高中物理 第6章 萬(wàn)有引力與航天 第5節(jié) 宇宙航行 第6節(jié) 經(jīng)典力學(xué)的局限性課件 新人教版必修2.ppt

第5節(jié)宇宙航行第6節(jié)經(jīng)典力學(xué)的局限性 一 宇宙速度閱讀教材第44頁(yè) 宇宙速度 部分 知道人造地球衛(wèi)星的概念 初步了解人造地球衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)原理 1 牛頓的設(shè)想 如圖1所示 把物體水平拋出 如果速度 物體就不再落回地面 它將繞地球運(yùn)動(dòng) 成為 足夠大 人造地球衛(wèi)星 圖1 2 近地衛(wèi)星的速度 7 9 3 宇宙速度 7 9 勻速 圓周 11 2 地球 16 7 太陽(yáng) 最小 思維拓展1 在地球的周圍 有許多的衛(wèi)星在不同的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動(dòng) 請(qǐng)思考 圖2 1 這些衛(wèi)星的軌道平面有什么特點(diǎn) 2 這些衛(wèi)星的線速度 角速度 周期跟什么因素有關(guān)呢 2 不同天體的第一宇宙速度是否相同 第一宇宙速度的決定因素是什么 3 把衛(wèi)星發(fā)射到更高的軌道上需要的發(fā)射速度越大還是越小 答案1 1 軌道平面過(guò)地心 2 與軌道半徑有關(guān) 3 越大 向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難 因?yàn)榘l(fā)射衛(wèi)星要克服地球?qū)λ囊?二 夢(mèng)想成真閱讀教材第44 45頁(yè) 夢(mèng)想成真 部分 了解人類邁向太空的重大歷史事件 1 1957年10月4日 成功發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星 2 1961年4月12日 蘇聯(lián)空軍少校 進(jìn)入東方一號(hào)載人飛船 鑄就了人類進(jìn)入太空的豐碑 3 1969年7月 美國(guó)阿波羅11號(hào)飛船登上 4 2003年10月15日 我國(guó)神舟五號(hào)宇宙飛船發(fā)射成功 把中國(guó)第一位航天員 送入太空 蘇聯(lián) 加加林 月球 楊利偉 思維拓展宇航員在太空中離開(kāi)飛船后而不落回地面 是否是由于宇航員不再受到地球的引力作用 答案不是 宇航員在太空中離開(kāi)飛船后 依然繞地球運(yùn)動(dòng) 受到地球的引力提供向心力 三 經(jīng)典力學(xué)的局限性閱讀教材第48 52頁(yè)內(nèi)容 知道經(jīng)典力學(xué)的適用范圍 初步了解微觀 高速領(lǐng)域的理論 1 從低速到高速 相對(duì)論 增大 無(wú)關(guān) 不同的 2 從宏觀到微觀 1 微觀世界 電子 質(zhì)子 中子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)說(shuō)明 而 能夠正確地描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 2 經(jīng)典力學(xué)的適用范圍 只適用于 運(yùn)動(dòng) 不適用于 運(yùn)動(dòng) 只適用于 世界 不適用于 世界 量子力學(xué) 低速 高速 宏觀 微觀 3 從弱引力到強(qiáng)引力 1 1915年 愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論 這是一種新的時(shí)空與引力的理論 在強(qiáng)引力的情況下 牛頓的引力理論 2 當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c 3 108m s 時(shí) 相對(duì)論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論 當(dāng)另一個(gè)重要常數(shù)即 普朗克常量 6 63 10 34j s 可以忽略不計(jì)時(shí) 量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論 不再適用 沒(méi)有區(qū)別 沒(méi)有區(qū)別 思考判斷 1 洲際導(dǎo)彈的速度有時(shí)可達(dá)到6000m s 這一速度屬于相對(duì)論中的高速 2 質(zhì)量是物體的固有屬性 任何時(shí)候都不會(huì)變 3 對(duì)于高速物體 它的質(zhì)量隨著速度的增加而變大 4 經(jīng)典力學(xué)不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體 但適用于微觀世界 5 對(duì)于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題 相對(duì)論 量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)是一致的 要點(diǎn)歸納 宇宙速度及其理解 1 認(rèn)識(shí)第一宇宙速度 第一宇宙速度是人造衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)必須具備的速度 