6.5-6.6.宇宙航行、经典力学的局限性_课件(人教版必修2)

设地球质量为 M，卫星质量为 m，卫星 ， ， 到地心的距离为 r，卫星做匀速圆周运 ， 动的线速度为 v，根据万有引力定律和 ， 牛顿第二定律得： 牛顿第二定律得： v2 Mm GM G 2 ＝m ，v＝ . ＝ r r r 为地球半径)， 应用近地条件 r≈R(R 为地球半径 ，取 ≈ R＝6400 km，M＝6×1024 kg，则： ＝ ， ＝ × ， GM 7.9 km/s. v＝ ＝ R ＝
三、地球同步卫星 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期 的卫星叫地球同步卫星，又叫通信卫星．同 的卫星叫地球同步卫星，又叫通信卫星． 步卫星有以下几个特点： 步卫星有以下几个特点： 1．同步卫星的运行方向与地球自转方向一 ． 致． 2．同步卫星的运转周期与地球自转周期相 ． 同，且T＝24 h. ＝ 3．同步卫星的运行角速度等于地球自转的 ． 角速度． 角速度．
特别提醒： 第一宇宙速度是人造卫星的 特别提醒：(1)第一宇宙速度是人造卫星的 最大环绕速度，也是最小发射速度． 最大环绕速度，也是最小发射速度． (2)三个宇宙速度分别为三种不同情况下在 三个宇宙速度分别为三种不同情况下在 地面附近的最小发射速度． 地面附近的最小发射速度． (3)运行速度为人造卫星做匀速圆周运动的环 运行速度为人造卫星做匀速圆周运动的环 绕速度，其不同于发射速度． 绕速度，其不同于发射速度．
即时突破， 即时应用 (即时突破，小试牛刀 即时突破 小试牛刀) 1．美国“新地平线”号探测器，已于美国东 ．美国“新地平线”号探测器， 部时间2006年1月17日13时(北京时间 日1时) 北京时间18日 时 部时间 年 月 日 时 北京时间 借助“宇宙神—5”重型火箭，从佛罗里达州 借助“宇宙神 ”重型火箭， 卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空， 卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空，开始 长达9年的飞向冥王星的太空之旅 拥有3级发 年的飞向冥王星的太空之旅． 长达 年的飞向冥王星的太空之旅．拥有 级发 动机的“宇宙神—5”重型火箭将以每小时 动机的“宇宙神 ” 5.76万公里的惊人速度把“新地平线”号送离 万公里的惊人速度把“ 万公里的惊人速度把 新地平线” 地球， 地球，这个冥王星探测器将成为人类有史以来 发射的速度最高的飞行器，这一速度( ) 发射的速度最高的飞行器，这一速度
A．卫星的轨道可能为a ．卫星的轨道可能为 B．卫星的轨道可能为b ．卫星的轨道可能为 C．卫星的轨道可能为 ．卫星的轨道可能为c D．同步卫星的轨道一定为平行于 的某一 ．同步卫星的轨道一定为平行于b的某一 同心圆 解析： 物体做圆周运动时， 解析：选BCD.物体做圆周运动时，物体所 物体做圆周运动时 受的合外力方向一定要指向圆心． 受的合外力方向一定要指向圆心．对于这些 卫星而言， 卫星而言，就要求所受的万有引力指向圆心 而卫星所受的万有引力都指向地心， ，而卫星所受的万有引力都指向地心，所以 A选项错误，B、C选项正确；对于同步卫星 选项错误， 、 选项正确 选项正确； 选项错误 来说，由于相对地球表面静止， 来说，由于相对地球表面静止，所以同步卫 星应在赤道的正上空，因此D选项正确 选项正确． 星应在赤道的正上空，因此 选项正确．
4．要与地球同步，卫星的轨道平面必须与 ．要与地球同步， 赤道平面平行，又由于向心力是万有引力提 赤道平面平行， 供的，万有引力必须在轨道平面上， 供的，万有引力必须在轨道平面上，所以同 步卫星的轨道平面均在赤道平面上， 步卫星的轨道平面均在赤道平面上，即所有 的同步卫星都在赤道的正上方． 的同步卫星都在赤道的正上方． 5．同步卫星高度固定不变． ．同步卫星高度固定不变． 所有同步卫星的周期T、轨道半径 、 所有同步卫星的周期 、轨道半径r、环绕速 及向心加速度a的大小均相同 度v、角速度 及向心加速度 的大小均相同 、角速度ω及向心加速度 ．
