(共16张PPT)
5 宇宙航行
6 宇宙航行
一、牛顿的猜想
想一想:物体初速度达到多大时就可以成为一颗人造卫星呢?
做匀速圆周运动的卫星的速度 如何推算？
卫星离地心越远，它运行的速度越小。
二、宇宙速度
这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的最小发射速度，叫做第一宇宙速度。
想一想：还有其他算法吗？
因为
所以v=
思考与讨论
如图所示，m1>m2=m3 >m4 ，试比较四颗绕地球做匀速圆周运动的卫星的线速度、角速度、周期及加速度的大小关系。
答案：
小结：越远越慢
1、第一宇宙速度： (环绕速度）
V1=7.9km/s
地球
11.2km/s>v>7.9km/s
2、第二宇宙速度： (脱离速度)
V2=11.2km/s
V3=16.7km/s
3、第三宇宙速度：（逃逸速度）
→人造行星
人造卫星
三、梦想成真
同步卫星的特点有哪些？
1.同步卫星的运行方向与地球自转方向一致。
2.同步卫星的运转周期与地球自转周期相同。（T=24h）
3.同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度。(ω=ω0)
4.同步卫星的轨道平面均在赤道平面上，即所有的同步卫星都在赤道的正上方。
5.同步卫星高度固定不变
3颗同步卫星可实现全球覆盖
1.同步卫星主要用于通讯。要实现全球通讯，只需三颗同步卫星即可。
2.为了同步卫星之间不互相干扰，大约3°左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星最多能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。
【巩固训练】关于地球同步卫星，下列说法正确的是( )
A．它的周期与地球自转周期相同
B．它的周期、高度、速度大小都是一定的
C．我国发射的同步通讯卫星可以定点在北京上空
D．我国发射的同步通讯卫星必须定点在赤道上空
ABD
2.我国自行研制的风云一号、风云二号气象卫星运行的轨道是不同的。风云一号是极地圆形轨道卫星。其轨道平面与赤道平面垂直，周期是12h；风云二号 是地球同步卫星。两颗卫星相比 离地面较高； 观察范围较大； 运行速度较大。若某天上午8点风云一号正好通过某城市的上空，那么下一次它通过该城市上空的时刻是 。
风云二号
风云一号
风云一号
当日按晚上8点
(共11张PPT)
6 宇宙航行
牛顿的猜想
问题：牛顿实验中，物体至少要以多大的速度发射，才能在地面附近绕地球做匀速圆周运动？地球半径约为6400km。
在地面附近绕地球运行，轨道半径即为地球半径。由万有引力提供向心力：
由于万有引力近似等于物体的重力，得：
联立得 ：
代入数据得 v=7.9km/s
结论： 如果发射速度小于7.9km/s，物体将落到地面，而不能成为一颗卫星；发射速度等于7.9km/s，它将在地面附近作匀速圆周运动；要发射一颗半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于7.9km/s。我们把这个速度称为第一宇宙速度。
1.第一宇宙速度
一．宇宙速度
第一宇宙速度的三层含义：
（1）它是人造卫星的最小发射速度；
（2）它是在地面附近环绕地球作匀速圆周运
动的卫星的环绕速度；
（3）它是所有人造卫星中的最大环绕速度。
2．第二宇宙速度：
意义：使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。
注意：发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s时，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆；等于或大于11.2km/s时，卫星就会挣脱地球的引力，不再绕地球运行。
2．第二宇宙速度：
意义：使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。
注意：发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s时，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆；等于或大于11.2km/s时，卫星就会挣脱地球的引力，不再绕地球运行。
3．第三宇宙速度：
意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。
注意：发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳做椭圆运动，成为一颗人造行星。如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。
4.人造卫星的发射速度与运行速度的区别
（1）发射速度：
发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。
（2）运行速度：
运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。
二．天体运动的线速度、角速度、周期及 加速度与半径之间的关系
三．同步卫星
1.周期一定：T=24h；
2.角速度一定；
3.向心加速度大小一定；
4.与赤道平面共面；
5.离地面的高度是确定的。
课堂小结
一、宇宙速度
二、天体运动的线速度、角速度、周期
及加速度与半径之间的关系
三、同步卫星
学案设计
第六章 万有引力与航天
5 宇宙航行
学习目标
1.会推导第一宇宙速度,知道第二宇宙速度和第三宇宙速度.
