高一物理必修2第六章万有引力与航天第5节宇宙航行课件（共22张PPT）

(共22张PPT)
高一物理必修2
第六章万有引力与航天
第5节宇宙航行
包头市百灵庙中学
史殿斌
宇宙速度
1．关于发射卫星的问题，牛顿在思考万有引力定律时就曾想过，从高山上水平抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远。如果速度足够大，
物体就不再落回地面，它将绕地球运动，
成为人造地球卫星，如图所示。



2．现在我们就来计算，需要多大的速度物体才能不落回地球，而是像卫星一样绕地球做匀速圆周运动？
设地球的质量为M，绕地球做匀速圆周运动的飞行器的质量为m，飞行器的速度为v，它到地心的距离为r。飞行器所需的向心力是由万有引力提供，所以
GMm/r2=mv2/r，由此解出：v=
已知地球的质量M=5.98×1024kg，地球的半径r=6.4×106m，把数据代入算式可得：v=7.9km/s
3．物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，且v=7.9km/s，这个速度叫做第一宇宙速度。
（1）在地面附近发射飞行器，当抛出速度v满足7.9km/s＜v＜11.2km/s时，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当物体的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2km/s这个速度叫做第二宇宙速度。
（2）达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。在地面附近发射一个物体，当抛出速度
v满足11.2km/s≤v＜16.7km/s时，
物体将绕太阳在椭圆轨道上运行。
当抛出速度等于或大于16.7km/s时，
物体就能挣脱太阳引力的束缚，
飞到太阳系外。我们把16.7km/s这个
速度叫做第三宇宙速度。
人造卫星
1．人造卫星是绕地球做匀速圆周运动的飞行物体，地球对人造卫星的万有引力提供了人造卫星做匀速圆周运动的向心力，人造卫星的运动轨迹的
圆心是地心。
2．请大家看下面的几条卫星轨道，
试判断哪几条是可能的，哪几条是
不可能的？并总结卫星轨道的特点。












A

B

C

D

3.人造卫星的绕行线速度v、角速度ω、周期T、向心加速度an与半径r的关系
设地球的质量为M，绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的质量为m，它到地心的距离为r。已知地球的半径为R，地球表面的重力加速度为g。人造卫星所需的向心力是由万有引力提供，所以GMm/r2=mv2/r=mω2r=m4π2r/T2=man
因此可得：v= = ，ω= = ，
T= = ,an=GM/r2=gR2/r2
4.由以上表达式可知人造地球卫星绕行的线速度v、角速度ω、周期T、向心加速度an只与运行的轨道半径有关，随轨道半径的增大人造卫星的线速度v、角速度ω、向心加速度an都减小，周期T增大。可总结为：高轨低速大周期。当人造地球卫星运行的轨道半径等于地球的半径时，此时的半径最小，运行的速度最大（7.9km/s），周期最小（约84.3min）。
5．第一宇宙速度是人造地球卫星最大的环绕速度，同时也是最小的发射速度。

