【物理】宇宙航行課件 2023-2024學(xué)年高一下學(xué)期物理人教版（2019）必修第二冊(cè)

4宇宙航行第七章萬(wàn)有引力定律與宇宙航行導(dǎo)入新課問(wèn)題：拋出的石頭會(huì)落地，為什么衛(wèi)星、月亮沒(méi)有落下來(lái)？衛(wèi)星的速度很大交流討論一、宇宙速度問(wèn)題1：假想人站在山頂，平拋出一個(gè)物體，速度越大，物體飛的越遠(yuǎn)，若物體速度非常大可能會(huì)有什么情況？當(dāng)物體被拋出的速度足夠大時(shí)，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)而不再落回地面，成為一顆人造地球衛(wèi)星。

一、宇宙速度牛頓設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)；拋出速度足夠大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。一、宇宙速度問(wèn)題2：已知引力常量G和地球的質(zhì)量為M，地球的半徑為R，若要實(shí)現(xiàn)牛頓的設(shè)想，拋出物體的速度至少為多大?提示：一般情況下可認(rèn)為人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其向心力由地球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供一、宇宙速度問(wèn)題4：如果不知道地球的質(zhì)量，但知道地球表面的重力加速度g，如何求衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度有多大？問(wèn)題3：已知地球半徑R=6400km，地球質(zhì)量M=6.0×1024kg，衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度有多大？r=R第一宇宙速度一、宇宙速度問(wèn)題5：發(fā)射更高更遠(yuǎn)的衛(wèi)星所需的發(fā)射速度越大還是越??？為什么？

當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑越大時(shí)，衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)時(shí)的速度越小，但衛(wèi)星發(fā)射時(shí)越難，送入軌道需要消耗的能量越多，發(fā)射的速度必須越大。v大于或等于11.2km/h脫離地球第二宇宙速度第三宇宙速度v大于或等于16.7km/h脫離太陽(yáng)問(wèn)題6：當(dāng)發(fā)射速度繼續(xù)增大到11.2km/h、16.7km/h時(shí)，會(huì)怎樣？梳理深化一、宇宙速度1.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)必須具備的最小發(fā)射速度，也是近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度。2.第一宇宙速度的計(jì)算方法：r

=R方法一：方法二：一、宇宙速度3.第二宇宙速度：當(dāng)發(fā)射速度繼續(xù)增大，地球引力將不足以為其做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力，物體將會(huì)脫離地球引力，離開(kāi)地球。這個(gè)速度為v=11.2km/s，叫做第二宇宙速度。如果發(fā)射速度大于第一宇宙速度，而小于第二宇宙速度，它繞地球運(yùn)行的軌跡就不是圓，而是橢圓。一、宇宙速度4.第三宇宙速度：物體脫離地球引力的束縛后，還會(huì)受到太陽(yáng)引力的束縛。若拋出的速度足夠大，物體還將脫離太陽(yáng)引力的束縛，飛向太陽(yáng)系之外的宇宙空間。這個(gè)速度v=16.7km/s，叫做第三宇宙速度。鞏固提升一、宇宙速度例1已知地球質(zhì)量約為月球質(zhì)量的81倍，地球半徑約為月球半徑的4倍，在地球上發(fā)射近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度為7.9km/s。那么月球的第一宇宙速度？解析:在月球表面附近由萬(wàn)有引力提供向心力，則

解得速度所以

解得

v月=1.75km/s練習(xí)1.(多選)為了探測(cè)火星，向火星發(fā)射軌道探測(cè)器和火星巡視器。已知火星的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的，火星的半徑約為地球半徑的。下列說(shuō)法中正確的是()A.火星探測(cè)器的發(fā)射速度應(yīng)大于第一宇宙速度且小于第二宇宙速度B.火星探測(cè)器的發(fā)射速度應(yīng)大于第二宇宙速度且小于第三宇宙速度C.火星表面與地球表面的重力加速度之比為4∶9D.火星探測(cè)器環(huán)繞火星運(yùn)行的最大速度約為地球的第一宇宙速度的

