物理人教版（2019）必修第二册7.4宇宙航行（共32张ppt）

(共32张PPT)
7.4 宇宙航行
第七章 万有引力与宇宙航行
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
问题？
v
增大
在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想抛出速度很大时，物体就围绕地球旋转,物体就不会落回地面,成为一颗人造卫星.
思考: 以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运动的卫星
牛顿人造地球卫星的设想图
宇宙速度
1
探究？
问题1：按牛顿的设想，在忽略空气阻力的情况下，在地面上以越来越大的水平速度抛出物体，物体还做平抛运动？
问题2：物体如果不落地，它将怎样运动？
问题3：物体绕地球做圆周运动的向心力由什么力提供？是否需要考虑太阳的引力？
已知：地球半径R=6 400 km,地球质量m地=5.98×1024 kg,引力常量G=6.67×10-11 N·m2/kg2，太阳质量m太=2.0×1030 kg，太阳距地球的距离l=1.496×108 千米
分析：地球对地球表面物体的吸引力
太阳对地球表面物体的吸引力
＜＜ F1
由地球对物体的万有引力提供
匀速圆周运动
宇宙速度
1
探究？
问题4：物体绕地球做圆周运动时，物体还和地球一起自转吗？
万有引力、重力和向心力的关系是什么？
不参与地球的自转
万有引力就是物体的重力
万有引力（或重力）提供物体做圆周运动的向心力
问题5：请尝试推到物体在地球表面绕地球做圆周运动的速度？
设：地球质量为M，物体质量为m，地球半径为r,运行速度为v,地球表面重力加速度为g
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
宇宙速度
1
第一宇宙速度
物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度
方法一：
方法二：
问题5：请尝试推导物体在地球表面绕地球做圆周运动的速度？
设：地球质量为M，物体质量为m，地球半径为r,运行速度为v,地球表面重力加速度为g
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
宇宙速度
1
第一宇宙速度
物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度
问题6：卫星绕地球运动时，运行速度随距地面的高度如何变化？
距地面高度越高，运行速度越小
问题7：发射卫星时，发射速度要达到多少才能不会掉回地面上？
要达到第一宇宙速度
最小发射速度，最大运行速度
能否发射一颗运动速率为10 km/s的卫星？
能否发射一颗运动周期为50 min的卫星？
Tmin=84.6min
vmax=7. 9km/s
运行速度：指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度.
发射速度：指被发射物体离开地面时的水平初速度.
注意：
（1）第一宇宙速度是最小的发射速度,最大的环绕速度.
（2）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.
v发射
v运行
宇宙速度
1
第二宇宙速度
在地面附近发射飞行器，如果速度等于 7.9 km/s，这一飞行器只能围绕地球做圆周运动，还不能脱离地球引力的束缚，飞离地球实现星际航行。
理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大于 7.9 km/s，又小于 11.2 km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于 11.2 km/s 时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把 11.2 km/s叫作第二宇宙速度
宇宙速度
1
第三宇宙速度
达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引 力。在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于 16.7 km/s， 这个速度叫作第三宇宙速度
第一宇宙速度
卫星的最小发射速度，最大运行速度
第二宇宙速度
脱离地球的最小发射速度
宇宙速度
1
发射速度v 运动情况
v<7.9km/s 物体落回地面
v=7.9km/s 物体在地面附近做匀速圆周运动
7.9km/s11.2km/s≤v<16.7km/s 物体绕太阳运动
16.7km/s≤v 物体飞出太阳系
注意：人造卫星的发射速度与运行速度是两个不同的概念
发射速度 指被发射物体离开地面时的速度
运行速度 指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度
例1 我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”.设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面.已知月球的质量约为地球质量的 ，月球的半径约为地球半径的 ，地球的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为？
宇宙速度
1
人造地球卫星
2
人造地球卫星
2
极地卫星
总结：F万=F向
即卫星的轨道圆心与地心重合
赤道
ω
离地36000km试计算该轨道上卫星的周期
近地卫星
人造卫星的轨道
问题1：对于在稳定轨道上做匀速圆周运动的人造卫星来说，它的轨道中心在可出？
赤道轨道
极地轨道
倾斜轨道
地球同步卫星
1. 卫星绕地球的运动和受力特点
卫星绕地球做圆周运动，地球对卫星的万有引力提供向心力：F引 = F向
2. 卫星的动力学方程 ( r – v – ω – T 的关系 )
r
R
人造地球卫星
2
地球
对于绕地球运动的人造卫星：
（1）离地面越高，线速度越_____________
（2）离地面越高，周期越_______________
（3）离地面越高，角速度越_____________
（4）离地面越高，向心加速度越_________
小
大
小
小
人造地球卫星
2
人造地球卫星
人造地球卫星
2
地球同步卫星的六个一定
1．定轨道平面：所有地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面内．
2．定周期：运转周期与地球自转周期相同，T＝24 h.
3．定高度(半径)：离地面高度为36 000 km.
4．定速率：运行速率为3.1×103 m/s.
5．定向心加速度：向心加速度为0.23m/s2.
6．定方向：自西向东.
思考？
地球同步卫星的轨道半径、线速度、角速度、周期、向心加速度、向心力有什么特点？
人造地球卫星
2
地球同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较
1.同步卫星和近地卫星都是万有引力提供向心力，即都满足 ＝ mω2r＝m r＝man.由上式比较各运动量的大小关系，即r越大，v、ω、an越小，T越大.
2.同步卫星和赤道上物体做圆周运动的周期和角速度都相同.因此要通过v＝ωr，an＝ω2r比较两者的线速度和向心加速度的大小.
