2010-2011学年高中物理 第六章 万有引力与航天 第5节 第6节同步学案 新人教版必修2.docVIP

第5节　宇宙航行 第6节　经典力学的局限性 人造地球卫星 1．运行规律 (1)人造卫星的运行速率：由G＝得v＝ ，即为人造卫星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小；当r＝R时，卫星绕地面运行，v＝ ＝＝7.9 km/s，这是卫星绕地球做圆周运动的最大环绕速度．又GM＝gR2，所以v＝ .要注意卫星绕地球运行的线速度与将卫星送入预定轨道运行时所必须具有的发射速度不是一回事．由于发射过程中要克服重力和空气阻力做功，卫星的动能会越来越小，所以卫星要借助多级火箭来获得必要的速度．发射速度越大，卫星离地面越高，实际绕地球运行的线速度反而越小． (2)人造卫星的运行周期：由G＝mr，得T＝2π .说明轨道半径越大，卫星做圆周运动的周期就越大；当r＝R时，T＝2π ，这是卫星绕地球做圆周运动时所需的最短时间．又GM＝gR2，所以T＝2π . (3)人造卫星的运行角速度：由ω＝，得ω＝；当r＝R，ω＝ ，这是卫星绕地球做圆周运动时的最大角速度．因此，卫星运行的线速度、周期、角速度与轨道半径的关系是v＝ ＝ ，T＝2π ＝2π ，ω＝ ＝ . 2．卫星的轨道和种类 (1)卫星的轨道 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，地心是椭圆的一个焦点，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律． 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了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一角度． (2)卫星的种类 卫星的种类主要是按卫星有什么样的功能来进行命名的．主要有侦察卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星、地球资源勘测卫星、科学研究卫星、预警卫星和测地卫星等种类． 三个宇宙速度 宇宙速度是在地球上满足不同要求的发射速度，不能理解成卫星的运行速度． 1．第一宇宙速度(环绕速度)：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必须具有的速度，是人造地球卫星的最小发射速度，v＝7.9 km/s. 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G＝m，v＝ . 应用近地条件r≈R(R为地球半径)，取R＝6 400 km，M＝6×1024 kg，则v＝ ＝7.9 km/s. 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，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已知) 由mg＝m得 v＝＝ m/s＝7.9 km/s. 2．第二宇宙速度(脱离速度)：在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳运动的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度，其大小为v＝11.2 km/s. 3．第三宇宙速度(逃逸速度)：在地面上发射物体，使之最后能脱离太阳的引力范围，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度，其大小为v＝16.7 km/s. 说明　(1)第一宇宙速度是最大运行速度，也是最小发射速度． (2)三个宇宙速度分别为在三种不同情况下在地面附近的最小发射速度． 近地卫星、同步卫星和赤道上随地球自转的物体三种匀速圆周运动的异同 1．轨道半径：近地卫星与赤道上物体的轨道半径相同，同步卫星的轨道半径较大．r同＞r近＝r物． 2．运行周期：同步卫星与赤道上物体的运行周期相同．由T＝2π 可知，近地卫星的周期要小于同步卫星的周期．T近＜T同＝T物． 3．向心加速度：由G＝ma知，同步卫星的加速度小于近地卫星加速度． 由a＝rω2＝r()2知，同步卫星加速度大于赤道上物体的加速度，a近＞a同＞a物． 4．动力学规律：近地卫星和同步卫星都只受万有引力作用，由万有引力充当向心力．满足万有引力充当向心力所决定的天体运行规律．赤道上的物体由万有引力和地面支持力的合力充当向心力(或说成万有引力的分力充当向心力)，它的运动规律不同于卫星的运动规律． 经典力学的局限性 1．宏观物体与微观粒子行为的差异 宏观物体具有粒子性．微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，又称波粒二象性． 2．经典力学理论的适用范围 弱相互作用下，低速运动的宏观物体． 3．速度对质量的影响 在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大，即m＝，其中m0为物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速．在高速运动时，质量的测量是与运动状态密切相关的． 4．速度合成与两个公设 在经典力学中，时间和空间互不相干，它们的存在和测量均与运动无关，故有v船岸＝v船水＋v水岸．但在两个不同参考系中，速度总与位移及时间间隔