全國(guó)優(yōu)質(zhì)課一等獎(jiǎng)高中物理必修一《宇宙航行》課件

7.4宇宙航行

地面上拋出的物體,由于受到地球引力的作用,最終都要落回到地面。1.月球也要受到地球引力的作用,為什么月亮不會(huì)落到地面上來(lái)?由于月球在繞地球沿近似圓周的軌道運(yùn)轉(zhuǎn),此時(shí)月球受到的地球引力,用來(lái)充當(dāng)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力,故月球不會(huì)落到地面上來(lái).一、牛頓關(guān)于衛(wèi)星的設(shè)想平拋運(yùn)動(dòng)演示讓物體做平拋運(yùn)動(dòng)初速度逐漸增大一、牛頓關(guān)于衛(wèi)星的設(shè)想牛頓人造衛(wèi)星原理圖從高山上水平拋出物體，速度越大，落地點(diǎn)離山腳越遠(yuǎn)。如果沒(méi)有空氣阻力，當(dāng)速度足夠大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來(lái)，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆永遠(yuǎn)繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星。一、牛頓關(guān)于衛(wèi)星的設(shè)想思考

以多大的速度將物體拋出，它才會(huì)成為繞地球表面運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星?方法一：萬(wàn)有引力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力方法二：地表附近，重力近似等于萬(wàn)有引力二、宇宙速度g=9.8m/s2，R=6400km，代入數(shù)據(jù)得：由此可見(jiàn)：v=7.9km/s，這就是物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具備的最小發(fā)射速度，稱為：第一宇宙速度二、宇宙速度說(shuō)明：（１）如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)；

（２）等于這個(gè)速度，衛(wèi)星剛好能在地球表面附近作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；Pv=7.9km/s11.2>v>7.9v>11.2km/s探究:

若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于7.9km/s

，會(huì)怎樣呢？1、第一宇宙速度：

v1=7.9km/s地球11.2km/s>v>7.9km/s2、第二宇宙速度：

v2=11.2km/sv3=16.7km/s3、第三宇宙速度：→人造行星→人造恒星→人造衛(wèi)星例1.某人在一星球上以速率v豎直上拋一物體，經(jīng)時(shí)間t后,物體以速率v落回手中。已知該星球的半徑為R，求該星球上的第一宇宙速度。解析：星球表面的重力加速度：該星球表面的第一宇宙速度為第一宇宙速度為衛(wèi)星在其表面附近做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度衛(wèi)星的重力提供向心力,則：思考：將各種衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)都近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)，你能推出衛(wèi)星環(huán)繞速度、角速度、周期、向心加速度與軌道半徑的關(guān)系嗎？1243人造衛(wèi)星運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)方程三、人造地球衛(wèi)星運(yùn)行的規(guī)律地球思考：對(duì)于繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越_____.

（2）離地面越高，線速度越_____.（3）離地面越高，周期越_____.（4）離地面越高，角速度越____.小大小小三、人造地球衛(wèi)星運(yùn)行的規(guī)律第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度.例2.探測(cè)器繞月球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，變軌后在周期較小的軌道上仍做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則變軌后與變軌前相比()A.軌道半徑變小B.向心加速度變小C.線速度變小D.角速度變小A例3.如圖所示，a、b、c是地球大氣層外圓形軌道上運(yùn)行的三顆人造地球衛(wèi)星，a、b質(zhì)量相同，且小于c的質(zhì)量，則（）A.b所需向心力最大B.b、c周期相等，且大于a周期C.b、c向心加速度相等，且大于a的向心加速度D.b、c的線速度大小相等，且小于a的線速度BDacb地球各種各樣的衛(wèi)星……赤道軌道其它軌道極地軌道四、人造地球衛(wèi)星所有衛(wèi)星都在以地心為圓心的圓或橢圓軌道上三類人造地球衛(wèi)星軌道：①赤道軌道，衛(wèi)星軌道在赤道平面，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)星通過(guò)兩極上空③一般軌道，衛(wèi)星軌道和赤道成一定角度。人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行軌道

地球同步衛(wèi)星相對(duì)于地面靜止的，和地球具有相同周期的衛(wèi)星，T=24h，因?yàn)榈厍蛲叫l(wèi)星主要用于通信等方面，故地球同步衛(wèi)星又叫通信衛(wèi)星F1F2F3h若同步衛(wèi)星離地面高度h特點(diǎn)：