例3 如图4所示，A为地面上的待发射卫星，B为近地圆轨道卫星，C为地球同步卫星.三颗卫星质量相同，三颗卫星的线速度大小分别为vA、vB、vC，角速度大小分别为ωA、ωB、ωC，周期分别为TA、TB、TC，向心加速度大小分别为aA、aB、aC，则
A.ωA＝ωC<ωB
B.TA＝TCC.vA＝vCD.aA＝aC>aB
人造地球卫星
2
人造地球卫星
2
地球
7.9km/s
P
7.9km/s＜vP ＜11.2km/s
v2
vQQ
人造地球卫星的变轨
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
内轨变外轨，远地点点火加速；
外轨变内轨，点火减速。
所以，远地圆轨道卫星，是由椭圆轨道变轨而来的。
思考？
卫星在轨道2上经过Q点的加速度与卫星在轨道3上经过Q点的加速度大小关系？
卫星在轨道1上经过P点的速度与卫星在轨道2上经过P点的速度大小关系？
M，r同，a同
v1p＜ v2p
例2 2019年春节期间，中国科幻电影里程碑的作品《流浪地球》热播，影片中为了让地球逃离太阳系，人们在地球上建造特大功率发动机，使地球完成一系列变轨操作，其逃离过程如图2所示，地球在椭圆轨道Ⅰ上运行到远日点B变轨，进入圆形轨道Ⅱ.在圆形轨道Ⅱ上运行到B点时再次加速变轨，从而最终摆脱太阳束缚.对于该过程，下列说法正确的是
A.沿轨道Ⅰ运动至B点时，需向前喷气减速才能进入轨道 Ⅱ
B.沿轨道Ⅰ运行的周期小于沿轨道Ⅱ运行的周期
C.沿轨道Ⅰ运行时，在A点的加速度小于在B点的加速度
D.在轨道Ⅰ上由A点运行到B点的过程，速度逐渐增大
图2
√
人造地球卫星
2
双星和多星问题
3
双星模型
宇宙中有相距较近、质量相差不大的两个星球，它们离其他星球都较远，其他星球对它们的万有引力可以忽略不计.在这种情况下，它们将围绕其连线上的某一固定点做周期相同的匀速圆周运动，通常，我们把这样的两个星球称为“双星”.
双星模型的特点
两星的运行周期、角速度相同.
向心力大小相等，由它们间的万有引力提供
轨道半径之和等于两星之间的距离，即r1＋r2＝L，两星轨道半径之比等于两星质量的反比
双星和多星问题
3
多星模型
在宇宙中存在“三星”“四星”等多星系统，在多星系统中：
(1)各个星体做圆周运动的周期、角速度相同.
(2)某一星体做圆周运动的向心力是由其他星体对它引力的合力提供的.
例4 两个靠得很近的天体，离其他天体非常遥远，它们以其连线上某一点O为圆心各自做匀速圆周运动，两者的距离保持不变，科学家把这样的两个天体称为“双星”，如图5所示.已知双星的质量分别为m1和m2，它们之间的距离为L，引力常量为G，求双星的运行轨道半径r1和r2及运行周期T.
图5
双星和多星问题
3
解析 双星间的万有引力提供了各自做匀速圆周运动的向心力，
例5 宇宙间存在一些离其他恒星较远的三星系统，其中有一种三星系统如图6所示，三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点，三角形边长为L，忽略其他星体对它们的引力作用，三星在同一平面内绕三角形中心O做匀速圆周运动，求每颗星做圆周运动的角速度、加速度、周期、线速度？
双星和多星问题
3
1957年10月4日，苏联发射第一颗人造地球卫星
1961年4月12日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，实现了人进入太空的梦想
1969年7月20日，阿波罗11号将人类送上了月球
载人航天与太空探索
4
梦想成真
1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空
2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功
载人航天与太空探索
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我国的航天成就
2010年10月1日嫦娥二号顺利发射
2013年12月2日嫦娥三号探测器进入太空，当月14日成功软着陆于月球
载人航天与太空探索
4
我国的航天成就
2003年10月15日，神舟五号，杨利伟
2005年10月12日，神舟六号，费俊龙 聂海胜
2008年9月25日，神舟七号，翟志刚、刘伯明、景海鹏
2011年11月1日，神舟八号顺利升空
2012年6月16日，神州九号
2013年6月11日，神舟十号，聂海胜、张晓光、王亚平
2011年9月29日 天宫一号发射升空
2011年11月，天宫一号与神舟八号飞船成功对接
2012年6月18日神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器自动交会对接
2013年6月13日，神舟十号飞船与天宫一号顺利自动交会对接
载人航天与太空探索
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我国的航天成就
2016年9月15日22时04分12秒，天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心发射。
2016年10月19日凌晨，神州十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。航天员景海鹏、陈东进入天宫二号。
2017年9月17日15时29分，地面发送指令，天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室实施分离。
2018年9月15日，天宫二号空间实验室已圆满完成2年在轨飞行和各项试验任务，天宫二号平台及装载的应用载荷功能正常、状态良好。为进一步发挥空间应用效益。
载人航天与太空探索
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我国的航天成就
2019年7月19日21时06分，天宫二号空间实验室受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层，标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。
2018年12月8日2时23分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙改二型运载火箭成功发射嫦娥四号探测器。 2019年1月3日10时26分，在反推发动机和着陆缓冲机构的“保驾护航”下，一吨多重的“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面南极-艾特肯盆地冯·卡门撞击坑的预选着陆区。
2020年7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭将“天问一号”探测器发射升空，飞行2000多秒后，成功将探测器送入预定轨道，开启火星探测之旅，迈出了中国自主开展行星探测的第一步。
载人航天与太空探索
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我国的航天成就