7.4.1 宇宙航行(宇宙速度、卫星运行、同步卫星) 课件 -2022-2023学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册（30页ppt）

§7.41 宇宙航行
(宇宙速度、卫星运行、同步卫星)
第七章 万有引力与宇宙航行
课前练.（2022·河北·高考真题）2008年，我国天文学家利用国家天文台兴隆观测基地的2.16米望远镜，发现了一颗绕恒星HD173416运动的系外行星HD173416b，2019年，该恒星和行星被国际天文学联合会分别命名为“羲和”和“和“望舒”，天文观测得到恒星羲和的质量是太阳质量的2倍，若将望舒与地球的公转均视为匀速圆周运动，且公转的轨道半径相等。则望舒与地球公转速度大小的比值为（? ???）
A．???????? B．2
C．???? D．????????
?
C
课堂探究一：如图所示，在 1687 年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。你知道这个速度究竟有多大吗？
思考: 1. 卫星在做什么运动？
3. 已知引力常量G、地球质量M、地球半径R、地球表面重力加速度g
请用不同的方法求出这个速度的表达式，并说明原理。
2. 谁提供向心力？
1. 第一宇宙速度 v1=7.9km/s
一、宇宙速度（地球）
注：发射速度是指卫星在地面附近离开发射火箭的初速度
法一: 万有引力提供向心力
法二：重力等于万有引力, 提供向心力
mg = ???????????????? , vⅠ =????????
?
G ???????????????? = ???????????????? , vⅠ =?????????????
?
思考: 1. 发射速度等于第一宇宙速度时，卫星将做什么运动？
2. 发射速度小于第一宇宙速度时，卫星将做什么运动？
3. 发射速度大于第一宇宙速度时，卫星将做什么运动？
5. 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？
结论：第一宇宙速度是最小的发射速度，
是卫星环绕地球做圆周运动的最大环绕(运行)速度
4. 卫星环绕地球做圆周运动的速度一定不小于第一宇宙速度吗？
拓展：已知引力常量G、月球质量M、月球半径R、月球表面重力加速度g
请写求出月球的第一宇宙速度表达式。
2、第二宇宙速度 v2 = 11.2 km/s
阅读教材P60：了解第二、三宇宙速度
3、第三宇宙速度 v3= 16.7 km/s
1.我国发射的“嫦娥5号”月球探测器，其发射速度应为多少？
2.我国发射的“天问一号”火星探测器，其发射速度应为多少？
3.“旅行者一号”宇宙探测器呢？
2.11.2km/s3. v3＞16.7km/s
“天问一号”火星探测器
“旅行者1号”
宇宙探测器
1. 7.9km/s “嫦娥5号”月球探测器
航天设计师, 请设计发射速度！
[例1] (多选)下列关于三种宇宙速度的说法正确的是( )
A．第一宇宙速度v1＝7.9 km/s，第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于或等于v1，小于v2
B．美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度
C．第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造小行星的最小发射速度
D．第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度
CD
系统集成 第75页
[例2] 若取地球的第一宇宙速度为8 km/s，某行星质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍，则该行星的第一宇宙速度约为( )
A．16 km/s B．32 km/s
C．4 km/s D．2 km/s
A
系统集成 第75页
[针对训练1] (多选)国家航天局探月与航天工程中心表示，2020年我国首次实施火星探测任务，并计划实现对火星的全球性、综合性环绕探测．已知火星的质量约为地球质量的????????，火星的半径约为地球半径的????????.下列关于火星探测器的说法正确的是( )
A．发射速度只要大于第一宇宙速度即可
B．发射速度只有达到第三宇宙速度才可以
C．发射速度应大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度
D．火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的
?