6．发射速度是在地面附近发射不落回地面的航天器的抛出速度。发射在地面附近绕地球运动的最小速度是第一宇宙速度。发射运行轨道越高的卫星，到达轨道之前需要克服重力的影响越大，在地面上具有的发射速度就越大；但运行轨道越高环绕速度越小。
7．中国已五次发射载人飞船。神舟系列卫星的成功发射和探月工程，标志着我国已成为航天大国。
同步地球卫星
1．地球同步卫星相对地面是静止不动的，其运转周期与地球的自转周期相同，且T=24h；
2．要与地球同步，卫星的轨道平面必须与赤道在同一平面内，即同步卫星一定在赤道正上方。
3．由于同步卫星的周期已确定，则同步卫星的轨道半径、线速度大小、角速度及向心加速度大小都是确定的。
4.例题：同步卫星是在地球的赤道上空圆形轨道围绕地球旋转，和地球同步，相对地面静止，若地球表面的重力加速度为g=9.8m/s2，地球半径为R=6400km，地球自转的周期为T=24h，求：
（1）同步卫星的圆轨道离地面的高度
（2）同步卫星在圆轨道上运行的速度
解：由GMm/(R+h)2=m4π2(R+h)/T2，h=3.6×107m
v=2π(R+h)/T=3.07km/s
5．发射同步卫星有两种方法：
（1）一种是直线发射，由火箭把卫星发射到36000km的赤道上空，然后做90°的转折飞行，使卫星进入同步轨道。
（2）另一种方法是变轨发射，即先把卫星发射到高度约为200km-300km的圆形轨道上，这条轨道叫停泊轨道。当卫星穿过赤道平面时，末级火箭点火工作，使卫星进入一条大的椭圆轨道，其远轨点恰好在赤道上空36000km处，这条轨道叫转移轨道。当卫星到达远地点时，再开动卫星上的发动机，使之进入同步轨道，也叫静止轨道。
（3）第一种发射方法，在整个发射过程中，火箭都处于动力飞行状态，要消耗大量的燃料，还必须在赤道上设置发射场，有一定的局限性，第二种发射方法，运载火箭消耗的燃料较少，发射场的位置也
不受限制。目前各国发射同步卫
星都用第二种方法，但这种方法
在操作和控制上都比较复杂。
6．宇航员在空间站中做物理实验，哪些仪器不能使用
物体在空间站中处于完全失重状态，所有靠重力产生效果的仪器都不使用了。例如：天平、水银气压计、单摆等，同样在空间站中也无法做液体的浮力实验。
7．人造卫星是人类的“千里眼”、“ 顺风耳”。
（1）卫星上的照相机和雷达等遥感设备，可以帮助人们看得更远、更深入。气象卫星、地球资源卫星、导航卫星、环境卫星和照相侦察卫星等，都具有“千里眼”的功能。
（2）卫星上的接收器和转发器可以帮助人们接收和转发信息，发挥“顺风耳”的作用。通讯卫星把相距遥远的两地联系起来，使边远地区进入信息网，尤其是静止通信卫星，为人类通信带来了极大的方便。静止通信卫星绕地球运行一周和地球自转一周的时间相等，在地球上观察，赤道上方与地球同步运行的通信卫星总是静止不动的。一颗静止通信卫星大约能供地球上1/3的区域通信，因此发射三颗等距分布在地球同步轨道上的静止通信卫星就几乎可以实现全球通信。我国在发射卫星方面的技术处于世界领先地位。
课堂训练
1.一颗质量为m的卫星在离地球表面一定高度的轨道上绕地球做圆周运动，若已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，卫星的向心加速度与地球表面的重力加速度大小之比为1：9，卫星的动能为（　　）
A．mgR/4 B．mgR/6
C．mg2R2/4 D．mgR2/6
B
2.人造地球卫星的轨道可能是圆，也可能是椭圆。关于在轨正常运行的这些卫星，说法正确的是（　　）
A．所有卫星的运行周期都小于1天
B．所有卫星在任何位置的速率都小于7.9km/s
C．部分卫星在某些位置的向心加速度大于地球表面的重力加速度
D．所有卫星半长轴（或轨道半径）的三次方与运行周期的二次方的比值是一个常数

D
3.如图所示，A是静止在赤道上的物体，随地球自转而做匀速圆周运动，B、C是同一平面内两颗人造卫星，B位于离地高度等于地球半径的圆形轨道上，C是地球同步卫星。已知第一宇宙速度为v，物体A和卫星B、C的线速度大小分别为vA、vB、vC，周期大小分别为TA、TB、
TC，则下列关系正确的是（　 ）
A.vA＝vC＝vB B.vA＜vC＜vB
C.TA＝TC＞TB D.TA＜TB＜TC
BC
4.我国“神舟”系列宇宙飞船成功发射并返回，是我国航天史上重要的里程碑。发射时，运载火箭将飞船送至轨道A做匀速圆周运动，如图所示，在P点时经一次飞船点火，进入轨道B，运动至Q点时，再次点火，进人轨道C做匀速圆周运动。
下列说法正确的是（　　）
A.飞船在轨道C运动的速率大于在轨道A运动的速率
B.飞船在轨道C运动的周期大于在轨道A运动的周期
C.飞船在轨道B经过Q点的加速度等于它在轨道C经过Q点的加速度
D.飞船在轨道A经过P点的加速度大于它在轨道B经过P点的加速度
BC
5.如图所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运动的三颗卫星，均逆时针绕地球转动，a和b质
量相等且大于c的质量，则（　 ）
A.a所需向心力最大
B.b、c的周期相同且小于a的周期
C.b、c的向心加速度大小相等，且小于a的向心加速度
D.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
AC
6.物体脱离星球引力所需要的最小速度称为第二宇宙速度，第二宇宙速度v2与第一宇宙速度v1的关系是v2＝ v1。已知某星球半径是地球半径R的1/2，其表面的重力加速度是地球表面重力加速度g的1/4，不计其他星球的影响，则该星球的第二宇宙速度为（　 ）
A． /2 B． /3 C． /6 D．
A
7.中国计划2020年左右建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统由5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星(离地高度约21000km)及其它轨道卫星共35颗组成。则（ ）
A.静止轨道卫星指相对地表静止，
其可定位在杭州正上空
B.中地球轨道卫星周期等于24小时
C.中地球轨道卫星比同步卫星速度更快
D.静止轨道卫星的发射速度小于第一宇宙速度
C