2.了解人造卫星的有关知识,知道近地卫星、同步卫星的特点.
3.培养学生探究问题的热情,乐于学习的品质.
自主探究
1.牛顿关于发射人造地球卫星的构想:地球对周围的物体有 的作用,因而抛出的物体要 .但是抛出的初速度越大,物体就会飞得越 .当速度足够大时,物体就不会落回地面,将围绕地球运转,成为一颗绕地球运动的 .?
2.物体在地面附近绕地球做 的速度,叫做第一宇宙速度.?
3.在地面附近发射物体,当物体的速度等于或大于 km/s,它就会克服 的引力,永远离开地球,成为太阳的人造行星,这时的发射速度叫做第二宇宙速度.?
4.在地面附近发射物体,当物体的速度等于或大于 km/s,它就会挣脱 的束缚,飞到太阳系以外,成为人造小恒星,这时的发射速度叫做第三宇宙速度.?
5.1957年10月4日,世界上第一颗人造地球卫星在 发射成功,卫星质量83.6kg,卫星绕地球运行周期为 .1969年7月20日,人类成功登上月球.2003年10月15日,我国成功发射神舟五号载人飞船,把中国第一位航天员 送入太空.?
合作探究
一、牛顿的猜想
二、宇宙速度
1.第一宇宙速度
推导:
【想一想】有没有其他方法推导地球的第一宇宙速度?
人造卫星绕地球做匀速圆周运动,则万有引力提供向心力,即:F万=F向,公式为 =ma= = = ;?
①a= ,可见随着轨道半径增大,卫星的向心加速度减小,向心力减小;?
②ω= ,随着轨道半径的增大,卫星的角速度 ;?
③T= ,随着轨道半径的增大,卫星绕地球运行的周期 ,近地卫星的周期约为84.6min,其他卫星的周期都大于这个数值;?
④v= ,随着轨道半径的增大,卫星线速度 ;?
近地卫星:轨道半径等于地球的半径,它的运行速度是 ,也是卫星的 环绕速度.?
2.第二宇宙速度
3.第三宇宙速度
三、梦想成真
同步卫星的特点:
课堂检测
1.据媒体报道,嫦娥一号卫星环月工作轨道为圆轨道,轨道高度200km,运行周期127分钟.若还知道引力常量和月球平均半径,仅利用以上条件不能求出的是( )
A.月球表面的重力加速度 B.月球对卫星的吸引力
C.卫星绕月球运行的速度 D.卫星绕月球运行的加速度
2.1990年4月25日,科学家将哈勃天文望远镜送上距地球表面约600km的高空,使得人类对宇宙中星体的观测与研究有了极大的进展.假设哈勃望远镜沿圆轨道绕地球运行.已知地球半径为6.4×106m,利用地球同步卫星与地球表面的距离为3.6×107m这一事实可得到哈勃望远镜绕地球运行的周期.以下数据中最接近其运行周期的是( )
A.0.6小时 B.1.6小时 C.4.0小时 D.24小时
3.火星的质量和半径分别约为地球的,地球表面的重力加速度为g,则火星表面的重力加速度约为( )
A.0.2g B.0.4g C.2.5g D.5g
4.“嫦娥一号奔月”示意图如图所示,卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨,进入地月转移轨道,最终被月球引力捕获,成为绕月卫星,并开展对月球的探测,下列说法正确的是( )
A.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度
B.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关
C.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的二次方成反比
D.在绕月轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力
5.现有两颗绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星A和B,它们的轨道半径分别为rA和rB.如果rAA.卫星A的运行周期比卫星B的运行周期大
B.卫星A的线速度比卫星B的线速度大
C.卫星A的角速度比卫星B的角速度大
D.卫星A的加速度比卫星B的加速度大
