2019-2020年高一物理 6.5《宇宙航行》學(xué)案.doc

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2019-2020年高一物理 6.5《宇宙航行》學(xué)案 (一)知識回顧 1、計算天體質(zhì)量的方法： 2、解決天體問題的基本思路是什么? （認(rèn)真閱讀教材，回答下列問題） (二)新課教學(xué) 一、牛頓的設(shè)想 引導(dǎo)1：牛頓對人造衛(wèi)星原理是怎樣描繪的？ 引導(dǎo)2：人造衛(wèi)星繞地球運行的動力學(xué)原因是什么？ 人造衛(wèi)星在繞地球運行時，只受到地球?qū)λ娜f有引力作用，人造衛(wèi)星作圓周運動的向心力 由 提供。 引導(dǎo)3：人造衛(wèi)星的運行速度。 設(shè)地球質(zhì)量為M，衛(wèi)星質(zhì)量為m，軌道半徑為r，由于萬有引力提供向心力，則人造衛(wèi)星的運行速度表達(dá)式： 引導(dǎo)4：角速度和周期與軌道半徑的關(guān)系呢？ 二、宇宙速度 1、第一宇宙速度 ⑴推導(dǎo)： 問題：牛頓實驗中，炮彈至少要以多大的速度發(fā)射，才能在地面附近繞地球做勻速圓周運動？已知地球半徑為6370km。[ ⑵意義：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星在地面附近 的速度，所以也稱為環(huán)繞速度。 2、第二宇宙速度[ 大?。? 。 意義：使衛(wèi)星掙脫 的束縛，成為繞 運行的人造行星的最小發(fā)射速度，也稱為逃逸速度。 （3）第三宇宙速度。 大小： 。 意義：使衛(wèi)星掙脫 束縛的最小發(fā)射速度 練一練：實際應(yīng)用中衛(wèi)星在100～200km的高度飛行，與地球半徑6400km相比，完全可以說是在 “地面附近”飛行，可以用地球半徑R代表衛(wèi)星到地心的距離r即軌道半徑，此衛(wèi)星即為“近地 衛(wèi)星“。試用所學(xué)知識求解“近地衛(wèi)星”的環(huán)繞速度。（結(jié)果與第一宇宙速度進(jìn)行比較） 歸納1：第一宇宙速度的兩種推導(dǎo)。 例1、假設(shè)地球質(zhì)量不變，而地球半徑增大到原來的2倍，那么從地球發(fā)射人造衛(wèi)星的第一宇宙速度為原來的（ ）倍 A B C D2 3、夢想成真(認(rèn)真閱讀教材) 引導(dǎo)：探索宇宙的奧秘，奔向廣闊而遙遠(yuǎn)的太空，是人類自古以來的夢想，那么夢想成真了嗎?請同學(xué)們閱讀教材“夢想成真”部分．了解相關(guān)內(nèi)容： （三）知識應(yīng)用與拓展 應(yīng)該熟記常識： 地球公轉(zhuǎn)周期1年， 自轉(zhuǎn)周期1天=24小時=86400s， 地球表面半徑6.4ｘ103km 表面重力加速度g=9.8 m/s2 月球公轉(zhuǎn)周期約27天. 一、人造衛(wèi)星 1、基本思路： A B C D 2、地球的衛(wèi)星的軌道平面 請大家看下面的幾條衛(wèi)星軌道，試判斷哪幾條是可能的， 哪幾條是不可能的。 結(jié)論：環(huán)繞天體做圓周運動的軌道平面的圓心必須是中心天體的球心。 3、地球衛(wèi)星的線速度、角速度、周期及加速度的大小分別由哪些量決定？ 結(jié)論： 1 2 3 4 例2、如圖所示，，試比較四顆衛(wèi)星的線速度、角速度、周期及加速度的大小關(guān)系。 結(jié)論：有上面公式即可，與衛(wèi)星的質(zhì)量無關(guān)，只與中心天體質(zhì)量M、軌道半徑r有關(guān)。 歸納2：人造衛(wèi)星的運動規(guī)律(拓展到任何星體的衛(wèi)星) (1)由G得v＝，所以R越大，v越?。? (2)由G＝mω2R得ω＝，所以R越大，ω越?。? (3)由G＝mR得T＝，所以R越大，T越大； (4)總結(jié)： ①當(dāng)衛(wèi)星穩(wěn)定運行時，軌道半徑R越大，v越　?。