高速運動的物體遵守愛因斯坦的狹義相對論 強相互作用和弱相互作用都遵守愛因斯坦的廣義相對論 三 經(jīng)典力學的局限性1 牛頓力學即經(jīng)典力學只適用于 的物體 不適用于 的物體 2 微觀粒子的運動規(guī)律遵守普朗克的量子理論 高速運動的物體遵守愛因斯坦的 強相互作用和弱相互作用都遵守愛因斯坦的 宏觀 低速運動 微觀 高速運動 狹義相對論 廣義 相對論 核心要點突破 一 對第一宇宙速度的理解和推導第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星在地面附近圍繞地球做勻速圓周運動的環(huán)繞速度 通常稱為環(huán)繞速度 人造地球衛(wèi)星運動所需的向心力由萬有引力提供 所以 由此解得 由 取衛(wèi)星環(huán)繞地球運轉(zhuǎn)的軌道半徑r等于地球的半徑R 則可計算出第一宇宙速度為 由可知 衛(wèi)星的軌道半徑越大 運行速度越小 但發(fā)射時的發(fā)射速度卻越大 因為在發(fā)射過程中要克服萬有引力做更多的功 可以說第一宇宙速度是衛(wèi)星的最大環(huán)繞 運行 速度 同時又是衛(wèi)星發(fā)射的最小發(fā)射速度 二 人造衛(wèi)星的v T a與軌道半徑r的關(guān)系人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動 地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供向心力 地球質(zhì)量為M 衛(wèi)星質(zhì)量為m 對于近地衛(wèi)星 r R地 的線速度 即第一宇宙速度 是衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最大速度 其角速度 向心加速度是做圓周運動的衛(wèi)星的最大值 其周期為所有衛(wèi)星周期的最小值 三 地球同步衛(wèi)星相對于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星叫地球同步衛(wèi)星 其特點如下 1 同步衛(wèi)星的運行方向和地球自轉(zhuǎn)方向一致 2 同步衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)周期和地球自轉(zhuǎn)周期相同 即T 24h 3 同步衛(wèi)星的運行角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度 4 所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方 因為要與地球同步 同步衛(wèi)星的軌道平面必須與赤道平面重合 5 同步衛(wèi)星的高度固定不變 1 人造地球衛(wèi)星的運行速度和發(fā)射速度的區(qū)別對于人造地球衛(wèi)星 由得出 該速度指的是人造地球衛(wèi)星在軌道上運行時的速度 其大小隨軌道半徑的增大而減小 所以衛(wèi)星的運行速度v 7 9km s 但由于人造地球衛(wèi)星發(fā)射過程中要克服地球引力做功 增大勢能 所以將衛(wèi)星發(fā)射到離地球越遠的軌道上 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 2 赤道上隨地球自轉(zhuǎn)做圓周運動的物體與繞地球表面做圓周運動的衛(wèi)星的區(qū)別地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)做圓周運動的圓心與近地衛(wèi)星做圓周運動的圓心都在地心上 而且兩者做勻速圓周運動的半徑均可看做地球的半徑R 因此有同學就將二者混為一談 實際上二者有著非常顯著的區(qū)別 1 地球上的物體隨地球自轉(zhuǎn)做勻速圓周運動所需的向心力由萬有引力提供 但由于地球自轉(zhuǎn)角速度不大 萬有引力并沒有全部充當向心力 向心力只占萬有引力的一小部分 萬有引力的另一個分力是我們通常所說的物體所受的重力 請同學思考 若地球自轉(zhuǎn)角速度逐漸變大 將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象 而圍繞地球表面做勻速圓周運動的衛(wèi)星 萬有引力全部充當向心力 2 赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)做勻速圓周運動時由于與地球保持相對靜止 因此它做圓周運動的周期應與地球自轉(zhuǎn)的周期相同 即24h 其向心加速度 而繞地球表面運行的近地衛(wèi)星 其線速度即我們所說的第一宇宙速度 它的周期可以由下式求出 代入地球的半徑R與質(zhì)量 可求出地球近地衛(wèi)星繞地球的運行周期T約為84min 此值遠小于地球自轉(zhuǎn)周期 而向心加速度等于衛(wèi)星所在處的重力加速度g 對近地衛(wèi)星來說an g g 9 8m s2 遠大于赤道上物體隨地球自轉(zhuǎn)時的向心加速度 3 月球表面的重力加速度與月球軌道處的向心加速度的區(qū)別由于月球表面的物體m滿足 所以 繞著地球轉(zhuǎn)動的月球在軌道處的向心加速度滿足 解得 可以看出 月球軌道處的向心加速度遠小于月球表面的重力加速度 4 