即近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度 2 推導(dǎo) 對(duì)于近地人造衛(wèi)星 軌道半徑r近似等于地球半徑r 6400km 衛(wèi)星在軌道處所受的萬(wàn)有引力近似等于衛(wèi)星在地面上所受的重力 取g 9 8m s2 則 3 決定因素 由第一宇宙速度的計(jì)算式v 可以看出 第一宇宙速度的值由中心天體決定 第一宇宙速度的大小取決于中心天體的質(zhì)量m和半徑r 與衛(wèi)星無(wú)關(guān) 4 對(duì)發(fā)射速度和環(huán)繞速度的理解 1 最小發(fā)射速度 向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難 因?yàn)榘l(fā)射衛(wèi)星要克服地球?qū)λ囊?近地軌道是人造衛(wèi)星的最低運(yùn)行軌道 而近地軌道的發(fā)射速度就是第一宇宙速度 所以第一宇宙速度是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度 精典示例 例1 已知地球的質(zhì)量約為火星質(zhì)量的10倍 地球的半徑約為火星半徑的2倍 則航天器在火星表面附近繞火星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速率約為 a 3 5km sb 5 0km sc 17 7km sd 35 2km s 答案a 針對(duì)訓(xùn)練1 已知某天體的第一宇宙速度為8km s 則高度為該天體半徑的3倍軌道上宇宙飛船的運(yùn)行速度為 答案b 要點(diǎn)歸納 人造地球衛(wèi)星 1 人造衛(wèi)星的軌道 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí) 由地球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供向心力 因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心必與地心重合 而這樣的軌道有多種 其中比較特殊的有與赤道共面的赤道軌道和通過(guò)兩極點(diǎn)上空的極地軌道 當(dāng)然也存在著與赤道平面呈某一角度的圓軌道 人造地球衛(wèi)星的三種軌道 圖3 2 衛(wèi)星的線速度 角速度 周期 向心加速度與軌道半徑的關(guān)系 3 地球同步衛(wèi)星 1 概念 相對(duì)于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星 叫做地球同步衛(wèi)星 2 特點(diǎn) 確定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向 和地球自轉(zhuǎn)方向一致 確定的周期 和地球自轉(zhuǎn)周期相同 即t 24h 確定的角速度 等于地球自轉(zhuǎn)的角速度 確定的軌道平面 所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方 其軌道平面必須與赤道平面重合 確定的高度 離地面高度固定不變 3 6 104km 確定的環(huán)繞速率 線速度大小一定 3 1 103m s 精典示例 例2 多選 三顆人造地球衛(wèi)星a b c繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 如圖4所示 已知ma mb mc 則對(duì)于三顆衛(wèi)星 正確的是 圖4 a 運(yùn)行線速度關(guān)系為va vb vcb 運(yùn)行周期關(guān)系為ta tb tcc 向心力大小關(guān)系為fa fb fc 答案abd 針對(duì)訓(xùn)練2 a b c d是在地球大氣層外的圓形軌道上運(yùn)行的四顆人造衛(wèi)星 其中a c的軌道相交于p b d在同一個(gè)圓軌道上 b c軌道在同一平面上 某時(shí)刻四顆衛(wèi)星的運(yùn)行方向及位置如圖5所示 下列說(shuō)法中正確的是 圖5 a a c的加速度大小相等 且大于b的加速度b b c的角速度大小相等 且小于a的角速度c a c的線速度大小相等 且小于d的線速度d a c存在p點(diǎn)相撞的危險(xiǎn) 答案a 要點(diǎn)歸納 經(jīng)典力學(xué)的局限性 1 低速與高速的概念 1 低速 通常所見(jiàn)物體的運(yùn)動(dòng) 如行駛的汽車 發(fā)射的導(dǎo)彈 人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體的運(yùn)動(dòng)皆為低速運(yùn)動(dòng) 2 高速 有些微觀粒子在一定條件下速度可以接近光速 這樣的速度稱為高速 2 速度對(duì)質(zhì)量的影響 1 在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量不隨速度而改變 根據(jù)牛頓第二定律f ma知 物體在力f作用下做勻變速運(yùn)動(dòng) 只要時(shí)間足夠長(zhǎng) 物體的運(yùn)動(dòng)速度就可以增加到光速c 3 速度對(duì)物理規(guī)律的影響 對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題 