1、确山二高 一 年级 物理 学科共案时 间： 星 期：主 备 人：张锐锋 使用人：【教学主题】第五节宇宙航行第六节经典力学的局限性【教学目标】1.会推导第一宇宙速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度2.了解人造卫星的有关知识，知道近地卫星、同步卫星的特点3.了解经典力学的发展历程和伟大成就，知道经典力学与相对论、量子力学的关系【知识梳理】一、宇宙速度(阅读教材P44P45)1人造地球卫星的发射原理(1)牛顿的设想：在高山上水平抛出一个物体，当初速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕地球转动的人造地球卫星(2)原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，向心力由地
2、球对它的万有引力提供，即Gm，则卫星在轨道上运行的线速度v.2宇宙速度(1)第一宇宙速度v：卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，v7.9 km/s.(2)第二宇宙速度v：使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度，v11.2 km/s.(3)第三宇宙速度v：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度，v16.7 km/s.拓展延伸(解疑难)第一宇宙速度的两种推导方法方法1：根据，应用近地条件rR(R为地球半径)，R6 400 km，地球质量M61024 kg，代入数据得v7.9 km/s.方法2：在地球表面附近，重力等于万有引力，此力提供卫星做匀速圆周运动的向心力(已知地球半径为R、地球表面
3、处的重力加速度为g)由mgm，得v m/s7.9 km/s.1.(1)在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9 km/s.()(2)在地面上发射火星探测器的速度应为11.2 km/sv16.7 km/s.() (3)要发射离开太阳系进入银河系的探测器，所需发射速度至少为16.7 km/s.()(4)要发射一颗月球卫星，在地面的发射速度应大于16.7 km/s.()提示：(1)(2)(3)(4)二、从低速到高速、从宏观到微观、从弱引力到强引力(阅读教材P48P51)1经典力学经典力学的基础是牛顿运动定律牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中，经受了实践的检验
4、，取得了巨大的成就2从低速到高速(1)狭义相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵从的规律(2)经典力学认为，物体的质量m不随运动状态改变，长度和时间的测量与参考系无关(3)狭义相对论指出，质量要随物体运动速度的增大而增大位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的3从宏观到微观电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而量子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律4从弱引力到强引力1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论在强引力的情况下，牛顿的引力理论不再适用5经典力学与近代物理学的关系当物体的运动速度远小于光
5、速c(3108 m/s)时，相对论物理学与经典物理学的结论没有区别当“普朗克常量h(6.631034 Js)”可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论没有区别2.(1)第三宇宙速度在相对论中属于高速()(2)质量是物体的固有属性，任何时候都不会变()(3)对于高速运动的物体，它的质量随速度的增大而变大()(4)万有引力定律对强相互作用也适用()提示：(1)(2)(3)(4)第一宇宙速度的计算学生用书P51 第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，也是近地圆轨道上卫星的运行速度计算第一宇宙速度有两种方法：(1)由Gm得：v；(2)由mgm得：v.(自选例题，启迪思维)(2015衡水高一检测)某人
6、在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t后，物体以速率v落回手中已知该星球的半径为R，求该星球上的第一宇宙速度思路探究(1)物体做什么性质的运动？该星球表面的重力加速度为多少？(2)计算第一宇宙速度用公式_较为简单解析根据匀变速运动的规律可得，该星球表面的重力加速度为g，该星球的第一宇宙速度，即为卫星在其表面附近绕星球做匀速圆周运动的线速度，该星球对卫星的引力(重力)提供卫星做圆周运动的向心力，则mgm，该星球表面的第一宇宙速度为v1 .答案(2014高考江苏卷)已知地球的质量约为火星质量的10倍，地球的半径约为火星半径的2倍，则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为()A3.5
7、 km/sB5.0 km/sC17.7 km/s D35.2 km/s解析由Gm得，对于地球表面附近的航天器有：G，对于火星表面附近的航天器有：，由题意知MM、r，且v17.9 km/s，联立以上各式得v23.5 km/s，选项A正确答案A规律总结推导地球上第一宇宙速度的方法也可以推广运用到其他星球上去即知道了某个星球的质量M和半径R，或该星球的半径R及星球表面的重力加速度g，可以用同样的方法，求得该星球上的第一宇宙速度人造地球卫星学生用书P52 1卫星轨道卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心位于椭圆的一个焦点上，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三
8、定律卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以，地心必须是卫星圆轨道的圆心卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，也可以和赤道平面垂直，还可以和赤道平面成任意角度，如图所示2人造地球卫星的线速度v、角速度、周期T、加速度a与轨道半径r的关系如下：项目推导式关系式结论v与r的关系Gmvr越大，v越小与r的关系Gmr2r越大，越小T与r的关系Gmr2T2r越大，T越大a与r的关系Gmaar越大，a越小由上表可以看出：卫星离地面高度越高，其线速度越小，角速度越小，周期越大，向心加速度越小(自选例题，启迪思维)在圆轨道上质量为m的人造地