CD
系统集成 第75页
课堂探究二：如图所示，在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动．下列轨道哪些是可能的轨道？哪些是不可能的轨道？卫星的轨道平面有什么特点？
二、人造地球卫星
极地轨道
1. 人造卫星的轨道特点
赤道轨道
一般轨道
所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上运动
二、人造地球卫星
课堂探究三：如图所示，在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动．
这些卫星的线速度、角速度、周期、 向心加速度等跟什么因素有关？关系式如何？
环绕模型: 万有引力提供向心力
G ???????????????? =Fn=man= ???????????????? =???????????????? =????????????????????????????=????????????
?
an =????????????????? , v =???????????? , ω =????????????????? , T =2????????????????????
?
二、人造地球卫星
越高越慢！
2. 人造卫星的运行规律
环绕模型: 万有引力提供向心力
mg =G ???????????????? =man= ???????????????? =???????????????? =????????????????????????????
?
二、人造地球卫星
(1). 卫星运行参量(an、v 、ω 、T )
由 r 决定, 与卫星质量m无关
(2). 越高越慢
(3). 最大运行(环绕)速度为第一宇宙速度
v1=7.9km/s
1．有人根据公式????=????????说：人造地球卫星的轨道半径变为原来的2倍，卫星的速度也变为原来的2倍。但由公式????=????????地????可知，轨道半径增大时，人造地球卫星的速度是减小的。应当怎样正确理解这个问题？
?
教材 第64页第1题
[例3] (多选)三颗人造地球卫星A、B、C绕地球做匀速圆周运动，如图所示，已知mA＝mB A．运行线速度关系为vA>vB＝vC
B．运行周期关系为TA C．向心力大小关系为FA＝FB D．半径与周期关系为
ABD
系统集成 第76页
3．如图所示，a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上匀速运行的四颗人造卫星．其中a、c的轨道相交于点P，b、d在同一个圆轨道上．某时刻b卫星恰好处于c卫星的正上方．下列说法正确的是( )
A．b、d存在相撞危险
B．a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度
C．b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度
D．a、c的线速度大小相等，且小于d的线速度
B
系统集成 第78页
课堂探究四：地球同步卫星位于地面上方高度约36000km处, 周期与地球自转周期相同。地球同步卫星按其轨道倾角的不同可分为地球静止卫星、倾斜轨道同步卫星和极地轨道同步卫星。
1. 已知地球半径R、地球质量M、地球自转周期T、
引力常量G , 求地球同步卫星的高度h、线速度v、
角速度ω、向心加速度an
2. 不同位置的地球同步卫星有什么共同点？有哪些相同的量？
2. 高度一定：其轨道离地面高度固定不变，约为 3.6×104 km
4. 线速度大小一定：线速度大小一定，约为3.1×103 m/s
5. 向心加速度大小一定：约为0.23m/s2
3. 角速度一定：等于地球自转的角速度
1. 周期一定：和地球自转周期相同，即T ＝ 24h
3. 地球同步卫星
(1).概念：与地球自转具有相同周期的卫星，叫作地球同步卫星．
(2).特点：几个“一定”
课堂探究五：地球同步卫星位于地面上方高度约36000km处, 周期与地球自转周期相同。其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角, 运动方向与地球自转方向相同。因其相对地面静止, 也称静止卫星。
1. 地球静止卫星中的“静止”是什么含义？
2. 不同位置的地球静止卫星有什么共同点？
有哪些相同的量？分布在哪个面内？
2. 高度一定：其轨道离地面高度固定不变，约为 3.6×104 km
4. 线速度大小一定：线速度大小一定，约为3.1×103 m/s
5. 向心加速度大小一定：约为0.23m/s2
3. 角速度一定：等于地球自转的角速度
1. 周期一定：和地球自转周期相同，即T ＝ 24h
6. (地球静止卫星)运行方向一定：和地球自转一致，自西向东
3. 地球同步卫星
(1).概念：与地球自转具有相同周期的卫星，叫作地球同步卫星．
(2).特点：七个“一定”
7. (地球静止卫星) 轨道平面一定：都在赤道平面内
(1)同步卫星:地球同步卫星是指在地球同步轨道上自西向东运行的人造卫星, 它的轨道周期与地球的自转周期相同。地球同步卫星按其轨道倾角的不同可分为地球静止卫星、倾斜轨道同步卫星和极地轨道同步卫星。
概念辨析：1. 同步卫星与静止卫星
(2) 静止卫星:其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角, 运动方向与地球自转方向相同, 因其相对地面静止, 也称静止卫星, 即属于同步卫星的一种.
