第六章 万有引力与航天6.5宇宙航行（共39张PPT）
文档属性
| 名称 | 第六章 万有引力与航天6.5宇宙航行（共39张PPT） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 6.4MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-05-13 19:14:16 | ||
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文档简介
(共39张PPT)
6.5宇宙航行
人教版高中物理必修2 第六章 万有引力与航天
目标导航
知识回顾
两条基本思路
1、万有引力等于重力
2、万有引力提供向心力
远古时代，人们就有梦想：飞向太空、奔向月球。
万有引力定律的发现，不仅解决了天上行星的运行问题，也为人们开辟了上天的理论之路。
地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里。——齐奥尔科夫斯基
导入新课
斯普特尼克一号(俄语:Спутник-1，又称"卫星一号"，俄语名原意"旅行者"，或按音译"史泼尼克")是第一颗进入地球轨道的人造卫星，是1957年10月4日前苏联在拜科努尔航天中心发射升空。
2003年10月15日，“神舟五号”飞船载着中国第一位航天员杨利伟成功升空，这标志着我国进入了载人航天时代．
牛顿设想的人造卫星原理图
一、人造卫星
牛顿曾设想, 从高山上用不同的水平速度抛出物体,速度一次比一次大,则落点一次比一次远,如不计空气的阻力,当速度足够大时, 物体就永远不会落到地面上来,而围绕地球旋转,成为一颗人造地球卫星，简称
人造卫星
1、牛顿的设想
2、动力学特点
一般情况下可认为人造卫星绕地球做匀速圆周运动，
其向心力由地球对它的万有引力提供．
问题：
速度为多大时，物体将不会落回地面而成为绕地球旋转的人造卫星呢？
v
r
R
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。
M
m
近地卫星在100~200km的高度飞行，与地球半径6400km相比，完全可以说是在“地面附近”飞行，
可以认为r 近似等于地球半R
即
代入数据，得
如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度 g，又如何求 v 呢？
v
r
R
M
m
推导方法二：地表附近，重力近似等于万有引力
问题：
v = 7.9 km/s，这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，
代入数据，得
称为第一宇宙速度。
二、宇宙速度
1、第一宇宙速度
即是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，
在地面附近发射飞行器，如果它的速度大于 7.9 km/s 会怎样呢？
问题：
二、宇宙速度
1、第一宇宙速度
即是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，
2. 第二宇宙速度：
当物体的速度大于或等于11.2 km/s时，卫星就会脱离地球的吸引，不再绕地球运行。我们把这个速度叫作第二宇宙速度。
3. 第三宇宙速度：
如果物体的速度大于或等于16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。这个速度叫第三宇宙速度。
(脱离速度)
（逃逸速度）
解析：星球表面的重力加速度：
该星球表面的第一宇宙速度为
第一宇宙速度为卫星在其表面附近做匀速圆周运动的线速度卫星的重力提供向心力，则：
例1.、某人在一星球上以速率 v 竖直上抛一物体,经时间 t 后,物体以速率 v 落回手中。已知该星球的半径为 R ,求该星球上的第一宇宙速度。
素养训练
素养训练
变式训练1-1 A 星球的第一宇宙速度为 9 km/s，已知 B 星球的质量是 A 星球质量的 1/81，A 星球半径是 B 星球半径的 4 倍，则在 B 星球上发射“近地卫星”的环绕速度约为多少？
解析：
1、卫星的运动轨道
2、卫星的种类：
所有卫星的轨道圆心都一定在地心．
三、人造卫星的运动规律
（1）按运行轨道分：
赤道轨道、极地轨道及其他轨道．
（2）按用途分：
侦察卫星、通讯卫星、导航卫星、气象卫星、地球资源勘测卫星、科学研究卫星、预警卫星和测地卫星等种类．
各种各样的卫星……
3、卫星运行速度、角速度、周期与半径的关系：
基本思路：卫星绕地球做匀速圆周运动万有引力（重力）提供向心力
（R为地球的半径，h为卫星距地面的高度）
则
即卫星的向心加速度即为卫星所在高度处的重力加速度
素养训练
例2、发射一颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星，如果它的轨道半径是地球半径的 4 倍，它的轨道速度是第一宇宙速度的多少倍？
解:万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力
设第一宇宙速度为 v1，卫星的轨道速度为 v2
得
根据牛顿第二定律，得
由题意，知
该人造卫星的轨道半径是近地卫星的4倍
变式训练2-1 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
素养训练
难点突破
人造卫星的发射速度与运行速度
★运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度,根据 可知,卫星越高轨道半径越大,卫星运行速度(环绕速度)就越小。
则近地卫星的运行速度是最大运行速度
（1）即第一宇宙速度是最小发射速度，是最大运行速度。
★发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度,并且一旦发射就再也没有补充能量,被发射物仅依靠自身的初动能克服地球引力上升一定高度,进入运行轨道.所以卫星越高,发射速度越大.
