高中物理 第5章 万有引力与航天 5.4 飞出地球去学案 沪科版必修2

高中物理 第5章 万有引力与航天 5.4 飞出地球去学案 沪科版必修2 5.4 飞出地球去 思维激活 1970年4月24日，第一颗人造地球卫星“东方红”1号在酒泉发射成功，我国成为世界上第五个发射卫星的国家.1975年11月26日，首颗返回式卫星发射成功，3天后顺利返回，我国成为世界上第三个掌握卫星返回技术的国家.2003年10月15日，中国第一艘载人飞船“神舟”五号发射成功.2005年10月12日,中国自主研制的“神舟六号”载人飞船在酒泉卫星发射中心发射升空，如图541.这些对你有何启发,你知道卫星是如何发射升空的吗, 图5-4-1 提示 中国卫星技术的发展，体现了我国历代科学家不怕困难、勇于探索、为国争光的精神，依靠自己的聪明才智为世界的和平与发展作出了巨大的贡 献.要把一颗卫星送入预定的轨道，除需要有科学的理论计算和尖端的火箭监 控技术外，通常是经过三个阶段进行的. 首先，全部准备工作完毕后，第一级火箭发动机点火，运载火箭开始脱离发射架上升，而且速度越来越快.这就是加速飞行段. 运载火箭从地面发射到把有效载荷送入预定轨道，称为发射阶段.在这一阶段所飞经的路线就叫做发射轨道.运载火箭的发射轨道一般为三大部分，即加速飞行段、惯性飞行段和最后加速段.运载火箭垂直起飞10秒钟后，开始按预定程序缓慢地转弯.发动机继续工作约100多秒后，运载火箭已上升到70千米左右的高度，基本达到所需的入轨速度和与地面接近平行的方向时，第一级火箭发动机关机分离，同时，第二级火箭发动机点火，继续加速飞行.此时，已飞行2—3分钟，高度已达150千米—200千米，基本已飞出稠密大气层，按预定程序抛掉箭头整流罩.接着，在火箭达到预定速度和高度时，第二级火箭发动机关机、分离，至此加速飞行段结束. 这时，运载火箭已获得很大动能，在地球引力作用下，开始进入惯性飞行段，一直到与卫星预定轨道相切的位置，第三级火箭发动机开始点火，进入最后加速段飞行.当加速到预定速度时，第三级火箭发动机关机，卫星从火箭运载器弹出，进入预定的卫星运行轨道.至此，运载火箭的任务就算完成了. 自主整理 一、三个宇宙速度 1.第一宇宙速度 要想发射人造卫星，必须具有足够的速度，发射人造卫星最小的发射速度称为第一宇宙 gR速度.v==7.9 km/s. 2.第二宇宙速度——飞出地球去 当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9 km/s时，它绕地球运行的轨迹就不再是圆形，而是椭圆形.当卫星的速度等于或大于11.2 km/s时，卫星就会脱离地球的引力不再绕地球运行，成为绕太阳运行的人造行星或飞到其他行星上去，我们把11.2 km/s称为第二宇宙速度，也称脱离速度. 1 3.第三宇宙速度——飞出太阳系 当物体的速度等于或大于16.7 km/s时，物体便将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间中去，我们把16.7 km/s称为第三宇宙速度，也称逃逸速度. 二、为了和平与进步 俄罗斯的学者齐奥尔科夫斯基最早系统地提出了航空理论. 1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造卫星. 1961年4月12日，苏联发射了第一艘载人飞船. 1969年7月20日，美国的宇宙飞船“阿波罗11号”第一次实现人类登月. 1976年7月和9月，美国的“海盗”1号和“海盗”2号在火星先后成功地软着陆. 1984年4月12日，第一架航天飞机“哥伦比亚”号发射成功. 2003年10月15日，中国第一艘载人飞船“神舟”五号发射成功. 2005年10月12日,中国自主研制的“神舟六号”载人飞船在酒泉卫星发射中心发射升空后,准确进入预定轨道,“神舟六号”载人飞船发射成功. 高手笔记 1.卫星的运行速度、角速度、周期与轨道半径r的关系 2GMv1Mm?由G=m得卫星的速度与半径r的关系:v=?，可见，环绕地球飞行的12rrr2r 人造地球卫星速度与飞行的轨道半径有关，半径越大，速度越小. GM1Mm2?由G=mωr得卫星的角速度与半径r的关系:ω=?，可见，环绕地球飞332rr2r 行的人造地球卫星的角速度与飞行的轨道半径有关，半径越大，角速度越小. 2332r4,4,Mm2?由G=mr得卫星的周期与半径r的关系:T=?，可见，环绕地球r22TGMr 飞行的人造地球卫星的周期与飞行的轨道半径有关，半径越大，周期越大. 2.