1、第第5节宇宙航行节宇宙航行第第6节经典力学的局限性节经典力学的局限性学习目标学习目标核心提炼核心提炼1.了解人造卫星的有关知识。了解人造卫星的有关知识。3个速度个速度第一、二、第一、二、三宇宙速度三宇宙速度几个关系几个关系线速度、线速度、角速度、周期与轨道角速度、周期与轨道半径的关系半径的关系2.知道三个宇宙速度的含义，会推导知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。第一宇宙速度。3.正确理解人造卫星做圆周运动时，正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系。各物理量之间的关系。4.了解经典力学的局限性。了解经典力学的局限性。一、宇宙速度一、宇宙速度阅读教材第阅读教材第44页页“宇宙速度
2、宇宙速度”部分部分，知道人造地球卫知道人造地球卫星的概念星的概念，初步了解人造地球卫星的动力学原理。初步了解人造地球卫星的动力学原理。1.牛顿的设想牛顿的设想：如图：如图1所示，把物体水平抛出，如果速度所示，把物体水平抛出，如果速度_，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为_。足够大足够大人造地球卫星人造地球卫星图图12.近地卫星的速度近地卫星的速度7.93.宇宙速度宇宙速度数值数值意义意义第一宇宙第一宇宙速度速度_km/s卫星在地球表面附近绕地球卫星在地球表面附近绕地球做做_运动运动的速度的速度第二宇宙第二宇宙速度速度_km/s使卫星使卫星挣脱挣脱
3、_引力引力束缚的最束缚的最小地面发射速度小地面发射速度第三宇宙第三宇宙速度速度_km/s使卫星使卫星挣脱挣脱_引力引力束缚束缚的的_地面地面发射速度发射速度7.9匀速匀速圆周圆周11.2地球地球16.7太阳太阳最小最小思维拓展思维拓展1.在地球的周围在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动上绕地球转动，请思考：请思考：图图2(1)这些卫星的轨道平面有什么特点？这些卫星的轨道平面有什么特点？(2)这些卫星的线速度、角速度、周期跟什么这些卫星的线速度、角速度、周期跟什么因素有关呢？因素有关呢？2.不同天体的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的决定不同天体的第一宇宙
4、速度是否相同？第一宇宙速度的决定因素是什么？因素是什么？3.把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？答案答案1.(1)轨道平面过地心轨道平面过地心(2)与轨道半径有关与轨道半径有关3.越大。向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为越大。向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力。发射卫星要克服地球对它的引力。二、梦想成真二、梦想成真阅读教材第阅读教材第4445页页“梦想成真梦想成真”部分部分，了解人类迈向太空了解人类迈向太空的重大历史事件。的重大历史事件。(1)1957年年10月月4日日_成功发射
5、了第一颗人造地球卫星。成功发射了第一颗人造地球卫星。(2)1961年年4月月12日，苏联空军少校日，苏联空军少校_进入东方一号载进入东方一号载人飞船，铸就了人类进入太空的丰碑。人飞船，铸就了人类进入太空的丰碑。(3)1969年年7月，美国阿波罗月，美国阿波罗11号飞船登上号飞船登上_。(4)2003年年10月月15日，我国神舟五号宇宙飞船发射成功，把日，我国神舟五号宇宙飞船发射成功，把中国第一位航天员中国第一位航天员_送入太空。送入太空。苏联苏联加加林加加林月球月球杨利伟杨利伟思维拓展思维拓展宇航员在太空中离开飞船后而不落回地面宇航员在太空中离开飞船后而不落回地面，是否是由，是否是由于宇航员不
6、再受到地球的引力作用？于宇航员不再受到地球的引力作用？答案答案不是。宇航员在太空中离开飞船后，依然绕地不是。宇航员在太空中离开飞船后，依然绕地球运动，受到地球的引力提供向心力。球运动，受到地球的引力提供向心力。三、经典力学的局限性三、经典力学的局限性阅读教材第阅读教材第4852页内容页内容，知道经典力学的适用范围知道经典力学的适用范围，初步初步了解微观、高速领域的理论。了解微观、高速领域的理论。1.从低速到高速从低速到高速速度远小于光速速度远小于光速接近光速运动接近光速运动物理理论物理理论经典力学经典力学_质量与速质量与速度的关系度的关系物体的质量是不随运动状物体的质量是不随运动状态改变的态改