近地卫星
注意：
（2）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。
v发射
v运行
四、地球同步卫星
1. 地球同步卫星：相对于地面静止的人造卫星，
它跟地球自转同步地做匀速圆周运动，
同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上 ，
即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合
即转动周期与地球自转周期相同
T ＝ 24 h
例3. 求同步卫星离地面高度。
h
设卫星离地面的高度为h
代入数据，得
即 h=5.6R
2、同步卫星的特点：
（2）定周期：同步卫星与地球自转同步，周期为24 h，
（5）定速率：所有同步卫星的线速度大小相同；
（3）定轨道平面：同步卫星的运行轨道与地球的赤道平面共面；
（4）定高度：在赤道正上空确定高度 h=5.6R；
即所有同步卫星具有相同的周期、角速度；
h
（6）定地点：同步卫星在赤道正上方、相对地面静止。
（1）定运行方向：同步卫星的运行方向与地球的自转方向一致．
1.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只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。
2.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。
拓展
三颗同步卫星作为通讯卫星，则可覆盖全球
例4、如图所示，A为地面上的待发射卫星，B为近地圆轨道卫星，C为地球同步卫星.三颗卫星质量相同，三颗卫星的线速度大小分别为vA、vB、vC，角速度大小分别为ωA、ωB、ωC，周期分别为TA、TB、TC，向心加速度分别为aA、aB、aC，则 （ ）
A.ωA＝ωC<ωB
B.TA＝TC C.vA＝vC D.aA＝aC>aB
“赤道上物体”“同步卫星”和“近地卫星”的比较
解析 同步卫星与地球自转同步，故TA＝TC，ωA＝ωC，
由v＝ωr及a＝ω2r 得 vC>vA，aC>aA
得vB>vC，ωB>ωC，TBaC.
故可知 vB>vC>vA，ωB>ωC＝ωA，
TBaC>aA.
选项A正确，B、C、D错误.