一般用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律來(lái)處理 對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題 經(jīng)典力學(xué)已不再適用 需要用相對(duì)論知識(shí)來(lái)處理 精典示例 例3 如果真空中的光速為c 3 108m s 當(dāng)一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度為v1 2 4 108m s時(shí) 質(zhì)量為3kg 當(dāng)它的速度為v2 1 8 108m s時(shí) 質(zhì)量為多少 思路探究 1 在高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題中 物體的質(zhì)量還是恒定不變的嗎 2 相對(duì)論中 物體的質(zhì)量與速度的關(guān)系式 m 答案2 25kg 針對(duì)訓(xùn)練3 下列說(shuō)法正確的是 a 在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變 在狹義相對(duì)論中 物體的質(zhì)量也不隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變b 在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)速度的增加而減小 在狹義相對(duì)論中 物體的質(zhì)量隨物體速度的增大而增大c 在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量是不變的 在狹義相對(duì)論中 物體的質(zhì)量隨物體速度的增大而增大d 上述說(shuō)法都是錯(cuò)誤的 解析在經(jīng)典力學(xué)中 物體的質(zhì)量是不變的 根據(jù)狹義相對(duì)論可知 物體的質(zhì)量隨物體速度的增大而增大 二者在速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)是統(tǒng)一的 故選項(xiàng)c正確 答案c 1 天體的運(yùn)行規(guī)律 多選 質(zhì)量為m的探月航天器在接近月球表面的軌道上飛行 其運(yùn)動(dòng)視為勻速圓周運(yùn)動(dòng) 已知月球質(zhì)量為m 月球半徑為r 月球表面重力加速度為g 引力常量為g 不考慮月球自轉(zhuǎn)的影響 則航天器的 答案ac 2 一般衛(wèi)星與同步衛(wèi)星 2017 西安高一檢測(cè) 2015年12月 我國(guó)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星 悟空 發(fā)射升空進(jìn)入高為5 0 102km的預(yù)定軌道 悟空 衛(wèi)星和地球同步衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)均可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng) 已知地球半徑r 6 4 103km 下列說(shuō)法正確的是 圖6 a 悟空 衛(wèi)星的線速度比同步衛(wèi)星的線速度小b 悟空 衛(wèi)星的角速度比同步衛(wèi)星的角速度小c 悟空 衛(wèi)星的運(yùn)行周期比同步衛(wèi)星的運(yùn)行周期小d 悟空 衛(wèi)星的向心加速度比同步衛(wèi)星的向心加速度小 答案c 3 地球同步衛(wèi)星 利用三顆位置適當(dāng)?shù)牡厍蛲叫l(wèi)星 可使地球赤道上任意兩點(diǎn)之間保持無(wú)線電通訊 目前 地球同步衛(wèi)星的軌道半徑約為地球半徑的6 6倍 假設(shè)地球的自轉(zhuǎn)周期變小 若仍僅用三顆同步衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的 則地球自轉(zhuǎn)周期的最小值約為 a 1hb 4hc 8hd 16h 答案b 4 經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué) 關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué) 下列說(shuō)法中正確的是 a 不論是對(duì)宏觀物體 還是微觀粒子 經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的b 量子力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng) 經(jīng)典力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)c 經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng) 量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)d 上述說(shuō)法都是錯(cuò)誤的 解析經(jīng)典力學(xué)適用于低速運(yùn)動(dòng) 宏觀物體 不適用于高速運(yùn)動(dòng) 微觀粒子 量子力學(xué)既適用于宏觀物體 也適用于微觀物