6.假设太阳系中天体的密度不变,天体直径和天体之间距离都缩小到原来的一半,地球绕太阳公转近似为匀速圆周运动,则下列物理量变化正确的是( )
A.地球的向心力变为缩小前的一半
B.地球的向心力变为缩小前的
C.地球绕太阳公转周期与缩小前的相同
D.地球绕太阳公转周期变为缩小前的一半
7.天文学家发现了某恒星有一颗行星在圆形轨道上绕其运动,并测出了行星的轨道半径和运行周期.由此可推算出( )
A.行星的质量 B.行星的半径 C.恒星的质量 D.恒星的半径
8.据报道,在太阳系外发现了首颗“宜居”行星,其质量约为地球质量的6.4倍,一个在地球表面重力为600N的人在这个行星表面的重力将变为960N,由此可推知该行星的半径与地球半径之比约为( )
A.0.5 B.2 C.3.2 D.4
9.2007年4月24日,欧洲科学家宣布在太阳之外发现了一颗可能适合人类居住的类地行星Gliese581c.这颗围绕红矮星Gliese581运行的星球有类似地球的温度,表面可能有液态水存在,距离地球约为20光年,直径约为地球的1.5倍,质量约为地球的5倍,绕红矮星Gliese581运行的周期约为13天.假设有一艘宇宙飞船飞临该星球表面附近轨道,下列说法正确的是( )
A.飞船在Gliese581c表面附近运行的周期约为13天
B.飞船在Gliese581c表面附近运行时的速度大于7.9km/s
C.人在Gliese581c上所受重力比在地球上所受重力大
D.Gliese581c的平均密度比地球平均密度小
10.我国绕月探测工程的预先研究和工程实施已取得重要进展.设地球、月球的质量分别为m1、m2,半径分别为R1、R2,人造地球卫星的第一宇宙速度为v,对应的环绕周期为T,则环绕月球表面附近圆轨道飞行的探测器的速度和周期分别为( )
A.v,T B.v,T
C.v,T D.v,T
11.1990年5月,紫金山天文台将他们发现的第2752号小行星命名为吴健雄星,该小行星的半径为16km.若将此小行星和地球均看成质量分布均匀的球体,小行星密度与地球相同.已知地球半径R=6400km,地球表面重力加速度为g.这个小行星表面的重力加速度为( )
A.400g B.g C.20g D.g
12.若人造卫星绕地球做匀速圆周运动,则下列说法正确的是( )
A.卫星的轨道半径越大,它的运行速度越大
B.卫星的轨道半径越大,它的运行速度越小
C.卫星的质量一定时,轨道半径越大,它需要的向心力越大
D.卫星的质量一定时,轨道半径越大,它需要的向心力越小
参考答案
【巩固训练】
v1=v3>v2=v4 ω1=ω3>ω2=ω4 T1=T3a2=a4
1.ABD 2.风云二号 风云一号 风云一号 当天晚上8点
自主探究
1.万有引力 落回地面 远 人造卫星
2.匀速圆周
3.11.2 地球
4.16.7 太阳
5.苏联 96min 杨利伟
合作探究
二、宇宙速度
1.第一宇宙速度:
推导:因为,所以v==7.9km/s
想一想:因为=mg,mg=,所以v=
mω2r
① ② 减小 ③ 增大 ④ 减小
最小的发射速度 最大
2.第二宇宙速度:使物体挣脱地球引力的束缚,不再绕地球运行,从地面发射所需的最小速度叫作第二宇宙速度.当物体的发射速度7.9km/s3.第三宇宙速度:使物体挣脱太阳引力的束缚而飞离太阳系,从地面发射所需的最小速度叫作第三宇宙速度.16.7km/s.当物体的发射速度11.2km/s三、梦想成真
同步卫星的特点:
1.同步卫星的运行方向与地球自转方向一致.
2.同步卫星的运转周期与地球自转周期相同.(T=24h)
3.同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度.(ω=ω0)
4.同步卫星的轨道平面均在赤道平面上,即所有的同步卫星都在赤道的正上方.
5.同步卫星高度固定不变.
课堂检测
1.B 2.B 3.B 4.C 5.A 6.BC 7.C 8.B 9.BC 10.A 11.B 12.BD