√
五.梦想成真
探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。
嫦娥奔月
敦煌飞天的壁画
世界公认为“真正的航天始祖”
14世纪末期，万户两手各持一大风筝，将自己绑在一把特制的座椅上，座椅背后装有47支当时最大的火箭。他试图借助火箭的推力和风筝的气动升力来实现"升空"的理想。
美国国家航空航天局曾将月球表面的一个环形山命名为“万户”
五.梦想成真
多级火箭
“火箭之父”
------齐奥尔科夫斯基
五.梦想成真
五、梦想成真
1957年10月4日，原苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星。卫星重83.6kg，每96min绕地球飞行一圈。
世界航天史
1961年4月12日苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。实现了人类第一次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。
火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108分，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。
1969年7月16日，阿波罗11号将人类送上了月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他在月球上迈出了一小步，确是人类迈出的一大步。
五.梦想成真
1967年1月，美国，格里索姆、查菲和怀特3名美国宇航员在卡纳维尔角进行阿波罗1号飞船模拟发射时，因飞船失火而丧生。
阿波罗1号残骸
阿波罗1号残骸
但在2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在重返地面的过程中突然发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航员全部遇难。（其中有6名美国人、1名以色列人）
1986年1月28日，美国挑战者号航天飞机升空后爆炸，七名宇航员遇难。
1975年，返回式遥感卫星，中国第一颗返回式卫星，用于对地观测，运行三天后按计划返回地面；中国是第三个掌握卫星回收技术的国家。
1970年， “东方红”1号，中国第一颗人造卫星。中国是第五个能自行发射卫星的国家。
中国航天史
风云一号
风云二号
中国首颗气象卫星；中国是第三个独立研制并发射太阳同步轨道卫星的国家。
通信卫星
1984年，试验通信卫星：“东方红”2号，标志着中国是世界上第5个能发射地球静止轨道卫星的国家。
五.梦想成真
飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场．这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。
1992年，中国载人航天工程正式启动。
2003年10月15日9时，我国“神舟”五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送人太空。
2005年10月12号，我国神州6号载人飞船发射升空，把费俊龙、聂海胜进入太空。
五.梦想成真
中国航天史
翟志刚、刘伯明、景海鹏
2008年9月25日神舟七号
中国航天史
五.梦想成真
一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之迷！
相信通过同学们努力学习，一定会为我国的航天事业贡献一份力量！
让我们为祖国的强盛而骄傲！
中国航天史
五.梦想成真
课堂小结
一、宇宙速度
1、第一宇宙速度：v=7.9km/s（最大的环绕速度和最小的发射速度）
2、第二宇宙速度： v =11.2km/s 脱离地球的速度
3、第三宇宙速度： v =16.7km/s 脱离太阳的速度
二、人造卫星的运行规律
（5）定线速度大小
（1）定轨道平面
（4）定高度
（3）定周期、角速度
（6）定地点
（2）定运行方向
三、同步卫星
基本思路：卫星绕地球做匀速圆周运动万有引力（重力）提供向心力
下课！
6.5宇宙航行
人教版高中物理必修2 第六章 万有引力与航天
目标导航
知识回顾
两条基本思路
1、万有引力等于重力
2、万有引力提供向心力
远古时代，人们就有梦想：飞向太空、奔向月球。
万有引力定律的发现，不仅解决了天上行星的运行问题，也为人们开辟了上天的理论之路。
地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里。——齐奥尔科夫斯基
导入新课
斯普特尼克一号(俄语:Спутник-1，又称"卫星一号"，俄语名原意"旅行者"，或按音译"史泼尼克")是第一颗进入地球轨道的人造卫星，是1957年10月4日前苏联在拜科努尔航天中心发射升空。
2003年10月15日，“神舟五号”飞船载着中国第一位航天员杨利伟成功升空，这标志着我国进入了载人航天时代．
牛顿设想的人造卫星原理图
一、人造卫星
牛顿曾设想, 从高山上用不同的水平速度抛出物体,速度一次比一次大,则落点一次比一次远,如不计空气的阻力,当速度足够大时, 物体就永远不会落到地面上来,而围绕地球旋转,成为一颗人造地球卫星，简称
人造卫星
1、牛顿的设想
2、动力学特点
一般情况下可认为人造卫星绕地球做匀速圆周运动，
其向心力由地球对它的万有引力提供．
问题：
速度为多大时，物体将不会落回地面而成为绕地球旋转的人造卫星呢？
v
r
R
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。
M
m
近地卫星在100~200km的高度飞行，与地球半径6400km相比，完全可以说是在“地面附近”飞行，
可以认为r 近似等于地球半R
即
代入数据，得
如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度 g，又如何求 v 呢？
