7.4 宇宙航行 课件(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
人教版（2019）必修 第二册
1.了解人造地球卫星的最初构想，会推导第一宇宙速度。
2.知道同步卫星和其它卫星的区别，会分析人造地球卫星的受力和运动情况，并解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。
3.了解发射速度与环绕速度的区别和联系，理解天体运动中的能量观。
4.了解宇宙航行的历史进程和发展，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。
学习目标
如图所示，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？
导入新课
思考
1.第一宇宙速度
⑴法1 已知:M、r，求： v
由牛顿第二定律得
代入r=R地=6.40×106m，得
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一、宇宙速度
意义：卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，称第一宇宙速度。
思考：
在地面附近发射飞行器，发射速度至少为多少？
当卫星在地面附近绕地球运行时，r=R 。
⑵法2 已知:R、g，求：v
代入R地=6.40×106m，得
⑶第一宇宙速度的理解：
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
当卫星在地面附近绕地球运行时，重力提供向心力 。
例 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匀速圆周运行的最小速度
B.它等于人造地球卫星在近地圆形轨道上的运动速度
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动至近地点的速度
BC
4.宇宙速度对于航天器的轨迹影响
v3 = 16.7 km/s
当航天器发射速度达到某一值后，会挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系之外，此发射速度被称为第三宇宙速度。
3.第三宇宙速度
v2 = 11.2 km/s
当航天器在地球的发射速度达到一定值时，就会脱离地球引力场而成为围绕太阳运动的人造行星，这一发射速度值为第二宇宙速度。
2.第二宇宙速度
1.人造地球卫星的轨道
其他卫星
赤道卫星
所有卫星轨道的圆心都在地心上
思考：卫星轨道的圆心位置在哪里？
卫星按轨道分类：
低轨道卫星
中高轨道卫星
同步卫星
极地卫星等
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二、卫星运行问题
2.人造卫星绕地球运行的动力学原因
近地卫星，即有r≈R地，则有
3.卫星的v、ω、T和an与轨道半径r的关系
①已知:M、r，求：v
②已知:R、g地球附近、r，求：v
⑴求:v
近地卫星
r=R
⑵分别求:ω、T、an
轨道参量 动力学方程 特点
线速度v 1.捆绑性(运动量一个变，
皆随之而变)
2.变化趋势
r决定一切：
轨道越高越慢；
轨道越低越快。
3.无用的m
仅在计算F引大小时有用。
角速度 周期T 向心加速度a
小结：轨道参量和轨道半径关系
有人根据公式v ＝ ωr 说：人造地球卫星的轨道半径增大2倍，卫星的速度也增大2倍。 但由公式 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？
解析：
只有当角速度不变时，才满足半径增大2倍，线速度就增大2倍；
实际上，随着半径的增大，由开普勒第三定律 可知，周期在变大，
故角速度在减小，而不能保持不变，即角速度为：
讨论
算一算：
近地卫星的周期是多少？？
⑴已知:M、R，求：T
⑵已知:R、g地球附近，求： T
= 83.4min
思考：我们能否发射一颗周期为60min的卫星呢？
下列数据供选择：
地球质量M=5.98×1024kg
地球半径R=6.40×106m/s
引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2
地球附近重力加速度g=9.8m/s2
练习 图中的甲是地球赤道上的一个物体，乙是“神舟十号”宇宙飞船（周期约90min），丙是地球的同步卫星，它们运行的轨道示意图如图所示，它们都绕地心做匀速圆周运动。下列有关说法中正确的是 （　 ）
A．它们运动的线速度大小关系是v乙B．它们运动的向心加速度大小关系是a乙>a丙>a甲
C．已知甲运动的周期T甲=24h，可计算出地球的密度
D．已知乙运动的周期T乙及轨道半径r乙，可计算出地球质量
BD
