第五节 宇宙航行 第六节 经典力学的局限性知识精讲 人教实验版

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1、第五节宇宙航行第六节经典力学的局限性知识精讲一.本周教学内容：第五节宇宙航行第六节经典力学的局限性二.知识要点：1.了解人造卫星的有关知识。知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。2.知道牛顿运动定律的适用范围。了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用。3.知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑质量随速度变化。三.重难点解析：1.人造地球卫星卫星运动：人造地球卫星的运动可看作是匀速圆周运动，其向心力为地球对它的万有引力，其动力学方程为=ma向=m=mrω2=mωv=mr。要学会熟练变换.解决具体问题要认真分析各物理量间的

2、对应关系，分清不变量和变量，讨论变量间的关系。2.三种宇宙速度（1）人造卫星的环绕速度，即第一宇宙速度。对于近地人造卫星，轨道半径近似等于地球半径R，卫星在轨道处所受的万有引力F近似等于卫星在地面上所受的重力mg，这样有重力mg提供向心力，即mg=mv2／R，得v=，把g=9.8m／s2，R=6400km代入，得v=7.9km／s。要注意v=仅适用于近地卫星。可见，7.9km/s的速度是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动具有的速度，我们称为第一宇宙速度，是人造卫星发射的最小速度。当11.2km/s>v>7.9km／s时，卫星绕

3、地球旋转，其轨道是椭圆，地球位于一个焦点上。同时值得注意的是，第一宇宙速度是环绕的最大速度。（2）第二宇宙速度（脱离速度）。v=16.7km/s是使物体挣脱地球引力束缚，成为绕着太阳运行的人造行星，或者飞到其它行星上去的最小发射速度。当16.7km／s>v≥11.2km／s时，卫星脱离地球束缚，成为太阳系的一颗“小行星”。（3）第三宇宙速度（逃逸速度）。v=16.7km/s是使物体挣脱太阳引力束缚，飞到其太阳系以外的宇宙空间去的最小发射速度。当v≥16.7km／s时，卫星脱离太阳的引力束缚，跑到太阳系以外的宇宙空间中去。（4）人造地球

4、卫星的发射速度对于人造地球卫星，由=m，得v=，这一速度是人造地球卫星在轨道上的运行速度，其大小随轨道半径的增大而减小。但是，由于在人造地球卫星发射过程中火箭要克服地球引力做功。所以将卫星发射到距离地球越远的轨道，在地面所需的发射速度越大。3.人造卫星的运行速度、角速度、周期与半径的关系，根据万有引力提供向心力。则有（1）由=m，得v=即人造卫星的运行速度与轨道半径的平方根成反比，所以半径越大（即卫星离地面越高），线速度越小。（2）由=mrω2，得ω=即ω∝，故半径越大（即卫星离地面越高），角速度越小。（3）由==mr，得T=即T∝，

5、所以半径越大（即卫星离地面越高），周期越长。发射人造地球卫星的最小周期约为85分钟。4.人造卫星的发射速度和运行速度（环绕速度）（1）发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度，并且一旦发射后就再也没有补充能量，被发射物仅依靠自身的初动能克服地球引力做功上升一定高度。进入运动轨道（注意：发射速度不是应用多级运载火箭发射时，被发射物离开地面发射装置的初速度）。要发射一颗人造卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。因此，第一宇宙速度又是最小的发射速度。卫星离地面越高，卫星的发射速度越大。贴近地球表面的卫星（近地卫星）的发射速度最小，就

6、是其运行速度即第一宇宙速度。（2）运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。根据v=可知。卫星越高，半径越大，卫星的运行速度（环绕速度）就越小。5.人造卫星的超重与失重（1）人造卫星在发射升空时，有一段加速运动；在返回地面时，有一段减速运动。这两个过程加速度方向均向上，因而都是超重状态。（2）人造卫星在沿圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力，所以处于完全失重状态。在这种情况下凡是与重力有关的力学现象都会停止发生。因此，在卫星上的仪器，凡是制造原理与重力有关的均不能使用。同理，与重力有关的实验也将无法进行。6.人造卫星的

7、加速度（1）引力加速度a==（2）重力加速度g=（3）向心加速度a向=rω2=r·4π2／T2（4）卫星绕地球运动的向心加速度和物体随地球自转的向心加速度的比较。卫星绕地球运动的向心力完全是由地球对卫星的万有引力提供的，而放在地面上的物体随地球自转所需的向心力是由万有引力的一个分力提供的。两个向心力的数值相差很多，如质量为1kg的物体在赤道上随地球自转所需的向心力只有0.034N，而它所受地球引力约为9.8N。卫星绕地球运动的向心加速度a向=，其中M为地球质量，r为卫星与地心间的距离；物体随地球自转的向心加速度a向=ω2R=R，其中T

8、为地球自转周期，R为地球半径。7.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，又叫通讯卫星。同步卫星有以下几个特点：（1）同步卫星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一致