A．大于第一宇宙速度 ． B．大于第二宇宙速度 ． C．大于第三宇宙速度 ． D．小于并接近于第三宇宙速度 ． 解析： 解析：选ABD.此发射速度脱离了地球的束 此发射速度脱离了地球的束 但没有脱离太阳的束缚， 缚，但没有脱离太阳的束缚，故此速度介于 第二宇宙速度和第三宇宙速度之间．所以A 第二宇宙速度和第三宇宙速度之间．所以 正确． 、B、D正确． 、 正确
核心要点突破
一、宇宙速度 宇宙速度是在地球上满足不同要求的卫星发 射速度，不能理解成卫星的运行速度． 射速度，不能理解成卫星的运行速度． 1．第一宇宙速度(环绕速度 ．第一宇宙速度 环绕速度 环绕速度) 指人造卫星近地环绕速度， 指人造卫星近地环绕速度，它是人造卫星在 地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速 是人造地球卫星的最小发射速度， ＝ 度，是人造地球卫星的最小发射速度，v＝ 7.9 km/s.
3 GMT2 GMm 2π 2 由 2 ＝mr( T ) 知 r＝ ＝ 由于 2 .由于 T 4π r 一定， 不变， ＝ ＋ ， 一定，故 r 不变，而 r＝R＋h，h 为离地 3 GMT2 面的高度， ＝ 面的高度，h＝ 又因 ＝ 2 －R.又因 GM＝ 4π gR2，代入数据 T＝24 h＝86400 s，g 取 ＝ ＝ ， 9.8 m/s ，R＝6400 km，得 h＝3.6×10 ＝ ， ＝ × km.
2．人造卫星的运行规律 ． (1)人造卫星的运行速率 人造卫星的运行速率 mv2 Mm GM 由 G 2 ＝ r 得 v＝ ＝ ，即为人造卫星 r r 绕地球做匀速圆周运动时的线速度． 绕地球做匀速圆周运动时的线速度．说明轨 道半径越大，卫星做圆周运动的线速度就越 道半径越大， 当 ＝ 卫星绕地面运行， v＝ 小； r＝R 时， 卫星绕地面运行， ＝ GM R
半径越大，卫星做圆周运动的周期就越大， 半径越大，卫星做圆周运动的周期就越大， 即所需时间越长； r＝R 时， ＝2π 当 T＝ 即所需时间越长； ＝
这是卫星绕地球做圆周运动时所需的最短 时间，将地球的质量、 时间，将地球的质量、半径代入求得最短周 期为 84.8 min.
特别提醒： 在处理卫星的 在处理卫星的v、 、 与半 特别提醒 ：(1)在处理卫星的 、ω、T与半 的关系问题时， 径 r的关系问题时 ， 常用公式 “gR2 ＝ GM” 的关系问题时 常用公式“ ” 来替换出地球的质量M， 来替换出地球的质量 ，会使问题解决起来 更方便． 更方便． (2)由于卫星在轨道上运动时，它受到的万有 由于卫星在轨道上运动时， 由于卫星在轨道上运动时 引力全部提供了向心力， 引力全部提供了向心力，产生了向心加速度 ，因此卫星及卫星上任何物体都处于完全失 重状态． 重状态．
二、人造地球卫星 1．人造卫星的轨道 ． 图6－5－1 － －
卫星绕地球做匀速圆周运动时由地球对它的万 有引力充当向心力， 有引力充当向心力，地球对卫星的万有引力指 向地心． 向地心．而做匀速圆周运动的物体的向心力则 时刻指向它做圆周运动的圆心． 时刻指向它做圆周运动的圆心．因此卫星绕地 球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合， 球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这 样的轨道有多种， 样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共 面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道． 面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道． 当然也应存在着与赤道平面成某一角度的圆轨 只要圆心在地心， 道，只要圆心在地心，就可能是卫星绕地球运 行的圆轨道．如图6－ － 行的圆轨道．如图 －5－1.