1.定义：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星。
实例：地球同步卫星
h
⑴轨道面与赤道面重合。
2.地球同步卫星运行特点：
⑵所有地球同步卫星的υ、ω、T、αn和h大小皆相等。
已知：地球表面的重力加速度为9.8m/s2，地球半径R=6.40x106m。
求：同步地球卫星的高度h。
例. 已知某行星半径为R，以第一宇宙速度围绕该行星运动的卫星的绕行周期为T，围绕该行星运动的同步卫星运行速率为v，则该行星的自转周期为 ( )
A
解析：第一颗卫星的速度为第一宇宙速度，则这颗卫星可以视为近地卫星，其轨道半径等于行星半径R，这两颗卫星是同一个中心天体，假设同步卫星的轨道半径为R1，使用开普勒第三定律得：
对同步卫星由圆周运动规律可知：
而同步卫星公转周期和行星的自传周期相等，所以答案为A。
同步卫星与近地卫星的比较
卫星如果想从轨道1转移到更高的轨道2或者3上运行，如何实现？
卫星如果想从轨道3转移到更低的轨道2或者1上运行，如何实现？
1
2
3
问题
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三、卫星变轨问题
无动力运行
匀速圆周运动
离心运动
向后点火加速
向前点火减速
近心运动
1.卫星的变轨原理
离心运动
离心运动
·
v2
v3
v4
v1
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
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)
2.轨道突变
⑴基本点
⑵过程
实例：轨道升高
增加能量
想一想：卫星在轨道I和轨道III上线速度谁大呢？
为什么明明加速了两次最终速度反而减小了呢？
A
B
Ι
II
III
⑶轨道相切点速度大小关系
⑷轨道相切点卫星加速度关系
内轨道速度小于外轨道速度（简称“外大内小”）
在该点加速度相同
实例：同步卫星的发射
(1)原因：稀薄的空气阻力。
(2)处理方法：每一圈都视为圆周运动
想一想：最终稳定在低轨道后速度比原来在高轨道速度谁大？
为什么会出现这种现象？
3.轨道渐变
⑶关键点：判断是离心运动还是近心运动（r是增加还是减小）
例 在完成各项既定任务后，“神舟九号”飞船于2012年6月29日时许返回地面，主着陆场位于内蒙古四子王旗地区。如图所示，飞船在返回地面时，要在P点从圆形轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ，Q为轨道Ⅱ上的一点，M为轨道Ⅰ上的另一点，关于“神舟九号”的运动，下列说法中正确的有 ( )
A.飞船在轨道Ⅱ上经过P的速度小于经过Q的速度
B.飞船在轨道Ⅱ上经过P的速度小于在轨道Ⅰ上经过M的速度
C.飞船在轨道Ⅱ上运动的周期大于在轨道Ⅰ上运动的周期
D.飞船在轨道Ⅱ上经过P的加速度小于在轨道Ⅰ上经过M的加速度
AB
在天体运动中，把两颗相距很近的恒星称为双星，这两颗星必须各自以一定的速率绕某一中心转动才不至于由于万有引力而吸在一起。
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四、双星问题
1.两星与旋转中心三点共线即：ω相同，T相同
3.r1+r2=L
2.向心力大小相等
分析：
动力学方程
对象m1：
对象m2：
又有 r1＋r2＝L ，整理得
两式相加，
①求（m1+m2） ②求T ③求L
双星运动的特点
出题点：
已知双星间距离为L，运动周期为T，求：
⑴点O的位置；
⑵v1+v2
(多选)2017年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。根据科学家们复原的过程，在两颗中子星合并前约100 s时，它们相距约400 km，绕二者连线上的某点每秒转动12圈。将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗中子星 (　　)
A．质量之积　　　　　 B．质量之和
C．速率之和 D．各自的自转角速度
BC
课堂评价
答案：BC
两种三星系统(三者质量相同)
O
0
a
O
r
L
三星系统
空间站
飞船
合适的地点、合适的时机
1.飞船先在比空间站低的轨道运行，运行到某位置时，加速后到一个椭圆轨道。
2.控制使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点。
3.此时空间站通过机械手臂“抱住”飞船，便可实现对接，如图示。
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五、空间对接
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课堂小结
一、宇宙速度
二、卫星运行问题
三、卫星变轨问题
四、双星问题
五、空间对接