沪卦健　。籘越　?。蝗f有引力越　?。幌蛐募铀俣仍健　? ②同一圓周軌道內(nèi)正常運行的所有衛(wèi)星的速度、角速度、周期、向心加速度的大小均相等. ③這一模型在分析衛(wèi)星的軌道變換、衛(wèi)星回收等問題中很有用. 例3、有兩顆人造衛(wèi)星，都繞地球做勻速圓周運行，已知它們的軌道半徑之比r1∶r2＝4∶1，求這顆衛(wèi)星的： ⑴線速度之比； ⑵角速度之比； ⑶周期之比； ⑷向心加速度之比。 例4、環(huán)繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星的最小周期是多少？ 二、同步衛(wèi)星 同步衛(wèi)星是一種非常重要的人造衛(wèi)星：同步衛(wèi)星又叫做通訊衛(wèi)星。顧名思義，就是用于通訊的衛(wèi) 星。同步衛(wèi)星的特點是與地球具有相同的角速度。那請同學(xué)們考慮考慮，同步衛(wèi)星有哪些特點？ 歸納3： ① 同步衛(wèi)星一定在赤道平面。 ② 同步衛(wèi)星的運行速度是確定的。 ③ 同步衛(wèi)星離地面的高度是確定的。 又因為： 拓展:三顆同步衛(wèi)星基本可以覆蓋全球。 例5、可發(fā)射一顆人造衛(wèi)星，使其圓軌道滿足下列條件（ ） A、與地球表面上某一緯度線（非赤道）是共面的同心圓 B、與地球表面上某一經(jīng)度線是共面的同心圓 C、與地球表面上的赤道線是共面同心圓,且衛(wèi)星相對地面是運動的 D、與地球表面上的赤道線是共面同心圓,且衛(wèi)星相對地面是靜止的 例6、我國自行研制的“風(fēng)云一號”、“風(fēng)云二號”氣象衛(wèi)星運行的軌道是不同的?！耙惶枴笔菢O地 圓形軌道衛(wèi)星。其軌道平面與赤道平面垂直，周期是12h；“二號”是地球同步衛(wèi)星。兩顆衛(wèi)星相 比 號離地面較高；某時刻 號觀察范圍較大； 號運行速度較大。若某天上午8點“風(fēng)云一號”正好通過某城市的上空，那么下一次它通過該城市上空的時刻將是 。 三、黑洞問題(認(rèn)真閱讀教材) 從理論上說,黑洞是星體演化的“最后”階段.這時星體由于本身的質(zhì)量相互吸引而塌縮成體積“無限 小”而密度“無限大”的奇態(tài),在這種狀態(tài)下星體只表現(xiàn)為非常強的引力場.任何物質(zhì)一旦進(jìn)人黑 洞,就不可能再逃出去,就連光子也沒有逃出的希望.因而,外面就看不見這個奇特的星體,故稱黑洞. 由于黑洞的特殊性，所以在分析此類問題的時候，一定要抓住其“黑”的原因，即光子也逃不出它的引力約束，光子繞黑洞做圓周運動時，它的軌道半徑就是黑洞的最大可能半徑。(逃逸速度大于真空中光速的天體叫做黑洞) 例7、“黑洞”是愛因斯坦的廣義相對論中預(yù)言的一種特殊天體，它的密度極大，對周圍的物質(zhì)（包括光子）有極強的吸引力，根據(jù)愛因斯坦理論，光子是有質(zhì)量的，光子到達(dá)黑洞表面時也將被吸入，恰能繞黑洞表面做圓周運動，根據(jù)天文觀測，銀河系中心可能有一個黑洞，距該可能黑洞6.01012m遠(yuǎn)的星體正以2.0106m/s的速度繞它旋轉(zhuǎn)，據(jù)此估算該可能黑洞的最大可能半徑R是多少（保留一位有效數(shù)字） ] 四．天體的瓦解問題 自轉(zhuǎn)速度過快,所需的向心力大于其中心的引力,中心的引力就不足以束縛天體的物質(zhì),于是天體就瓦解 例8、中子星是恒星演化過程中的一種可能結(jié)果，它的密度很大。現(xiàn)有一中子星，觀測到它的自轉(zhuǎn)周期為。問該中子星的最小密度是多少才能維持該星體的穩(wěn)定，不致因自轉(zhuǎn)而瓦解？（計算時星體可視為均勻球體。引力常量）