第一宇宙速度的两种推导方法 2GMvMm(1)由G=m得v=，应用近地条件r=R(R为地球半径)，R,6 400 km,代入2rrr GM2地球质量M=6×104 kg,得v=,7.9 km/s. r (2)在地面附近，重力等于万有引力，此力提供卫星匀速圆周运动的向心力.(地球半径R、地面重力加速度g已知) 2v3gR6400，10，9.8由mg=m得v==m/s=7.9 km/s. R 3.地球同步卫星 地球同步卫星是指在赤道平面内，以和地球自转角速度相同的角速度绕地球运动的卫星，同步卫星又叫通讯卫星.同步卫星有以下几个特点: (1)周期一定:同步卫星在赤道上空相对地球静止，它绕地球的运动与地球自转同步，它的运动周期就等于地球自转的周期，即T,24 h. 2 (2)角速度一定:同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度. (3)轨道一定:由于同步卫星绕地球的运动与地球的自转同步，这就 决定 郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定 了同步卫星的轨 又由于同步卫星绕地球运动的向心力是地球对卫星的万有引力，道平面应与赤道平面平行. 这就决定了同步卫星做圆周运动的圆心为地心.所以，所有同步卫星的轨道必在赤道平面内. 2GMT3由于所有同步卫星的周期相同，由r,知，所有同步卫星的轨道半径相同，即同24, 4步卫星都在同一轨道上绕地球做匀速圆周运动，其轨道离地面的高度约为3.59×10 km. (4)环绕速度大小一定:所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的，都是3.08 km/s. (5)向心加速度大小一定:所有同步卫星由于到地心距离相同，所以，它们绕地球运动的 2向心加速度大小都相同，约为0.23 m/s. 4.人造地球卫星中的超重和失重 (1)人造卫星在发射升空时，有一段加速运动;在返回地面时，有一段减速运动，这两个过程加速度方向均向上，因而都是超重状态. (2)人造卫星在沿椭圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力，所以处于完全失重状态.在这种情况下凡是与重力有关的力学现象都会停止发生.因此，在卫星上的仪器，凡是制造原理与重力有关的均不能使用.同理，与重力有关的实验也将无法进行. 5.知识总结 卫星状况 受力 力学特征 Mm地在地面上(没有发射升重力(约等于引力)、支持G=mg=N 2R空) 力的合力为零 地 2Mmv在地面附近绕地球运地G=mg=m 地球引力(约等于重力) 2RR行 地地 Mm2,2地G=mg′=m()(R+h) 离地面h高度处运行 地球引力(小于重力) 2(R，h)T Mm2,2地G=mg=m()(R+H) H通讯卫星 地球引力 2T(R，H)自飞离地球，不再绕地球受太阳系中其他星球引力发射速度v?11.2 km/s 发运行 (或太阳的引力) 受太阳系以外的星球的引飞离太阳系 发射速度v?16.7 km/s 发力 名师解惑 1.为什么第一宇宙速度既是卫星的最小发射速度，又是最大的环绕地球的速度, 剖析:卫星的发射速度越大，升得越高，轨道半径越大，但环绕速度却越小.因为卫星到达轨道的过程中，要克服重力做功，所以发射速度越大，轨道半径越大;又因为卫星稳定运行 GM时，环绕地球运动的速度:v=(其中r为轨道半径，M为地球的质量)，所以轨道r 半径r越大，环绕速度v却越小.当r=R(R为地球半径)时，v=7.9 km/s(第一宇宙速度) 3 为卫星的最大环绕速度，但此时轨道半径r最小，因此发射速度也最小. 2.地球赤道上的物体、近地卫星和同步卫星的向心力有何不同, 剖析:地球赤道上的物体随地球一起自转，向心力由万有引力的一个分力提供;近地卫星和 地球赤道上的物体和地球同步卫星的角速度相地球同步卫星的向心力全部由万有引力提供. 同，地球同步卫星的角速度小于近地卫星的角速度. 3.卫星的速度变化时，卫星如何运动, 剖析:绕地球运行的卫星速度增大时，所需的向心力增大，卫星要做离心运动，轨道半径增大，但卫星在向高轨道运动过程中，由于要克服重力做功，卫星速度减小.卫星稳定运行时， GM运动速度v=，所以卫星在高轨道运动的速度小于卫星速度增大前在原轨道运行的速r 度. 绕地球运行的卫星速度减小时，所需的向心力减小，卫星要做向心运动，轨道半径减小，但卫星在向低轨道运动过程中，重力做正功，卫星速度增大.卫星稳定运行时，运动速度 GMv=，所以卫星在低轨道运动的速度大于卫星速度减小前在原轨道运行的速度. r 4