衛(wèi)星上的物體會完全失重的原因衛(wèi)星發(fā)射后在加速升高過程中 以及衛(wèi)星返回再進入大氣層向下降落的減速過程中 都具有向上的加速度 這時發(fā)生超重現(xiàn)象 與加速上升的電梯中的物體超重現(xiàn)象相同 衛(wèi)星進入軌道以后 由于萬有引力全部產(chǎn)生向心加速度 因而衛(wèi)星及衛(wèi)星上的任何物體都處于完全失重狀態(tài) 凡是應用重力原理制成的儀器 如水銀氣壓計 天平等 在衛(wèi)星中都不能正常使用 凡是與重力有關(guān)的實驗在衛(wèi)星中都無法進行 課堂互動講練 某人在一星球上以速率v豎直上拋一物體 經(jīng)時間t物體以速率v落回手中 已知該星球的半徑為R 求該星球上的第一宇宙速度 思路點撥 第一宇宙速度是環(huán)繞星球表面運行的速度 即對應的軌道半徑為該星球的半徑 且重力就等于星球?qū)ζ涞娜f有引力 解析 由勻變速運動的規(guī)律可得 該星球表面的重力加速度為第一宇宙速度即為衛(wèi)星在其表面附近繞它做勻速圓周運動的線速度 該星球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供向心力 而萬有引力又可近似認為和物體重力相等 所以有第一宇宙速度 答案 點評 求第一宇宙速度的題目通常有兩類 一類是已知星球表面的重力加速度和半徑 另一類是已知星球的質(zhì)量和半徑 分別用求解 1 我國成功發(fā)射了繞月運行的探月衛(wèi)星 嫦娥一號 設(shè)該衛(wèi)星的軌道是圓形的 且貼近月球表面 已知月球的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的1 81 月球的半徑約為地球半徑的1 4 地球上的第一宇宙速度約為7 9km s 則該探月衛(wèi)星繞月運行的速率約為 A 0 4km sB 1 8km sC 11km sD 36km s 解析 選B 由得 又月球的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的1 81 月球的半徑約為地球半徑的1 4 所以探月衛(wèi)星繞月運行的速率約為地球上第一宇宙速度的2 9 因此B項正確 2009年高考廣東卷 宇宙飛船在半徑為R1的軌道上運行 變軌后的半徑為R2 R1 R2 宇宙飛船繞地球做勻速圓周運動 則變軌后宇宙飛船的 A 線速度變小B 角速度變小C 周期變大D 向心加速度變大 解析 根據(jù)公式解得 可見當R變小之后 線速度v變大 角速度 變大 周期T變小 所以A B C錯誤 向心加速度 當R變小時a變大 所以D正確 答案 D 點評 人造地球衛(wèi)星做勻速圓周運動 其運動遵循的規(guī)律是由萬有引力提供向心力 注意規(guī)律的靈活運用 分別討論 v T a等與軌道半徑r的關(guān)系 2 如圖6 5 1所示 a b c是地球圖6 5 1大氣層外圓形軌道上運動的三顆衛(wèi)星 a和b的質(zhì)量相等且小于c的質(zhì)量 則 A b所需向心力最小B b c的周期相同且大于a的周期C b c的向心加速度大小相等 且大于a的向心加速度D b c的線速度大小相等 且小于a的線速度 2010年山西省高三第一次三校聯(lián)考 發(fā)射地球同步衛(wèi)星時 可先將衛(wèi)星發(fā)射至距地面高度為h1的圓形近地軌道上 在衛(wèi)星經(jīng)過A點時點火 噴氣發(fā)動機工作 實施變軌進入橢圓軌道 橢圓軌道的近地點為A 遠地點為B 如圖6 5 2所示 在衛(wèi)星沿橢圓軌道運動經(jīng)過B點時再次點火實施變軌 將衛(wèi)星送入同步軌道 遠地點B在同步軌道上 運動 兩次點火過程都使衛(wèi)星沿切線方向加速 并且點火時間很短 已知同步衛(wèi)星的運動周期為T 地球的半徑為R 地球表面重力加速度為g 求 1 衛(wèi)星在近地圓形軌道運行接近A點時的加速度大小 2 衛(wèi)星同步軌道距地面的高度 解析 1 設(shè)地球質(zhì)量為M 衛(wèi)星質(zhì)量為m 引力常量為G 衛(wèi)星在近地圓軌道運動接近A點時的加速度為aA 根據(jù)牛頓第二定在地球表面 有解得 2 設(shè)同步軌道距地面高度為h2 根據(jù)牛頓第二定律有解得 答案 點評 由于同步衛(wèi)星的運行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同 決定了它的離地高度 線速度都為定值 同時還要善于發(fā)掘題中的隱含條件 即地球同步衛(wèi)星的周期是24h 以及理解同步衛(wèi)星的向心力由萬有引力提供 3 用m表示地球通訊衛(wèi)星 同步衛(wèi)星 的質(zhì)量 h表示它離地面的高度 R0表示地球的半徑 g0表示地球表面處的重力加速度 0表示地球自轉(zhuǎn)角速度 則通訊衛(wèi)星所受地球?qū)λ娜f有引力的大小等于 解析 選BCD 解題時不僅要明確各字母的物理意義 還要善于觀察各選項的特點 靈活組建方程 選項B中有地球表面重力加速度g0 因此有 B對 選項C的特點是有g(shù)0 0兩個量 兩項G重 mg F向 m 2r中的量統(tǒng)一到了一項中 沒有距離h R0量 因此結(jié)果中設(shè)法消去 R0 h 一項 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全