7、变的物体的质量随着物体运动速度的物体的质量随着物体运动速度的增大增大而而_，m _ _位移、时间位移、时间与参考系的与参考系的关系关系位移的测量、时间的测量位移的测量、时间的测量都与都与参考系参考系_同一过程的位移和时间的测量在同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中不同参考系中是是_相对论相对论增大增大无关无关不同的不同的2.从宏观到微观从宏观到微观(1)微观世界：电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多微观世界：电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明，而情况下不能用经典力学来说明，而_能够正确地描述能够正确地描述微观粒子的运动规律。微观粒子的运动规律。(2)
8、经典力学的适用范围：只适用于经典力学的适用范围：只适用于_运动，不适用于运动，不适用于_运动；只适用于运动；只适用于_世界，不适用于世界，不适用于_世界。世界。量子力学量子力学低速低速高速高速宏观宏观微观微观3.从弱引力到强引力从弱引力到强引力(1)1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的年，爱因斯坦创立了广义相对论，这是一种新的时空与引力的理论。在强引力的情况下，牛顿的引力理时空与引力的理论。在强引力的情况下，牛顿的引力理论论_。(2)当物体的运动速度远小于光速当物体的运动速度远小于光速c(3108 m/s)时，相对时，相对论物理学与经典物理学的结论论物理学与经典物理学的结论_。当
9、另一个重。当另一个重要常数即要常数即“普朗克常量普朗克常量”(6.631034 Js)可以忽略不计可以忽略不计时，量子力学和经典力学的结论时，量子力学和经典力学的结论_。不再适用不再适用没有区别没有区别没有区别没有区别思考判断思考判断(1)洲际导弹的速度有时可达到洲际导弹的速度有时可达到6 000 m/s，这一速度属于这一速度属于相对论中的高速。相对论中的高速。()(2)质量是物体的固有属性质量是物体的固有属性，任何时候都不会变。任何时候都不会变。()(3)对于高速物体对于高速物体，它的质量随着速度的增加而变大。它的质量随着速度的增加而变大。()(4)经典力学不适用于高速运动的物体经典力学不适
10、用于高速运动的物体，但适用于微观世但适用于微观世界。界。()(5)对于宏观物体的低速运动问题对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与相对论、量子力学与经典力学是一致的。经典力学是一致的。()要点归纳要点归纳宇宙速度及其理解宇宙速度及其理解1.认识第一宇宙速度：认识第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的速度，即近地卫星的环绕速度。做匀速圆周运动必须具备的速度，即近地卫星的环绕速度。2.推导：推导：对于近地人造卫星，轨道半径对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径近似等于地球半径R6 400 km，卫星在轨道处所受的万有
11、引力近似等于卫星在地，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，取面上所受的重力，取g9.8 m/s2，则，则3.决定因素决定因素：由第一宇宙速度的计算式：由第一宇宙速度的计算式v 可以看出，第可以看出，第一宇宙速度的值由中心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于一宇宙速度的值由中心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量中心天体的质量M和半径和半径R，与卫星无关。，与卫星无关。4.对发射速度和环绕速度的理解对发射速度和环绕速度的理解(1)“最小发射速度最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引
12、力。近地轨道是人造困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力。近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。精典示例精典示例例例1 已知地球的质量约为火星质量的已知地球的质量约为火星质量的10倍，地球的半径约倍，地球的半径约为火星半径的为火星半径的2倍，则航天器在火星表面附近绕火星做匀速倍，则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为圆周运动的速率约为()A.3.5 km/s B.5.0 km/sC.17.7 km/s D.
