7.4 宇宙航行—人教版（2019）高中物理必修第二册课件(共30张PPT)

(共30张PPT)
第4节　宇宙航行
【学习目标】
1．了解人造卫星的有关知识；
2．知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度；
3.理解卫星的运行速度与轨道半径的关系；
4.了解地球同步卫星的规律
【新课教学】
嫦娥奔月
飞天梦想
梦想成真
H
v0
思考1：以平抛为例，生活经验告诉给我们哪些启示？
1.由于受到地球的吸引，最终都要落回地球
2.做平抛运动的物体，抛出的水平速度越大，飞行的水平距离越远。
思考2：地球是个球体，如果抛出速度很大时，我们还能将地面看作平面吗？如果速度继续一直增大，会出现什么情况呢？
牛顿的设想：
问题：假设卫星绕地球表面做匀速圆周运动，那么，在地面发射卫星需要的最小速度为多大呢？
方法一：物体做圆周运动的向心力由地球对万有力提供
方法二：忽略地球的自转，重力近似等于万有引力
最小的发射速度的理解：第一宇宙速度是根据地球表面的万有引力等于向心力求出的。若速度小于第一宇宙速度，则需要的向心力小．提供的向心力大于需要的向心力，物体最终要落回地球，因此卫星的发射速度要大于第一宇宙速度。
最大的环绕速度的原因：卫星要环绕地球做圆周运动，万有引力必须等于向心力，因此半径越大，卫星环绕地球做圆周运动的线速度小。
思考3：第一宇宙速度是最小的发射速度？还是最大的发射速度？
思考4：第一宇宙速度是最小的环绕速度？还是最大的环绕速度？
思考5：若卫星的发射速度大于
7.9km/s
，会出现什么情况？
运行轨迹不是圆而是椭圆
一、第一宇宙速度：（环绕速度）
（1）概念：是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的速度．（v＝7.9
km/s）
（2）推导
（3
）第一宇宙速度是最小的发射速度，最大的环绕速度
二、第二宇宙速度（脱离速度）
在地面附近发射飞行器，使之能够克服地球的引力，永远离开地球所需的最小发射速度，其大小为11.2
km/ss.当发射速度7.9km/skm/s时，物体绕地球运行的轨迹是椭圆，且在轨道不同点速度一般不同.
三、第三宇宙速度（逃逸速度）
在地面附近发射飞行器，使之能够挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最小发射速度，其大小为16.7
km/s大小.
√
例1.我国发射了一颗绕月运动的探月卫星“嫦娥一号”。设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面。已知月球的质量约为地球质量的
，月球的半径约为地球半径的
，地球的第一宇宙速度约为7.9km/s，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为。
A.0.4km/s
B.1.8km/s
C.11km/s
D.
36km/s
解析：由
得，
将数据代入得1.8km/s，故B正确。
人造地球卫星
四
1.人造地球卫星
(1)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步轨道)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任意角度，如图所示.
(2)因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球做圆周运动的向心力，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心.
思考6：质量为m的卫星，绕质量为M的天体做匀速圆周运动，则它的线速度v与轨道半径r的关系？
思路：物体做圆周运动的向心力由地球对万有力提供
归纳小结：
轨道半径r越大，线速度v越小
轨道半径r越大，线速度w越小
轨道半径r越大，线速度a越小
轨道半径r越大，线速度T越大
越高越慢
2.近地卫星
(2)7.9
km/s和85
min分别是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大线速度和最小周期.
(1)v1＝7.9
km/s；T≈85
min.
如今，人们的通信手段越来越多样，加强了世界的联系。要保证稳定通畅的通讯，需要同步卫星进行信号的传递！
手机等便携设备的导航定位功能已经非常全面，要实现精确的导航，同步卫星发挥了极大的作用
3.同步卫星
(1)“同步”的含义就是和地面保持相对静止，它在轨道上跟着地球自西向东同步地做匀速圆周运动。所以其周期等于地球自转周期.
(2)特点
①定周期：所有同步卫星周期均为T＝24
h.
②定轨道：同步卫星轨道必须在地球赤道的正上方，运转方向必须跟地球自转方向一致，即由西向东.
④定速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此线速度、角速度大小均不变.
⑤定加速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此向心加速度大小也不变.
③定高度：由
可得，同步卫星离地面高度为
例2　如图所示，中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统.其中有静止轨道同步卫星和中地球轨道卫星.已知中地球轨道卫星的轨道高度为5
000～15
000
km，则下列说法正确的是
A.中地球轨道卫星的线速度小于静止轨道同步卫星的线速度
B.上述两种卫星的运行速度可能大于7.9
km/s
C.中地球轨道卫星绕地球一圈的时间小于24小时
D.静止轨道同步卫星可以定位于北京的上空
图3
√
例3　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，向心加速度大小分别为aA、aB、aC，则
A.ωA＝ωC<ωB
B.TA＝TCC.vA＝vCD.aA＝aC>aB
√
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
对同步卫星和近地卫星，
，知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.
例4.已知某星球的质量是地球质量的81倍，半径是地球半径的9倍.已知地球的第一宇宙速度为7.9
km/s，则在该星球上发射一颗人造卫星，其发射人造卫星的速度最小是多少？
答案　23.7
km/s
解析　设地球质量为M1，半径为R1；该星球的质量为M2，半径为R2
则在该星球上发射人造卫星的速度至少为：v2＝3v1＝23.7
km/s.
由万有引力提供向心力得
，则
故地球和该星球的第一宇宙速度之比
五、载从航天与宇宙探索
1957
年
10
月
4
日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功
1961
年
4月
12
日，前苏联首先成功发射载人航天飞船——“东方一号”，尤里.加加林成为进入太空的第一人
1969
年
7
月
16
日
，美国阿波罗11号飞船第一次成功完成登月任务，阿姆斯特朗成为了首次踏上月球的人
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，开创了中国航天史的新纪元。
2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功
2003年10月15日神州五号杨利伟
2005年10月12日神州六费俊龙
、聂海胜
2008年9月25日神州七号翟志刚、刘伯明、景海鹏
【小结】
第一宇宙速度
卫星的分类
定义
计算
同步卫星
近地卫星