7.4 宇宙航行（共37张PPT）物理人教版（2019）必修第二册

(共37张PPT)
7.4 宇宙航行
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，人类一直都梦想飞往太空，那要怎样才能实现呢？
牛顿的设想
英国科学家牛顿(1643-1727)
在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想抛出速度足够大时，物体就不会落回地面。
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。
牛顿的设想
你知道这个速度究竟有多大吗？
思考：卫星需要多大速度才能绕地球做匀速圆周运动？又是什么力提供向心力呢？
卫星绕地球近似可以看做匀速圆周运动。
万有引力提供向心力。
物体做圆周运动的轨道半径为r、地球半径为R、物体距地面高度h。r=R+h
r
R
近地卫星距地面高度在100km--200km左右，远小于地球半径。
因为，R远大于h。r=R+h约等于R
代入得：
第一宇宙速度
F引
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：
一、宇宙速度
小结：如何计算第一宇宙速度
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——第一宇宙速度
地球对卫星的引力提供
卫星做匀速圆周运动
计算方法一：
则
地球表面重力提供
向心力
计算方法2：
则
贴着地球表面飞行，轨道半径r=地球半径R
地面附近发射飞行器，如果它的速度大于7.9km/s会怎样呢？
阅读书本P60面相关内容
一、宇宙速度
A
理论研究表明，在地面附近的A点，以速度v发射飞行器。
v
1
若：v=7.9km/s，飞行器沿圆形轨道1在地面附近绕地心匀速圆周运动。
2
若：11.2km/s>v>7.9km/s，飞行器沿轨道2(椭圆轨道)运动。
3
速度v越大，轨道的远地点离地球越远。
若：速度v=11.2km/s呢？
第一宇宙速度（环绕速度）
v
A
3
当速度v=11.2km/s，飞行器将沿轨道4（白色虚线）运动，只是这个椭圆轨道的远地点在离地球无限远处，飞行器将脱离地球引力束缚，永远离开地球。
第二宇宙速度（脱离速度）
2
1
当速度v=16.7km/s，飞行器将脱离太阳引力束缚，飞到太阳系以外。
4
第三宇宙速度（逃逸速度）
旅行者一号（飞出太阳系）
发射速度v 运动情况
v<7.9km/s 物体落回地面
v=7.9km/s 绕地球表面，匀速圆周
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
三个宇宙速度
“嫦娥五号”在月球最大的月海风暴洋北缘的吕姆克山附近登陆，采集到月球土壤样品后，于2020年12月17日成功带回地球供科学家研究。嫦娥五号从月球返回时，先绕月球做圆周运动，再变轨返回地球。已知地球与月球的半径之比为4:1，地球表面和月球表面的重力加速度之比为6:1，地球的第一宇宙速度为7.9km/s，则月球第一宇宙速度约为（　　）
A．1.6km/s B．6.4km/s C．7.9km/s D．38km/s
A
针对训练
二.人造地球卫星
思考：将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动，你能推出卫星环绕线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系吗？
二.人造地球卫星
思考：人造卫星绕地球运动时受到哪些力？又是哪些力提供向心力？
F引
地球对卫星的万有引力提供向心力
基本思路：将环绕地球运动的卫星视为做匀速圆周运动，由万有引力充当向心力：F引=Fn
运动规律
二.人造地球卫星
在地球表面忽略地球自转：
G=F引
R为地球半径
r为卫星转动半径
二.人造地球卫星
说明：
①
只适用卫星轨道为圆轨道
②
r增大
an减少
v减少
ω减少
T增大
高轨低速长周期
只适用卫星轨道为圆轨道，且仅由万有引力提供向心力
如图所示为地球的三个卫星，1、2在同一个轨道，3是同步卫星，问：v1、v2、v3大小关系如何？
2
1
3
4
若在赤道上有一物体4随地球一起转动问：v1、v2、v3、v4大小关系又如何？
v1=v2>v3
v1=v2>v3>v4
思考：向高轨道发射卫星与发射近地卫星相比,哪个需要的发射速度大？为什么？
注意：人造卫星的发射速度与环绕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
环绕速度 指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度
二.人造地球卫星
说明：
③高轨道发射速度大于低轨道发射速度，但环绕速度小于低轨道