9、球卫星，它到地面的距离等于地球的半径R，地球表面的重力加速度为g，则()A卫星运动的线速度为B卫星运动的周期为4C卫星的向心加速度为gD卫星的角速度为 解析万有引力提供向心力，有Gm.又g，故v ，选项A错误T4，选项B正确a，选项C错误 ，选项D正确答案BD如图所示是在同一轨道平面上的三颗不同的人造地球卫星，关于各物理量的关系，下列说法正确的是()A根据v，可知vAvBFBFCC角速度ABCD向心加速度aAaBaC解析设地球质量为M，卫星质量为m，卫星做圆周运动的半径为r，由Gmm2rma得v，a.因为rArBvBvC，A错ABC，C对aAaBaC，D错而F，由于三个卫星的质量关系未知，故无
10、法确定卫星所受地球引力的大小关系，B错答案C(2013高考海南卷)“北斗”卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星(同步卫星)、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行，它们距地面的高度分别约为地球半径的6倍和3.4倍下列说法正确的是()A静止轨道卫星的周期约为中轨道卫星的2倍B静止轨道卫星的线速度大小约为中轨道卫星的2倍C静止轨道卫星的角速度大小约为中轨道卫星的D静止轨道卫星的向心加速度大小约为中轨道卫星的思路点拨对两卫星，结合万有引力定律和牛顿第二定律导出周期、线速度、角速度、向心加速度的决定式，进行比较解析根据Gmr，可得T2，代入数据，A正确；根据Gm，可得v
11、，代入数据，B错误；根据Gm2r，可得，代入数据，C错误；根据Gma，可得a，代入数据，D错误答案A名师点评(1)地球卫星的a、v、T由地球的质量M和卫星的轨道半径r决定，当r确定后，卫星的a、v、T便确定了，与卫星的质量、形状等因素无关，俗称“一(r)定四(a、v、T)定”(2)在处理卫星的v、T与半径r的关系问题时，常用公式“gR2GM”来替换出地球的质量M会使问题解决起来更方便同步卫星学生用书P52 同步卫星是指相对于地面静止的卫星，又叫通讯卫星，其特点如下：(1)同步卫星的运行方向和地球自转方向一致；(2)同步卫星的运转周期和地球自转周期相同，即T24 h；(3)同步卫星的运行角速度等
12、于地球自转的角速度；(4)所有的同步卫星都在赤道的正上方，因为要与地球同步，同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合；(5)同步卫星的高度固定不变，由Gm(Rh)，mgG，得离地高度h3.6104 km.(自选例题，启迪思维)据报道，我国数据中继卫星“天链一号01星”于4月25日在西昌卫星发射中心发射升空，经过4次变轨控制后，于5月1日成功定点在东经77赤道上空的同步轨道关于成功定点后的“天链一号01星”，下列说法正确的是()A运行速度大于7. 9 km/sB离地面高度一定，相对地面静止C绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大D向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等解析由题中描述知
13、“天链一号01星”是地球同步卫星，所以它运行的速度小于7.9 km/s，离地高度一定，相对地面静止，故选项A错误，选项B正确由于“天链一号01星”的周期(T同1天)小于月球公转的周期(T月27.3天)，由mr，运行的半径比月球绕地球运行的半径小知，绕行的角速度比月球绕地球运行的角速度大，故选项C正确由a2r知，其向心加速度大于静止在赤道上物体的向心加速度，故选项D错误答案BC我国发射的“中星2A”通信广播卫星是一颗地球同步卫星在某次实验中，某飞船在空中飞行了36 h，环绕地球24圈那么，该同步卫星与飞船在轨道上正常运转时相比较()A同步卫星运转周期比飞船大B同步卫星运转速率比飞船大C同步卫星运
14、转加速度比飞船大D同步卫星离地高度比飞船大解析由万有引力定律和牛顿第二定律得G飞船的运行周期T h1.5 hT24 h，故A正确；由得，为恒量，得同步卫星离地高度h大，故D正确；由得v，所以同步卫星运转的速率小，B错误；由得a，所以同步卫星运转的加速度小，C错误答案AD(2014高考天津卷)研究表明，地球自转在逐渐变慢，3亿年前地球自转的周期约为22小时假设这种趋势会持续下去，地球的其他条件都不变，未来人类发射的地球同步卫星与现在的相比()A距地面的高度变大B向心加速度变大C线速度变大D角速度变大解析地球的自转周期变大，则地球同步卫星的公转周期变大由m(Rh)，得hR，T变大，h变大，A正确由
15、ma，得a，r增大，a减小，B错误由，得v，r增大，v减小，C错误由可知，角速度减小，D错误答案A方法总结比较卫星运行参数的方法，利用结论“一定四定，越高越慢”判断两个典型问题学生用书P52 1卫星中的超、失重现象(1)在卫星发射和回收过程中，具有向上的加速度，因此卫星中的物体处于超重状态(注意不是与物体在地面时所受重力相比)(2)卫星进入轨道后，不论是圆周运动还是椭圆运动，卫星中的物体对其他物体不再有挤压或牵拉作用，处于完全失重状态，卫星中的仪器，凡是使用原理与重力有关的均不能使用2卫星的发射速度与绕行速度(1)发射速度是指将人造卫星送入预定轨道运行所必须具有的速度要发射一颗人造卫星，发射速
16、度不能小于第一宇宙速度因此，第一宇宙速度又是最小的发射速度卫星离地面越高，卫星的发射速度越大，贴近地球表面的卫星(近地卫星)的发射速度最小，其运行速度即第一宇宙速度(2)绕行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度根据v可知，卫星越高，半径越大，卫星的绕行速度(环绕速度)就越小(自选例题，启迪思维)关于人造地球卫星及其中物体的超重、失重问题，下列说法中正确的是()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进入轨道做匀速圆周运动时，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解析超重、失重是从重力和弹力的大小关系而定义的，当向上加速时超重，向下减速时(加速度方向向上)也超重，故选项A、B正确；卫星做匀速圆周运动时，万有引力(或重力)完全提供向心力，使卫星及卫星内的物体产生向心加速度，并处于完全失重状态，故选项C正确，选项D错误答案ABC