6.3.2万有引力定律的应用 课件-2024-2025学年高一下学期物理沪科版（2020）必修第二册

第六章 万有引力定律 6.1 行星的运动 6.2 万有引力定律 6.3 万有引力定律的应用 物体初速度达到多大时就可以发射成为一颗人造卫星呢? 牛顿曾设想，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，则落点一次比一次远，如果速度足够大， 物体就不再落到地面上来，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。 牛顿的设想 怎样发射人造卫星？ 问题1：要使卫星绕地球做圆周运动至少需要多大的发射速度？ 类似苹果的卫星称为近地卫星也叫地表卫星，轨道半径r = R。 法一： 法二： 黄金替代 宇宙速度 物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度。 也是发射人造卫星的最小速度 “第一宇宙速度” 也叫环绕速度 若不知道地球质量呢？ 宇宙速度 卫星的轨道与发射速度的关系 椭圆 圆 抛物线 双曲线 v = 11.2km/s v > 11.2km/s v = 7.9km/s 11.2km/s > v > 7.9km/s 注意： ①三个宇宙速度都是发射人造卫星的速度，第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，速度越大，轨道半径越大。 ②若速度7.9km/s≤ v <11.2km/s，绕地球运动。 ③若速度11.2km/s≤ v <16.7km/s，绕太阳运动。 ④若速度v ≥ 16.7km/s，离开太阳系。 宇宙速度 11.2km/s 当物体的速度为7.9km/s时，仅仅是能够贴飞行，并不能挣脱地球引力，若想克服地球引力，需要提升发射的初速度。 这个速度被称为 “第二宇宙速度” 也叫脱离速度 挣脱了地球，但是仍然出于太阳的引力范围之内，想要逃逸出太阳系，就要继续提升发射的速度。 这个速度被称为 16.7km/s “第三宇宙速度” 也叫逃逸速度 发射速度v 运动情况 v<7.9km/s 物体落回地面 v=7.9km/s 绕地球，匀速圆周 7.9km/s<v<11.2km/s 绕地球，椭圆运动 11.2km/s≤v<16.7km/s 物体绕太阳运动 16.7km/s≤v 物体飞出太阳系 三大宇宙速度 问题2：研究卫星在不同轨道上运行的快慢 假设地球质量，人造地球卫星的质量，两者间距离为r，轨道半径也为r 。 向心力来源：万有引力 注意：所有物理量与环绕天体质量无关 第一宇宙速度 ——人造卫星的最小发射速度 ——人造卫星的最大运行速度 1、在同一轨道上运行的所有卫星都具有相同大小的线速度、角速度和周期。 2、卫星运行的轨道越高，线速度、角速度越小，周期越大。 思考：发射高轨道卫星是不是更容易？ × 要发射一颗人造地球卫星，最小发射速度必须达到7.9km/s，这也仅仅只是地表卫星，如果要发射更高轨道的卫星，需要的发射速度更大，更困难。但卫星在离开地表过程中需要克服地球引力，卫星达到预定轨道绕地球做匀速圆周运动时候的环绕速度已经比发射速度小得多了，故： 卫星的轨道半径(r)越大，发射速度(v发)越大。 卫星的轨道半径(r)越大，环绕速度(v环)越小。 第一宇宙速度是最小的发射速度，是最大的运行速度。 1970年4月24日，我国成功发射了第一课人造卫星。 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。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，其轨道可分为三类： 1.人造卫星轨道的分类 (1)赤道轨道：卫星的轨道与赤道共面，卫星始终处于赤道正上方。 (3)任意轨道：卫星的轨道与赤道平面成某一角度。 (2)极地轨道：卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上空。 