卫星的r越大，需要的v发射越大，而v环绕越小
思考：想发射一颗卫星绕地球做匀速圆周运动，最小发射速度是多少？（提示：从卫星最小半径考虑）
第一宇宙速度（ V1=7.9km/s ）
最小发射速度
最大环绕速度
二.人造地球卫星
卫星的r越大，需要的v发射越大，而v环绕越小
1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功。
二、人造卫星
1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。
二.人造地球卫星
钱学森，世界著名科学家，空气动力学家，中国载人航天奠基人，“中国科制之父”和“火箭之王”，由于钱学森回国效力，中国导弹、原子弹的发射向前推进了至少20年。
曾任美国麻省理工学院和加州理工学院教授。1950年钱学森回国受阻，并受美国方面监禁，1955年，在毛泽东主席和周恩来总理的争取下回到中国。
中国航天之父
中国航天之父：钱学森（1911.12.11－2009.10.31）
. (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=mC，则对于三颗卫星，正确的是(　　 )
ABD
针对训练
针对训练
书本P64面第2题
人造卫星轨道
如图所示，A、B、C、D四条轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条？
A
B
C
D
根据：卫星做圆周运动的向心力必须指向地心
卫星运动轨道特点：
万有引力提供向心力，所以轨道平面一定经过地球中心，卫星围绕地球的中心做匀速圆周运动。
问题：卫星绕地球做匀速圆周？可以有哪些轨道？
注：所有卫星轨道一定过地心
1、近地卫星：指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。
三、人造地球卫星的分类
思考：近地卫星周期是多少？
思考：若地球质量M未知如何求？
=84.6min
思考：人造卫星的周期能否为24小时？
2.同步卫星：指相对于地面静止的人造卫星，它跟着地球做匀速圆周运动，周期T=24h
（1）所有的同步卫星只能分布在赤道正上方的一个确定轨道，即同步卫星轨道平面与赤道平面重合。
人造地球卫星的分类
三、人造地球卫星的分类
三、人造地球卫星的分类
思考：同步卫星离地面高度是多少？
h
R
2.同步卫星：
同步卫星轨道半径：r=
思考：若地球质量M未知如何求？
黄金代换：GM=gR2
≈6.6R
三、人造地球卫星的分类
思考：同步卫星速度多少？
h
R
2.同步卫星：
思考：为何小于第一宇宙速度？
高轨低速长周期
思考：每个国家发射的同步卫星是不是在同一个轨道？
在同一轨道，都在赤道平面内
（2）同步卫星的“六个一定”
②定轨道平面：赤道平面
①定周期：T=24h
⑤定位置:赤道上空高36000km的圆周上某点
③定轨道半径:r=6.6R
④定速率:v=3.08km/s
⑥定向心加速度:
三、人造地球卫星的分类
（3）同步卫星的用途：
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。
三、人造地球卫星的分类
针对训练
书本P71面B组第4题
1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108 min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类首次进入太空的丰碑。
四、载人航天与太空探索
1969年7月16日9时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月20日下午10时56分，指挥长阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。”
四、载人航天与太空探索
2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将11名(14人次)航天员送入太空，包括两名女航天员。
四、载人航天与太空探索
课堂小结
宇
宙
航
行
宇宙速度
第一宇宙速度（环绕速度）:
第二宇宙速度（脱离速度）:
第三宇宙速度（逃逸速度）:
v2=11.2km/s
v1=7.9km/s
v3=16.7km/s
同步卫星
第一宇宙速度物理意义
是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度
是在地面附近发射人造地球卫星的最小发射速度
是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的最大运行速度
定义：相对于地面静止的，跟地球自转同步的卫星，
同步卫星也叫通讯卫星。
特点：
①定周期；②定轨道平面； ③定高度；④定速度
人造地球卫星运行的规律