【高中物理】7.4宇宙航行(第1课时)课件(共24张PPT)-高一下学期物理人教版(2019)必修第二册

(共24张PPT)
人教版物理必修二
第七章 万有引力与宇宙航行
第三节 7.4宇宙航行（1）
课堂引入
从嫦娥奔月到万户飞天，从阿波罗11号登月到天问一号的火星之旅，人类一直在为“飞天”梦想努力着。
A
v
一、人造卫星的发射原理
实际上，早在 1687 年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿就设想：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。
讨论交流：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？
二、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
地球同步卫星
人造地球卫星的轨道：
赤道轨道
同步轨道
自转轴（地轴）
北
南
极地轨道
倾斜轨道一般轨道
讨论交流：
人造地球卫星的轨道平面可以不过地心吗？
这样的轨道是否稳定
赤道平面
北
南
4.人造卫星的分类：
按轨道分类:极地卫星、赤道卫星、一般轨道卫星
按用途分类:通信卫星、气象卫星、导航卫星、预警卫星等
技术卫星
气象卫星
气象卫星
侦察卫星
资源观测卫星
通信卫星
太空望远镜
预警侦察卫星
科学探测卫星
技术实验卫星
通信卫星
资源观测卫星
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。
讨论交流：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
1
2
3
4
三、人造卫星的运动规律
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为地球的半径，h为卫星距地面的高度
r=R+h
高轨低速长周期
卫星运动情况(a、V 、ω 、T )是由 r 惟 一决定
四、宇宙速度
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，物体还做平抛运动吗？
问题2：物体如果不落地，它将怎样运动？
匀速圆周运动
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？
讨论交流：
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日=2.0×1030 kg，太阳距地球的距离l=1.496×108 Km,
物体质量m=1Kg
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
物体绕地球做圆周运动的向心力由
地球对物体的万有引力提供
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？
不参与地球的自转,物体已离开地面
万有引力近似等于重力，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
方法一：
方法二：
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
第一宇宙速度是在地面的最小发射速度，也是最大在轨运行速度。
1.第一宇宙速度：（环绕速度）
（1）概念：物体发射速度为7.9km/s，称为第一宇宙速度，也称环绕速度。
（2）状态和特点：只能贴近地球做匀速圆周运动，既是绕地匀速圆周运动的最大环绕速度，也是克服引力做功最少的最小发射速度。
2.第二宇宙速度：（脱离速度）
（1）概念：物体发射速度为11.2km/s，称为第二宇宙速度
（2）状态和特点：脱离地球引力，不再绕地球运行。
3.第三宇宙速度：（逃逸速度）
（1）概念：物体发射速度为16.7km/s，
称为第三宇宙速度
（2）状态和特点：摆脱太阳引力，逃出太阳系。成为自由天体
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， 不同中心天体三个宇宙速度也不相同。
（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。
（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。
几点说明：
（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。
（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
练习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
练习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
练习3.根据观察，在土星外层有一个环，为了判断该环是土星的连续物还是小卫星群，可测出环中各层的线速度V与该层到土星中心的距离R之间的关系。下列判断正确的是（ ）
A.若V与R成正比，则环为连续物
B.若V2与R成正比，则环为小卫星群
C.若V与R成反比，则环为连续物
D.若V2与R成反比，则环为小卫星群
AD
A
o
B
练习4.如图所示，有A、B两个卫星绕地球做圆周运动，旋转方向相同，A卫星的周期为T1，B卫星的周期为T2，在某一时刻两卫星第一次相遇（即两卫星相距最近）
求：1.多长时间后两卫星第二次相遇？
2.多长时间后两卫星第一次最远？