物理人教版(2019)必修第二册7.4宇宙航行（共42张ppt）

(共42张PPT)
新课导入
从嫦娥奔月到阿波罗11号登月,从神州十一号的顺利发射到天问一号的火星之旅，人类一直在为“飞天”梦想努力着。
新课导入
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。
思想实验
这个速度究竟是多大？
01
第一宇宙速度
算一算：以多大的速度抛出物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？（忽略太阳对物体的引力。已知G=6.67×10-11Nm2/kg2，地球质量M=6×1024kg，地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）
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
思考与讨论
有人说，第一宇宙速度也可用 （式中g为重力加速度，R为地球半径）算出，你认为正确吗
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时，可近似认为向心力是由重力提供的，有：
或通过黄金代换式
01
第一宇宙速度
发射卫星的轨道越高，需要克服万有引力的阻碍作用越多，所以发射速度需要增加。
1.是航天器成为卫星的最小发射速度
2.是卫星的最大环绕速度
人造卫星的发射速度与环绕速度
①发射速度: 指被发射物体离开地面时的速度。
②环绕速度： 指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度。
02
第二宇宙速度
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。
物体绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。
叫作第二宇宙速度（逃逸速度）。
03
第三宇宙速度
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 16.7km/s。
达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。
这个速度叫作第三宇宙速度（脱离速度）
宇宙速度
★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。
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
几个重要的关系式
质量为m的天体绕质量为M的中心天体做半径为r的匀速圆周运动
高轨低速长周期
“越高越慢”
宇宙速度
数值 意义
第一宇宙速度 (1)最小发射速度
(2)最大环绕速度
第二宇宙速度 使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度
第三宇宙速度 使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度
人造地球卫星
牛顿虽然早就预言了人造地球卫星，但因发射需达到很大的速度，所以直到多级火箭的研制成功，才为人造地球卫星的发射创造了条件。
1957年10月，苏联发射第一颗人造地球卫星。开创了人类航天时代的新纪元。
01
卫星
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。
02
卫星按轨道分类
1.赤道卫星（赤道轨道）：卫星的轨道与赤道共面，卫星始终处于赤道正上方。
3.倾斜卫星（任意轨道）：卫星的轨道与赤道平面成某一角度。
2.极地卫星（极地轨道）：卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上空。
卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力充当向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，其轨道可分为三类：
思考讨论
F引
F1
F2
赤道平面
北
南
东
西
人造地球卫星的轨道可以像图中情况一样吗
轨道一定过地心
03
近地卫星
近地卫星：指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。
04
同步卫星
人造卫星跟着地球做匀速圆周运动，周期T=24h。
同步卫星中有一类特殊卫星：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星——静止卫星