⑴定周期：T=24h=86400s⑵定點(diǎn)：相對(duì)于地面靜止。⑶定軌道：同步衛(wèi)星軌道必須在赤道上空⑷定高度：h=36000km⑸定速度：由于同步衛(wèi)星高度確定，其軌道半徑即確定，因此線速度、角速度大小均不變⑹定加速度：由于同步衛(wèi)星高度確定，其軌道半徑即確定，因此向心加速度大小也不變四、人造地球衛(wèi)星四、人造地球衛(wèi)星四、人造地球衛(wèi)星h=3.6×107mr=4.2×107mv=3km/sT=24hh=3.8×108mr≈3.8×108mv=1km/sT=27天h≈0r=6.4×106mv=7.9km/sT=84分鐘同步衛(wèi)星近地衛(wèi)星月球近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、月球三者比較思考：人造衛(wèi)星在低軌道上運(yùn)行，要想讓其在高軌道上運(yùn)行，應(yīng)采取什么措施？三、變軌vF引F引＜F向F引＞F向衛(wèi)星變軌原理MmA點(diǎn)速度—內(nèi)小外大（在A點(diǎn)看軌跡）在A點(diǎn)萬(wàn)有引力相同AvF引12R衛(wèi)星在圓軌道運(yùn)行速度V1v2θ＞900減小衛(wèi)星變軌原理v3F引L衛(wèi)星變軌原理使衛(wèi)星進(jìn)入更高軌道做圓周運(yùn)動(dòng)v3v4·1、衛(wèi)星在二軌道相切點(diǎn)萬(wàn)有引力相同速度—內(nèi)小外大（切點(diǎn)看軌跡）2、衛(wèi)星在橢圓軌道運(yùn)行近地點(diǎn)---速度大，動(dòng)能大遠(yuǎn)地點(diǎn)---速度小，動(dòng)能小1、如圖所示，發(fā)射同步衛(wèi)星時(shí)，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后經(jīng)點(diǎn)火使其沿橢圓軌道2運(yùn)行；最后再次點(diǎn)火將其送入同步圓軌道3。軌道1、2相切于P點(diǎn)，2、3相切于Q點(diǎn)。當(dāng)衛(wèi)星分別在1、2、3上正常運(yùn)行時(shí)，以下說(shuō)法正確的是（）A、在軌道3上的速率大

于1上的速率B、在軌道3上的角速度

小于1上的角速度C、在軌道2上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)

的速率等于在軌道3上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的速率D、在軌道1上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)的加速度等于在軌道2上

經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)的加速度QP2·31BD

空間站實(shí)際上就是一個(gè)載有人的人造衛(wèi)星，那么，地球上的人如何登到空間站，空間站上的人又如何返回地面？這些活動(dòng)都需要通過(guò)宇宙飛船來(lái)完成，這就存在一個(gè)宇宙飛船與空間站對(duì)接的問(wèn)題。思考：能否把宇宙飛船先發(fā)射到空間站的同一軌道上，再通過(guò)加速去追上空間站實(shí)現(xiàn)對(duì)接呢？宇宙飛船與空間站對(duì)接問(wèn)題飛船首先在比空間站低的軌道運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行到適當(dāng)位置時(shí)，再加速運(yùn)行到一個(gè)橢圓軌道。通過(guò)控制軌道使飛船跟空間站恰好同時(shí)運(yùn)行到兩軌道的相切點(diǎn)，此時(shí)飛船適當(dāng)減速，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)接，如圖示?？臻g站飛船對(duì)接方法：2、宇宙飛船和軌道空間站在同一軌道上運(yùn)動(dòng)，若飛船想與前面的空間站對(duì)接，飛船為了追上軌道空間站，可采取的方法是：()A．飛船加速直到追上B．飛船從原軌道減速至一個(gè)較低軌道，再加速追上空間站，完成對(duì)接C．飛船加速至一個(gè)較高軌道再減速追上空間站，完成對(duì)接D．無(wú)論飛船采取何種措施，均不能與空間站對(duì)接B二、人造衛(wèi)星的超重和失重1、發(fā)射和回收階段發(fā)射加速上升超重回收減速下降超重2、沿圓軌道正常運(yùn)行只受重力a=g完全失重與重力有關(guān)的現(xiàn)象全部消失天平彈簧秤測(cè)重力液體壓強(qiáng)計(jì)三、多星系統(tǒng)1、雙星問(wèn)題(1)定義：繞公共圓心轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)星體組成的系統(tǒng)，我們稱之為雙星系統(tǒng)，如圖所示．(2)特點(diǎn)：①各自所需的向心力由彼此間的萬(wàn)有引力相互提供，即②兩顆星的周期及角速度都相同，即T1＝T2，ω1＝ω2③兩顆星的半徑與它們之間的距離關(guān)系為：

r1＋r2＝L[思維深化]1．若在雙星模型中，圖中L、m1、m2、G為已知量，雙星運(yùn)動(dòng)的周期如何表示？2．若雙星運(yùn)動(dòng)的周期為T(mén)，雙星之間的距離為L(zhǎng)，G已知，雙星的總質(zhì)量如何表示？2、三星模型①三顆星位于同一直線上，兩顆環(huán)繞星圍繞中央星在同一半徑為R的圓形軌道上運(yùn)行(如圖甲所示)．②三顆質(zhì)量均為m的星體位于等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上(如圖乙所示)．mmmr3、四星模型(1)如圖所示，四顆質(zhì)量相等的行星位于正方形的四個(gè)頂點(diǎn)上，沿外接于正方形的圓軌道做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，四顆行星轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同，周期、角速度、線速度的大小相等。(2)如圖所示：三顆質(zhì)量相等的行星位于正三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，另一顆恒星位于正三角形的中心O點(diǎn)，三顆行星以O(shè)點(diǎn)為圓心。繞正三角形的外接圓做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

外圍三顆行星轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同，周期、角速度、線速度的大小均相等。【例題】(多選)如圖所示,甲、乙、丙是位于同一直線上的離其他恒星較遠(yuǎn)的三顆恒星,甲、丙圍繞乙在半徑為R的圓軌道上運(yùn)行.若三顆星質(zhì)量均為M,萬(wàn)有引力常量為G,則(

)B.乙星所受合外力為D.甲星和丙星的角速度相同A.甲星所受合外力為C.甲星