7.4.1宇宙航行(课件)-2021-2022学年【扬帆起航系列】人教版(2019)高中物理必修第二册(共42张PPT)

(共42张PPT)
人教版（2019）高中物理必修第二册
第七章 万有引力与宇宙航行
7.4.1 宇宙航行
授课人：扬帆起航
CONTENTS
01
人造卫星
02
宇宙速度
03
典型例题分析
目录
01
人造卫星
万有引力与宇宙航行
一、人造卫星
1、卫星：卫星是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体，人造卫星一般亦可称为卫星。人造卫星是由人类建造，以太空飞行载具如火箭、航天飞机等发射到太空中，像天然卫星一样环绕地球或其它行星的装置。（不过，如果两个天体质量相当，它们所形成的系统一般称为双行星系统，而不是一颗行星和一颗天然卫星）
2、卫星轨道：可以是圆轨道（地心位于圆心），也可以是椭圆轨道（地心位于椭圆的一个焦点上）， 但轨道平面必过地心。
3、人造地球卫星的轨道：
人造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力，地球对卫星的万有引力指向地心。而做匀速圆周运动的物体的向心力时刻指向它所做圆周运动的圆心。因此人造卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合。这样就存在三类人造地球卫星轨道（如图所示）：
（1）赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面上，卫星始终处于赤道上方。
（2）极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空。
（3）一般轨道：卫星轨道和赤道成一定的角度。
赤道轨道
极地轨道
倾斜轨道
(一般轨道)
同步轨道
自转轴
（地轴）
F引
F1
F2
赤道平面
北
南
东
西
人造地球卫星的轨道可以像这样的“天使环”吗？
这样的“天使环” 轨道是否稳定？
想一想：下图人造卫星的轨道不可能的是（ ）
按用途分类:通信卫星、气象卫星、导航卫星、预警卫星等
按轨道分类:极地卫星、赤道卫星、一般轨道
4、人造卫星的分类：
资源卫星
技术实验卫星
科学探测卫星
通信卫星
快速侦测卫星
各式各样的人造卫星
5、人造卫星的两个速度
　（1）发射速度：指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运动轨道．
　（2）环绕速度（也叫运行速度或绕行速度）：是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度．当卫星“贴着”地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度．
注意：卫星的实际环绕速度一定小于发射速度．
v发射
v运行
★向高轨道发射卫星时, 需要的发射速度越大。发射高轨道卫星比发射低轨道卫星困难，原因是发射高轨道卫星时火箭要克服地球对它的引力做更多的功。
问题：
将卫星送入低轨道和高轨道所需的发射速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？
1
2
3
6、卫星运动的向心加速度、线速度、角速度和周期：
可见：卫星运动情况(a、V 、ω 、T )是由 r 惟 一决定
(2)由 得：ｖ＝
G
M
m
r2
=m
v2
r
(3)由 得：ω＝
G
M
m
r2
=mω2r
(4)由 得：Ｔ＝
G
M
m
r2
=m( ) r
２π
T
2
GM
4π2r3
(1)由 得：a＝
G
M
m
r2
=ma
GM
r2
（R为地球的半径，h为卫星距地面的高度）
★“高轨低速长周期”
嫦娥奔月的神话传说
敦煌壁画的飞天图腾
万户飞天的勇敢尝试
外国人的“飞天”梦
好奇是点燃智慧的火种，仰望星空，浩瀚的太空充满神秘，探究宇宙的奥秘，奔向遥远的太空，自古以来就是人类的梦想，那么，怎么实现它呢？
在楼顶上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？
如果被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？
速度大的水平位移大，落地点较远
物体初速度达到多大时就可以发射成为一颗人造卫星呢
牛顿曾设想，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，则落点一次比一次远，如果速度足够大， 物体就不再落到地面上来，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。
牛顿的设想
02
宇宙速度
万有引力与宇宙航行
人造卫星的发射原理
建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动
基本思路：向心力由地球对卫星的万有引力提供
请同学们计算：已知地球半径 R = 6400 km，地球质量 M = 6.0×1024 kg，卫星在地面附近环绕（r=R）地球做匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？