13、35.2 km/s答案答案A针对训练针对训练1 已知某天体的第一宇宙速度为已知某天体的第一宇宙速度为8 km/s，则高度，则高度为该天体半径的为该天体半径的3倍轨道上宇宙飞船的运行速度为倍轨道上宇宙飞船的运行速度为()答案答案B要点归纳要点归纳人造地球卫星人造地球卫星1.人造卫星的轨道人造卫星的轨道：卫星绕地球做匀速圆周：卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力提供向心运动时，由地球对它的万有引力提供向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道其中
14、比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道。当然也存和通过两极点上空的极地轨道。当然也存在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道。在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道。人造地球卫星人造地球卫星的三种轨道的三种轨道图图32.卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系3.地球同步卫星地球同步卫星(1)概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，叫做地球同步卫星。叫做地球同步卫星。(2)特点：特点：确定的转动方向：和地球自转方向一致；确定的转动方向：和地球自转方向一致；确
15、定的周期：和地球自转周期相同，即确定的周期：和地球自转周期相同，即T24 h；确定的角速度：等于地球自转的角速度；确定的角速度：等于地球自转的角速度；确定的轨道平面：所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨确定的轨道平面：所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合；道平面必须与赤道平面重合；确定的高度：离地面高度固定不变确定的高度：离地面高度固定不变(3.6104 km)；确定的环绕速率：线速度大小一定确定的环绕速率：线速度大小一定(3.1103 m/s)。精典示例精典示例例例2(多选多选)三颗人造地球卫星三颗人造地球卫星A、B、C绕地球绕地球做匀速圆周运动，如图做匀速圆周运动，
16、如图4所示，已知所示，已知mAmBmC，则对于三颗卫星，正确的是，则对于三颗卫星，正确的是()图图4A.运行线速度关系为运行线速度关系为vAvBvCB.运行周期关系为运行周期关系为TATBTCC.向心力大小关系为向心力大小关系为FAFBFC答案答案ABD针对训练针对训练2 a、b、c、d是在地球大气层外的是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星。其中圆形轨道上运行的四颗人造卫星。其中a、c的轨道相交于的轨道相交于P，b、d在同一个圆轨道上，在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上。某时刻四颗卫星的运轨道在同一平面上。某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图行方向及位置如图5所示，下列说法中正确
17、所示，下列说法中正确的是的是()图图5A.a、c的加速度大小相等，且大于的加速度大小相等，且大于b的加速度的加速度B.b、c的角速度大小相等，且小于的角速度大小相等，且小于a的角速度的角速度C.a、c的线速度大小相等，且小于的线速度大小相等，且小于d的线速度的线速度D.a、c存在存在P点相撞的危险点相撞的危险答案答案A要点归纳要点归纳经典力学的局限性经典力学的局限性1.低速与高速的概念低速与高速的概念(1)低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为低速运动。弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体的运动皆为
18、低速运动。(2)高速：有些微观粒子在一定条件下速度可以接近光速，高速：有些微观粒子在一定条件下速度可以接近光速，这样的速度称为高速。这样的速度称为高速。2.速度对质量的影响速度对质量的影响(1)在经典力学中，物体的质量不随速度而改变。根据牛顿第在经典力学中，物体的质量不随速度而改变。根据牛顿第二定律二定律Fma知，物体在力知，物体在力F作用下做匀变速运动，只要时间作用下做匀变速运动，只要时间足够长，物体的运动速度就可以增加到光速足够长，物体的运动速度就可以增加到光速c。3.速度对物理规律的影响速度对物理规律的影响：对于低速运动问题，一般用经典力：对于低速运动问题，一般用经典力学规律来处理。对于