人造卫星 例1 我国于1970年4月发射的第一颗人造地球卫星“东方红一号”可近似看成沿圆轨道做匀速圆周运动，这颗卫星离地球表面的平均高度。已知地球半径，地球质量，求该卫星绕地球运行的速度和周期。 解： 卫星绕地球做匀速圆周运动轨道的平均半径 设卫星质量为m，卫星绕地球运行速度为v，万有引力提供向心力 人造卫星 2.人造地球卫星的运行参量 质量为m的天体绕质量为M的中心天体做半径为r的匀速圆周运动： 当r增大时 an减小 v减小 ω减小 T增大 人造卫星 3.人造地球卫星的分类 （1）近地卫星： 指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。 人造卫星 3.人造地球卫星的分类 （2）同步卫星 特征： ②卫星运行轨道与地球赤道平面共面。 ③卫星的离地高度不变 ①卫星运行周期T为24h，且运行方向与地球自转方向一致。 相对于地球静止不动 人造卫星 3.人造地球卫星的分类 （2）同步卫星 例2：已知地球质量，地球半径大小。求同步卫星离地面高度。 相对于地球静止不动 人造卫星 3.人造地球卫星的分类 （2）同步卫星的“六个一定” ①轨道平面一定：赤道平面 ②周期与角速度一定：T=24h ⑤运转方向一定:自西向东 ③轨道半径一定:r=6.6R ④速度大小一定:v=3.08km/s ⑥向心加速度的大小一定: 人造卫星 （2）同步卫星 用途： 主要用于通信，故也称通信卫星。3颗同步卫星可实现全球覆盖,为了使同步卫星之间不相互干扰，大约3°左右才能放置一颗同步卫星，也就是说，地球上空只能放下120颗同步卫星。截止2012年，已发射100多颗。 人造卫星 h=3.6××107m r=4.2××107m v=3.08km/s T=24h h=3.8××108m r≈3.8××108m v=1km/s T=27.3天 h≈0 r=6.4××106m v=7.9km/s T=84分钟 同步卫星 近地卫星 月球 人造卫星 例3：人造地球卫星的轨道半径越大，则( ) A、速度越小，周期越小 B、速度越小，加速度越小 C、加速度越小,周期越大 D、角速度越小,加速度越大 BC 人造卫星 1.1957年10月4日,世界上第一颗人造地球卫星发射成功。 2.1970年4月24日,我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功。 3.为我国航天事业作出特殊贡献的科学家钱学森被誉为“中国航天之父”。 4.地球同步卫星:周期与地球自转周期相同、相对地面静止的卫星,也称静止卫星。 例5 如图所示，是同一轨道平面内的三颗人造地球卫星，下列说法正确的是(　　) A.线速度vA＜vB＜vC B.根据万有引力定律，可知FA＞FB＞FC C.角速度ωA＞ωB＞ωC D.向心加速度aA＜aB＜aC C 例6 设地球的质量为M，半径为R，自转角速度为ω，万有引力常量为G，同步卫星离地心高度为r，地表重力加速度为g，则关于同步卫星的速度v的表达式正确的是（　　 ） A． B． C． D.． ACD 例7 若取地球的第一宇宙速度为8 km/s，某行星质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为 ( ) A.16 km/s B.32 km/s C.4 km/s D.2 km/s A 曲线运动 万有引力定律 复习 按轨迹划分 直线运动 曲线运动 曲线运动 万有引力定律 复习 按速度划分 匀速运动 变速运动 曲线运动 万有引力定律 复习 按加速度划分 无加速度 加速度不变 加速度变化 曲线运动 万有引力定律 复习 机械运动 曲线运动 直线运动 非匀变速 匀变速 匀变速 匀速 匀速圆周 平抛 与共线 与共线 恒定 恒定 变化 宇宙航行 宇宙速度 第一宇宙速度（环绕速度）: 第二宇宙速度（逃逸速度）: 第三宇宙速度（脱离速度）: v2=11.2km/s v1=7.9km/s v3=16.7km/s 人造地球卫星 载人航天与太空探索 近地卫星 极地卫星 同步卫星 课堂小结 作业： 练习册万有引力定律的应用的剩余题目 $$