二、宇宙速度
如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度 g，如何求宇宙第一速度 v ？
由
则
由此可见，v = 7.9 km/s，这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，称为第一宇宙速度。
M
近地卫星
R=r
V
1.第一宇宙速度（环绕速度）： v = 7.9 km/s (物体在地面附近、环绕地球做匀速圆周运动，是最小发射速度）
2. 第二宇宙速度（脱离速度）：当物体的速度大于或等于11.2 km/s时，卫星就会脱离地球的吸引，不再绕地球运行。我们把这个速度叫作第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。
3. 第三宇宙速度（逃逸速度）：如果物体的速度大于或等于16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。这个速度叫第三宇宙速度。
宇宙速度
注意：宇宙速度都是针对发射速度；以上三个宇宙速度都是地球上的宇宙速度。．
说明：
（1）第一宇宙速度是发射人造地球卫星的最小发射速度,当V发=7.9km/s时，卫星恰好环绕地球表面做匀速圆周运动；要使卫星在较高的轨道上运行，就必须使发射速度大于7.9km/s。
（2）第一宇宙速度是最大的环绕速度。由 知，轨道越高，环绕速度越小，即人造地球卫星的环绕速度v≤7.9km/s。
（3）发射速度小于7.9km/s时，卫星将不能围绕地球做圆周运动，而是落回地面。
（4）第一宇宙速度是卫星相对于地心的线速度。地面上发射卫星时的发射速度，是卫星获得相对地面的速度与地球自转速度的合速度，所以赤道上自西向东发射卫星，可以节省一定的能量。
（5）当发射速度大于7.9km/s 时：
① 若7.9km/s②若 11.2km/s≤V发<16.7km/s卫星脱离地球的束缚而围绕太阳运行，成为太阳系的一颗“小行星”。
③若 V>16.7km/s，卫星脱离太阳的吸引，而成为自由天体。
（6）人造地球卫星的运行速度和发射速度间的大小关系：
V运≤7.9km/s ≤ V发＜ 11.2km/s
16.7 km/s 称为第三宇宙速度
“旅行者1号”探测器
1988 年飞出太阳系
03
典型例题
万有引力与宇宙航行
CD
B
1. A 星球的第一宇宙速度为 9 km/s，已知 B 星球的质量是 A 星球质量的 1/81，A 星球半径是 B 星球半径的 4 倍，则在 B 星球上发射“近地卫星”的环绕速度约为 km/s。
2
例1. 关于第一宇宙速度，下列说法中正确的是（ ）
A. 它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B. 它是人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度
C. 它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D. 它是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度
BC
地球
对于绕地球运动的人造卫星：
（1）离地面越高，向心力越_____________
（2）离地面越高，线速度越_____________
（3）离地面越高，周期越_______________
（4）离地面越高，角速度越_____________
（5）离地面越高，向心加速度越_________
小
大
小
小
小
例2. 人造卫星以地心为圆心做匀速圆周运动，下列说法正确的是（ ）
A. 半径越大，速率越大，周期越小
B. 半径越大，速率越小，周期越大
C. 所有卫星的角速度均相同，与半径无关
D. 所有卫星的速率均相同，与半径无关
B
2. 下列轨道中不可能是卫星绕地球运行的轨道的是 ( )
卫星是围绕地球的中心绕地球做匀速圆周运动的
D
A
B
C
D
3. 关于地球同步卫星，下列说法正确的是（ ）
A. 它的运行速度小于 7.9 km/s
B. 它的运行速度大于 7.9 km/s
C. 它的周期是 24 h，且轨道平面与赤道平面重合
D. 每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样的
ACD
例3. 求近地卫星的周期
我们能发射一颗周期为80 min的卫星吗？
法二：
1. 两颗人造地球卫星质量之比 m1∶m2 = 1∶2，轨道半径之比 R1∶R2 = 3∶1，下列有关数据之比正确的是 ( )
A. 周期之比 T1∶T2 = 3∶1
B. 线速度之比 v1∶v2 = 3∶1
C. 向心力之比 F1∶F2 = 1∶9
D. 向心加速度之比 a1∶a2 = 1∶9
D
2. 如图所示，a、b、c 是在地球大气层外圆形轨道上运动的 3 颗卫星，下列说法正确的是（ ）
A. b、c 的线速度大小相等，且大于 a 的线速度
B. b、c的向心加速度大小相等，且大于 a 的向心加速度
C. c加速可追上同一轨道上的 b，b 减速可等候同一轨道上
的 c
D. a卫星由于某原因，轨道半径
缓慢减小，其线速度将增大
D