05
静止卫星
轨道平面一定：赤道平面
周期与角速度一定：T=24h
轨道半径一定:r=6.6R
线速度大小一定:v=3.08km/s
运转方向一定:自西向东
向心加速度的大小一定:
思考讨论
一颗同步卫星能覆盖地球上多大范围，要想使同步卫星信号能够覆盖完整个赤道，至少需要多少颗同步卫星？
至少需要3颗。
静止卫星的用途
主要用于通信，故也称通信卫星。3颗同步卫星可实现全球覆盖,为了使同步卫星之间不相互干扰，大约3°左右才能放置一颗同步卫星，也就是说，地球上空只能放下120颗同步卫星。截止2012年，已发射100多颗。空间位置是一种极其有限的资源。
01
卫星参数
探究：同步卫星A、近地卫星B、赤道上物体C的比较（v、a、T）
赤道
静止卫星
近地卫星
赤道上的物体
r
R
A
B
C
02
卫星参数比较
探究：同步卫星A、近地卫星B、赤道上物体C的比较（v、a、T）
三者v的关系:
三者a的关系:
三者T的关系:
三者r的关系:
三者 的关系:
课堂小结
一、宇宙速度
三、人造卫星参数比较
1.赤道卫星（赤道轨道）
3.倾斜卫星（任意轨道）
2.极地卫星（极地轨道）
同步卫星
静止卫星
二、人造卫星
01
发射卫星的方式
直线发射（即高轨发射）：在整个发射过程中，运载火箭在入轨前始终处于动力飞行状态，要消耗大量燃料。如果发射同步卫星，还必须在赤道上建立发射场，有一定局限性。
变轨发射（即近地发射）：运载火箭消耗的燃料少，发射场的位置也不受限制。目前，各国发射同步卫星都采用第二种方法，但这种方法在操作和控制上都比较复杂。
发射人造地球卫星的运载火箭一般分为三级，其发射后的飞行过程大致包括垂直起飞、转弯飞行、进入轨道这样三个阶段。
02
卫星变轨
由于技术上的需要，有时要在适当的位置短时间启动卫星上的发动机，使卫星的速度发生突变，让其运行轨道发生改变，最终到达预定的目标。
03
变轨发射的原因：节能
直接飞到月球可能是最快的方式，但目前的科技很难做到。目前的方案是首先进入地球轨道，然后通过点燃三级火箭逐级将飞船推入地月转移轨道，飞船与三级火箭脱离，依靠月球的引力飞向月球。这样利用地球、月球引力不断加速变轨的措施，可以使飞船节省大量燃料，也更利于登月舱着陆。
03
变轨发射的原因：技术
正如汽车爬山一样，为了克服阻力需要汽车发动机持续大功率输出。持续高功率输出会加重汽车发动机的负担，严重时甚至损毁。所以人们用盘山公路来解决汽车爬坡问题。
03
变轨发射的原因：测控
发射火箭不仅要有足够的燃料，还要能对火箭的飞行过程进行有效的测量和控制。有效测控点越多，测控精度就越高，发射过程也就越可控。比如前期的入轨精度，真可谓差之毫厘谬之千里。
03
变轨发射的原因：发射窗口
发射窗口是指比较合适运载火箭发射的一个时间范围（即允许运载火箭发射的时间范围）。
这个范围的大小也叫发射窗口的宽度。窗口宽度有宽有窄，宽的以小时计，甚至以天计算，窄的只有几十秒钟，甚至为零。
01
卫星变轨
离心运动
无动力运行
向后点火加速
匀速圆周运动
向前点火减速
近心运动
从供需关系来看
02
低轨变高轨
·
v2
v3
v4
v1
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
离心运动
离心运动
低圆轨道(Ⅰ)——P点加速
椭圆转移轨道(Ⅱ)——Q点加速
高圆轨道(Ⅲ)
02
低轨变高轨
v3
v4
1
v1
v2
减速，v32
3
θ＞900
v
F引
加速v2>v1
加速v4>v3
切点P
切点Q
03
高轨变低轨
近心运动
近心运动
高圆轨道(Ⅲ)——Q点减速
椭圆转移轨道(Ⅱ)——P点减速
低圆轨道(Ⅰ)
·
v2
v3
v4
v1
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
03
高轨变低轨
卫星的回收演示
04
变轨过程的加速度
设卫星在轨道Ⅰ通过P的加速度是a1，Ⅱ轨道通过P的加速度是a2,Ⅱ轨道通过Q的加速度为a3，Ⅲ轨道通过Q的速度为a4
·
v2
v3
v4
v1
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
05
变轨过程周期
·
v2
v3
v4
v1
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
开普勒第三定律：
椭圆轨道：
圆轨道：
（比较半径）
（比较半长轴）
综上：
Ⅰ是圆轨道，Ⅱ 是椭圆轨道，Ⅲ是圆轨道
课堂小结
一、卫星变轨
二、物理量的比较
离心运动
无动力运行
向后点火加速
匀速圆周运动
向前点火减速
近心运动
从供需关系来看
椭圆轨道：
圆轨道：
（比较半径）
（比较半长轴）