v
r
R
M
m
推导方法二：地表附近，重力近似等于万有引力
问题：
v = 7.9 km/s，这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，
代入数据，得
称为第一宇宙速度。
二、宇宙速度
1、第一宇宙速度
即是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，
在地面附近发射飞行器，如果它的速度大于 7.9 km/s 会怎样呢？
问题：
二、宇宙速度
1、第一宇宙速度
即是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，
2. 第二宇宙速度：
当物体的速度大于或等于11.2 km/s时，卫星就会脱离地球的吸引，不再绕地球运行。我们把这个速度叫作第二宇宙速度。
3. 第三宇宙速度：
如果物体的速度大于或等于16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。这个速度叫第三宇宙速度。
(脱离速度)
（逃逸速度）
解析：星球表面的重力加速度：
该星球表面的第一宇宙速度为
第一宇宙速度为卫星在其表面附近做匀速圆周运动的线速度卫星的重力提供向心力，则：
例1.、某人在一星球上以速率 v 竖直上抛一物体,经时间 t 后,物体以速率 v 落回手中。已知该星球的半径为 R ,求该星球上的第一宇宙速度。
素养训练
素养训练
变式训练1-1 A 星球的第一宇宙速度为 9 km/s，已知 B 星球的质量是 A 星球质量的 1/81，A 星球半径是 B 星球半径的 4 倍，则在 B 星球上发射“近地卫星”的环绕速度约为多少？
解析：
1、卫星的运动轨道
2、卫星的种类：
所有卫星的轨道圆心都一定在地心．
三、人造卫星的运动规律
（1）按运行轨道分：
赤道轨道、极地轨道及其他轨道．
（2）按用途分：
侦察卫星、通讯卫星、导航卫星、气象卫星、地球资源勘测卫星、科学研究卫星、预警卫星和测地卫星等种类．
各种各样的卫星……
3、卫星运行速度、角速度、周期与半径的关系：
基本思路：卫星绕地球做匀速圆周运动万有引力（重力）提供向心力
（R为地球的半径，h为卫星距地面的高度）
则
即卫星的向心加速度即为卫星所在高度处的重力加速度
素养训练
例2、发射一颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星，如果它的轨道半径是地球半径的 4 倍，它的轨道速度是第一宇宙速度的多少倍？
解:万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力
设第一宇宙速度为 v1，卫星的轨道速度为 v2
得
根据牛顿第二定律，得
由题意，知
该人造卫星的轨道半径是近地卫星的4倍
变式训练2-1 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
素养训练
难点突破
人造卫星的发射速度与运行速度
★运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度,根据 可知,卫星越高轨道半径越大,卫星运行速度(环绕速度)就越小。
则近地卫星的运行速度是最大运行速度
（1）即第一宇宙速度是最小发射速度，是最大运行速度。
★发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度,并且一旦发射就再也没有补充能量,被发射物仅依靠自身的初动能克服地球引力上升一定高度,进入运行轨道.所以卫星越高,发射速度越大.
近地卫星
注意：
（2）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。
v发射
v运行
四、地球同步卫星
1. 地球同步卫星：相对于地面静止的人造卫星，
它跟地球自转同步地做匀速圆周运动，
同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上 ，
即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合
即转动周期与地球自转周期相同
T ＝ 24 h
例3. 求同步卫星离地面高度。
h
设卫星离地面的高度为h
代入数据，得
即 h=5.6R
2、同步卫星的特点：
（2）定周期：同步卫星与地球自转同步，周期为24 h，
（5）定速率：所有同步卫星的线速度大小相同；
（3）定轨道平面：同步卫星的运行轨道与地球的赤道平面共面；
（4）定高度：在赤道正上空确定高度 h=5.6R；
即所有同步卫星具有相同的周期、角速度；
h
（6）定地点：同步卫星在赤道正上方、相对地面静止。
（1）定运行方向：同步卫星的运行方向与地球的自转方向一致．
1.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只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。
2.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。
拓展
三颗同步卫星作为通讯卫星，则可覆盖全球
例4、如图所示，A为地面上的待发射卫星，B为近地圆轨道卫星，C为地球同步卫星.三颗卫星质量相同，三颗卫星的线速度大小分别为vA、vB、vC，角速度大小分别为ωA、ωB、ωC，周期分别为TA、TB、TC，向心加速度分别为aA、aB、aC，则 （ ）
A.ωA＝ωC<ωB
B.TA＝TC
“赤道上物体”“同步卫星”和“近地卫星”的比较
解析 同步卫星与地球自转同步，故TA＝TC，ωA＝ωC，
由v＝ωr及a＝ω2r 得 vC>vA，aC>aA
得vB>vC，ωB>ωC，TB
故可知 vB>vC>vA，ωB>ωC＝ωA，
TB
选项A正确，B、C、D错误.