2．第二宇宙速度 ． (1)大小：____ km/s 大小： 11.2 大小 (2)意义：使卫星挣脱____引力束缚的最小地 意义：使卫星挣脱 地球引力束缚的最小地 意义 面发射速度． 面发射速度． 3．第三宇宙速度 ． (1)大小：____ km/s 大小： 16.7 大小 (2)意义：使卫星挣脱____引力束缚的最小地 意义：使卫星挣脱 太阳引力束缚的最小地 意义 面发射速度． 面发射速度．
即时突破， 即时应用 (即时突破，小试牛刀 即时突破 小试牛刀) 2.如图 －5－2所示的圆 、b、c，其圆心均 如图6－ － 所示的圆a、 、 ， 如图 所示的圆 在地球自转轴线上， 、 的圆心与地心重合 在地球自转轴线上，b、c的圆心与地心重合 的平面与地球自转轴垂直． ，圆b的平面与地球自转轴垂直．对环绕地 的平面与地球自转轴垂直 球做匀速圆周运动的卫星而言( ) 球做匀速圆周运动的卫星而言 图6－5－2 － －
＝7.9 km/s，这是第一宇宙速度，也是卫星 ，这是第一宇宙速度， 绕地球做圆周运动的最大环绕速度． 绕地球做圆周运动的最大环绕速度．
(2)人造卫星的运行周期 人造卫星的运行周期 4π2 Mm 由 G 2 ＝mr 2 ， T＝2π 得 ＝ T r
r3 说明轨道 说明轨 GM.说明轨道 R3 GM，
第一宇宙速度的另一种推导： 第一宇宙速度的另一种推导： 在地面附近，万有引力近似等于重力， 在地面附近，万有引力近似等于重力， 此力提供卫星做匀速圆周运动的向心 力．(地球半径 R、地面重力加速度 g 已 地球半径 、 知) v2 由 mg＝m R 得 ＝ v ＝ gR ＝ 9.8×6400×103 m/s ＝ 7.9 × × km/s.
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
即时突破， 即时应用 (即时突破，小试牛刀 即时突破 小试牛刀) 3．(2011年高考广东卷 已知地球质量为 ， ． 年高考广东卷)已知地球质量为 年高考广东卷 已知地球质量为M， 半径为R，自转周期为T， 半径为 ，自转周期为 ，地球同步卫星质 量为m，引力常量为G.有关同步卫星 有关同步卫星， 量为 ，引力常量为 有关同步卫星，下列 表述正确的是( ) 表述正确的是
二、同步卫星 同步卫星就是相对于地球____的卫星， 同步卫星就是相对于地球 静止的卫星，它只能 的卫星 处于____上空 它的运动周期是_____. 上空， 处于 赤道上空，它的运动周期是 24 h 三、经典力学的局限性 宏观、 宏观、低速运动 1．牛顿力学即经典力学只适用于______________ 1．牛顿力学即经典力学只适用于______________ 微观、 的物体，不适用于______________的物体 的物体． 的物体，不适用于 微观、高速运动的物体． 2．微观粒子的运动规律遵守普朗克的____理论； ．微观粒子的运动规律遵守普朗克的 量子理论 理论； 高速运动的物体遵守爱因斯坦的__________； 高速运动的物体遵守爱因斯坦的 狭义相对论；强 相互作用和弱相互作用都遵守爱因斯坦的 广义相对论 ． __________．