19、高速运动问题，经典力学已不再适用，学规律来处理。对于高速运动问题，经典力学已不再适用，需要用相对论知识来处理。需要用相对论知识来处理。精典示例精典示例例例3 如果真空中的光速为如果真空中的光速为c3108 m/s，当一个物体的运动，当一个物体的运动速度为速度为v12.4108 m/s时，质量为时，质量为3 kg，当它的速度为，当它的速度为v21.8108 m/s时，质量为多少？时，质量为多少？思路探究思路探究(1)在高速运动问题中在高速运动问题中，物体的质量还是恒定不变的吗？物体的质量还是恒定不变的吗？(2)相对论中相对论中，物体的质量与速度的关系式：物体的质量与速度的关系式：m_。答案答案2
20、.25 kg针对训练针对训练3 下列说法正确的是下列说法正确的是()A.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变B.在经典力学中，物体的质量随运动速度的增加而减小，在在经典力学中，物体的质量随运动速度的增加而减小，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大C.在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大物体的质量随物体
21、速度的增大而增大D.上述说法都是错误的上述说法都是错误的解析解析在经典力学中在经典力学中，物体的质量是不变的物体的质量是不变的，根据狭义相对根据狭义相对论可知论可知，物体的质量随物体速度的增大而增大物体的质量随物体速度的增大而增大，二者在速度，二者在速度远小于光速时是统一的，故选项远小于光速时是统一的，故选项C正确。正确。答案答案 C1.(天体的运行规律天体的运行规律)(多选多选)质量为质量为m的探月航天器在接近的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行，其运动视为匀速圆周运动。月球表面的轨道上飞行，其运动视为匀速圆周运动。已知月球质量为已知月球质量为M，月球半径为，月球半径为R，月球表面重力加，
22、月球表面重力加速度为速度为g，引力常量为，引力常量为G，不考虑月球自转的影响，不考虑月球自转的影响，则航天器的则航天器的()答案答案AC2.(一般卫星与同步卫星一般卫星与同步卫星)(2017西安高一检西安高一检测测)2015年年12月，我国暗物质粒子探测卫星月，我国暗物质粒子探测卫星“悟空悟空”发射升空进入高为发射升空进入高为5.0102 km的预的预定轨道。定轨道。“悟空悟空”卫星和地球同步卫星的运卫星和地球同步卫星的运动均可视为匀速圆周运动。已知地球半径动均可视为匀速圆周运动。已知地球半径R6.4103 km。下列说法正确的是。下列说法正确的是()图图6A.“悟空悟空”卫星的线速度比同步卫
23、星的线速度小卫星的线速度比同步卫星的线速度小B.“悟空悟空”卫星的角速度比同步卫星的角速度小卫星的角速度比同步卫星的角速度小C.“悟空悟空”卫星的运行周期比同步卫星的运行周期小卫星的运行周期比同步卫星的运行周期小D.“悟空悟空”卫星的向心加速度比同步卫星的向心加速度小卫星的向心加速度比同步卫星的向心加速度小答案答案C3.(地球同步卫星地球同步卫星)利用三颗位置适当的地球同步卫星，可利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯。目前，地使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯。目前，地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍。假设地球
24、倍。假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为的，则地球自转周期的最小值约为()A.1 h B.4 hC.8 h D.16 h答案答案B4.(经典力学与量子力学经典力学与量子力学)关于经典力学和量子力学，下列说法中关于经典力学和量子力学，下列说法中正确的是正确的是()A.不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的是适用的B.量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动的
25、运动C.经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动的运动D.上述说法都是错误的上述说法都是错误的解析解析经典力学适用于低速运动、宏观物体经典力学适用于低速运动、宏观物体，不适用于高不适用于高速运动、微观粒子。量子力学既适用于宏观物体；也适用速运动、微观粒子。量子力学既适用于宏观物体；也适用于微观物体于微观物体，故选项故选项C正确。正确。答案答案C5.(人造卫星的运行及有关计算人造卫星的运行及有关计算)一颗人造卫星在离地面高一颗人造卫星在离地面高度等于地球半径的圆形轨道上运行，已知地球的第一宇度等于地球半径的圆形轨道上运行，已知地球的第一宇宙速度为宙速度为v17.9 km/s，g取取9.8 m/s2。(1)这颗卫星运行的线速度为多大？这颗卫星运行的线速度为多大？(2)它绕地球运动的向心加速度为多大？它绕地球运动的向心加速度为多大？(3)质量为质量为1 kg的仪器放在卫星内的平台上，仪器的重力的仪器放在卫星内的平台上，仪器的重力为多大？它对平台的压力为多大？为多大？它对平台的压力为多大？答案答案(1)5.6 km/s(2)2.45 m/s2(3)2.45 N0