√
五.梦想成真
探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。
嫦娥奔月
敦煌飞天的壁画
世界公认为“真正的航天始祖”
14世纪末期，万户两手各持一大风筝，将自己绑在一把特制的座椅上，座椅背后装有47支当时最大的火箭。他试图借助火箭的推力和风筝的气动升力来实现"升空"的理想。
美国国家航空航天局曾将月球表面的一个环形山命名为“万户”
五.梦想成真
多级火箭
“火箭之父”
------齐奥尔科夫斯基
五.梦想成真
五、梦想成真
1957年10月4日，原苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星。卫星重83.6kg，每96min绕地球飞行一圈。
世界航天史
1961年4月12日苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。实现了人类第一次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。
火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108分，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。
1969年7月16日，阿波罗11号将人类送上了月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他在月球上迈出了一小步，确是人类迈出的一大步。
五.梦想成真
1967年1月，美国，格里索姆、查菲和怀特3名美国宇航员在卡纳维尔角进行阿波罗1号飞船模拟发射时，因飞船失火而丧生。
阿波罗1号残骸
阿波罗1号残骸
但在2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在重返地面的过程中突然发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航员全部遇难。（其中有6名美国人、1名以色列人）
1986年1月28日，美国挑战者号航天飞机升空后爆炸，七名宇航员遇难。
1975年，返回式遥感卫星，中国第一颗返回式卫星，用于对地观测，运行三天后按计划返回地面；中国是第三个掌握卫星回收技术的国家。
1970年， “东方红”1号，中国第一颗人造卫星。中国是第五个能自行发射卫星的国家。
中国航天史
风云一号
风云二号
中国首颗气象卫星；中国是第三个独立研制并发射太阳同步轨道卫星的国家。
通信卫星
1984年，试验通信卫星：“东方红”2号，标志着中国是世界上第5个能发射地球静止轨道卫星的国家。
五.梦想成真
飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场．这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。
1992年，中国载人航天工程正式启动。
2003年10月15日9时，我国“神舟”五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送人太空。
2005年10月12号，我国神州6号载人飞船发射升空，把费俊龙、聂海胜进入太空。
五.梦想成真
中国航天史
翟志刚、刘伯明、景海鹏
2008年9月25日神舟七号
中国航天史
五.梦想成真
一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之迷！
相信通过同学们努力学习，一定会为我国的航天事业贡献一份力量！
让我们为祖国的强盛而骄傲！
中国航天史
五.梦想成真
课堂小结
一、宇宙速度
1、第一宇宙速度：v=7.9km/s（最大的环绕速度和最小的发射速度）
2、第二宇宙速度： v =11.2km/s 脱离地球的速度
3、第三宇宙速度： v =16.7km/s 脱离太阳的速度
二、人造卫星的运行规律
（5）定线速度大小
（1）定轨道平面
（4）定高度
（3）定周期、角速度
（6）定地点
（2）定运行方向
三、同步卫星
基本思路：卫星绕地球做匀速圆周运动万有引力（重力）提供向心力
下课！