倍一、宇宙速度BC交流討論二、人造地球衛(wèi)星1.人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)原理是什么？（1）赤道軌道：衛(wèi)星軌道在赤道所在平面上，衛(wèi)星始終處于赤道上方；（2）極地軌道：衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直，衛(wèi)星經(jīng)過(guò)兩極上空；（3）一般軌道：衛(wèi)星軌道和赤道成一定角度，如圖所示。2.人造衛(wèi)星的軌道根據(jù)軌道可以如何劃分？人造衛(wèi)星在繞地球運(yùn)行時(shí)，只受到地球?qū)λ娜f(wàn)有引力作用，人造衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬(wàn)有引力提供。3.人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)行的快慢與什么因素有關(guān)？

結(jié)論：軌道半徑越小，線(xiàn)速度、角速度越大、周期越小二、人造地球衛(wèi)星二、人造地球衛(wèi)星近地衛(wèi)星的線(xiàn)速度最大，角速度最大，周期最小。4.近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度和周期是多大？r=R二、人造地球衛(wèi)星5.地球同步衛(wèi)星需滿(mǎn)足什么條件？得：軌道半徑相等，高度相等，角速度相等。T=24h，等于地球自轉(zhuǎn)的角速度，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。相對(duì)地面靜止的衛(wèi)星，又叫靜止衛(wèi)星。梳理深化1.人造地球衛(wèi)星做勻速圓周的規(guī)律：二、人造地球衛(wèi)星2.同步衛(wèi)星的特點(diǎn)：

二、人造地球衛(wèi)星①確定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向：和地球自轉(zhuǎn)方向一致．②確定的周期：和地球自轉(zhuǎn)周期相同，即T＝24h.③確定的角速度：等于地球自轉(zhuǎn)的角速度．④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．⑤確定的高度：離地面高度固定不變(h=6R=3.6×104km)．⑥確定的環(huán)繞速率：線(xiàn)速度大小一定(3.1×103m/s)．鞏固提升例2、(多選)如圖所示，赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體A、赤道上空的近地衛(wèi)星B、地球同步衛(wèi)星C，它們的運(yùn)動(dòng)都可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，比較三個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)情況，以下判斷正確的是(

)A.三者的周期關(guān)系為T(mén)A＜TB＜TCB.三者向心加速度大小關(guān)系為aA＞aB＞aCC.三者角速度的大小關(guān)系為ωA=ωC＜ωBD.三者線(xiàn)速度的大小關(guān)系為vA＜vC＜vB二、人造地球衛(wèi)星CD練習(xí)2：我國(guó)高分系列衛(wèi)星的高分辨對(duì)地觀(guān)察能力不斷提高?！案叻治逄?hào)”軌道高度約為705km，而“高分四號(hào)”軌道高度約為36000km，它們都繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。與高分四號(hào)相比，下列物理量中“高分五號(hào)”較小的是()

A.周期

B.角速度

C.線(xiàn)速度

D.向心加速度A二、人造地球衛(wèi)星交流討論三、載人航天與太空探索(1)萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)為人類(lèi)開(kāi)辟了上天的理論之路。(2)1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員加加林繞地球飛行一周，并安全返回。(3)1969年7月16日，阿姆斯特朗實(shí)現(xiàn)人類(lèi)登月。(4)2003年10月15日，楊利偉繞地飛行14圈并安全返回。截止2017年底我國(guó)已經(jīng)將11名宇航員送入太空。(5)我國(guó)相繼發(fā)射了天宮一號(hào)、二號(hào)空間站，并完成多次交會(huì)對(duì)接。1.閱讀課本，簡(jiǎn)述人類(lèi)航天的歷史？鞏固提升例3.舉世矚目的“神舟”七號(hào)航天飛船的成功發(fā)射和順利返回，顯示了我國(guó)航天事業(yè)取得的巨大成就.已知地球的質(zhì)量為M，引力常量為G，設(shè)飛船繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為r，則飛船在圓軌道上運(yùn)行的速率為()

A.

B.C.D.解析：A三、載人航天與太空探索練習(xí)3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)，是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖所示是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中部分衛(wèi)星的軌道示意圖，已知a、b、c三顆衛(wèi)星均做圓周運(yùn)動(dòng)，a是地球同步衛(wèi)星，a和b的軌道半徑相同，且均為c的k倍，已知地球自轉(zhuǎn)周期為T(mén)。則()A.衛(wèi)星b也是地球同步衛(wèi)星B