注意：由于教材版本的变化, 目前大部分题目中地球同步卫星主要是指地球静止卫星 , 注意联系题意理解！！！
3．已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，地球自转的周期为T，试求地球同步卫星的向心加速度大小。
????=??????????????????????????????????????????????????????????=?????????????????????????????????????????
?
教材 第64页第3题
[针对训练2] 2018年6月2日我国的“高分六号”在酒泉卫星发射中心发射成功，假设在轨运行的“高分六号”卫星、同步卫星和月球都绕地球做匀速圆周运动，它们在空间的位置示意图如图所示．下列有关“高分六号”卫星的说法正确的是( )
A．“高分六号”卫星的发射速度可能小于7.9 km/s
B．“高分六号”卫星绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度小
C．“高分六号”卫星绕地球运行的周期比同步卫星绕地球运行的周期小
D．“高分六号”卫星在运行轨道上完全失重，重力加速度为0
系统集成 第76页
C
阅读教材P61→P63
三、载人航天与太空探索
1961年4月2日苏联宇航员尤里.加加林首次进入太空
1969年7月20日美国宇航员阿姆斯特朗首次登月
2003年10月15日我国宇航员杨利伟首次遨游太空
资料
资料
资料
(1)航空：空气动力学
概念辨析：2. 航空与航天
(2)航天：万有引力提供向心力
(1)发射速度:发射速度是指卫星
在地面附近离开发射火箭的初速度
概念辨析：3. 发射速度与运行(环绕)速度
(2) 运行(环绕)速度:
卫星绕地球做匀速圆周运动的线速度
[针对训练1] 中国北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统.2020年北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力．如图所示是北斗卫星导航系统中部分卫星的轨道示意图，已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动，a是地球同步卫星，则( )
A．卫星a的角速度小于卫星c的角速度
B．卫星a的加速度大于卫星b的加速度
C．卫星a的运行速度大于第一宇宙速度
D．卫星b的周期大于24 h
系统集成 第77页
A
[针对训练2] 2018年11月1日，我国在西昌卫星发射中心成功发射第四十一颗北斗导航卫星，该卫星是我国北斗三号系统第十七颗组网卫星，它是地球同步卫星，设地球自转角速度一定，下列关于该卫星的说法正确的是( )
A．它绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度
B．它沿着与赤道成一定角度的轨道运动
C．运行的轨道半径可以有不同的取值
D．如果需要可以发射到北京上空
系统集成 第77页
A
课堂小结
1. 第一宇宙速度 v1=7.9km/s
一、宇宙速度
1. 万有引力提供向心力
2. 重力等于万有引力, 提供向心力
mg = ???????????????? , vⅠ =????????
?
G ???????????????? = ???????????????? , vⅠ =?????????????
?
2. 第二宇宙速度 v2 = 11.2 km/s
3. 第三宇宙速度 v3= 16.7 km/s
3. 特点：最小发射速度、最大运行(环绕)速度
2. 人造卫星的运行规律: 万有引力提供向心力
G ???????????????? =man= ???????????????? =???????????????? =????????????????????????????
?
二、人造地球卫星
特点：越高越慢
an =????????????????? , v =???????????? , ω =????????????????? , T =2????????????????????
?
1.人造卫星的轨道特点：所有卫星都在以地心为圆心的圆轨道上运动
3. 地球同步卫星：七个“一定”
(地球静止卫星) 轨道平面一定：都在赤道平面内
(地球静止卫星) 运行方向一定：和地球自转一致，自西向东