人教版高中物理 必修二 第六章 6．5宇宙航行（共43张PPT）

(共43张PPT)
5
宇宙航行
在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？
速度越大，
落地点离山脚越远。
假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？
V0
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，牛顿设想抛出物体的速度足够大时，物体就不会落回地面。
牛顿的设想
牛顿人造卫星原理图
一、人造卫星
1、水平抛出的物体，若速度足够大，就不会再落回地面，它将绕地球做匀速圆周运动，成为人造地球卫星。
笔记时间
2、由万有引力提供向心力，即地心是圆心。
赤道轨道
极地轨道
一般轨道
3、卫星的轨道可以在赤道平面内，也可以与赤道垂直，还可以与赤道成任意的夹角。但不可能与非赤道的纬线圈和经线圈重合。
笔记时间
（r
越大，T
越大）
（r
越大，v
越小）
（r
越大，ω越小）
可见：高轨低速长周期，低轨高速短周期
笔记时间
4、卫星运行速度、角速度、周期与半径的关系：
笔记时间
5、发射卫星(加速上升)和回收卫星(减速下降)时卫星处于超重状态；而在轨运行时处于完全失重状态，由于重力产生的一切现象均消失。
6、由于人造地球卫星的轨道半径有最小值，且rmin=R,则
rmin=R
高空空气稀薄，阻力小
【方法一】万有引力提供物体作圆周运动的向心力
【方法二】在地面附近，重力提供物体作圆周运动的向心力
那么，发射速度为多大时，物体将不会落回地面而绕着地球表面运动呢？
(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2
,
地球质量M=5.89×1024kg,
地球半径R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2
)
1、第一宇宙速度：
(环绕速度）物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度。
二、宇宙速度
（1）7.9km/s为卫星的最小发射速度。
向高轨道和近地轨道发射卫星，哪个难度大？需要的发射速度大？
（2）7.9km/s是卫星的最大运行速度。
高轨道卫星和近地轨道卫星相比，哪个运行速度大？
人造卫星
笔记时间
v2=11.2km/s
v3=16.7km/s
2、第二宇宙速度：
(脱离速度）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。
3、第三宇宙速度：
(逃逸速度）使卫星挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最小发射速度。
人造行星
人造恒星
笔记时间
P
V=7.9km/s
7.9km/sV>11.2km/S
探究:
若卫星的发射速度大于7.9km/s
，会怎样呢？
离开地球再也不回来
发射速度v
运动情况
v﹤7.9km/s
v=7.9km/s
7.9km/s
﹤
v
﹤11.2km/s
11.2km/s≤
v
﹤16.7km/s
16.7km/s
≤
v
落回地面
在地面附近绕地球做匀速圆周运动
绕地球做椭圆运动
物体绕太阳运动
物体飞出太阳系
（多选）关于地球的第一宇宙速度，正确的是(
)
A.它是人造地球卫星绕地球运行的最小速度
B.它是人造地球卫星在近地轨道运行的最大速度
C.它是人造地球卫星进入近地轨道的最小发射速度
D.根据人造卫星环绕地球运行的速度
，把卫星发射到越远的地方越容易
B
C
最大运行速度
轨道越高，消耗能量越多，所以越困难
（单选）如图，同一轨道平面内的三颗人造地球卫星，正确的是(　　)
A.
根据
，可知
vA
<
vB
<
vC
B.
根据万有引力定律，可知
FA
>
FB
>
FC
C.
角速度
wA
>
wB
>
wC
D.
向心加速度
aA
<
aB
<
aC
C
高轨低速长周期
卫星质量未知，所以无法判断
（多选）两颗人造卫星，质量比m1：m2=1：2，轨道半径之比R1：R2=3：1，不正确的是（?
）
A．周期之比T1：T2=3：1
B．线速度之比v1：v2=3：1
C．向心力之比为F1：F2=1：18
D．向心加速度之比a1：a2=1：9
A
B
三、同步卫星
1、
定义:所谓地球同步卫星，是相对于地面静止的和地球具有相同周期的卫星，同步卫星必须位于赤道平面内，且到地面的高度一定。
笔记时间
笔记时间
2、地球同步卫星的运行特征——五个“定”
①定轨道，其运行轨道平面在赤道平面内；
②定方向，即自西向东；
③定周期，即运行周期等于地球自转周期（24
h）
④定高度，即离地面高度一定（h=36000
km），
大约地球半径的6倍
⑤定角速度，与地面上的物体属于同轴传动。
笔记时间
同步卫星的应用：主要用于通信,所以有时也叫通信卫星。
3颗同步卫星可实现全球覆盖
为了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。
3、地球同步卫星是联系地面上的物体与天上的卫星的桥梁
A
B
C
A是地面上的物体
B是同步卫星
C是一般卫星
同轴传动
都是卫星
笔记时间
（单选）“神舟”十号飞船在圆轨道上运转一圈的时间为90分钟，由此他将“神舟”十号飞船与同步卫星进行比较，正确的是(
　　)
A．“神舟”
十号飞船运行的轨道和同步卫星的轨道是同一轨道
B．“神舟”
十号飞船运行的角速度大于同步卫星的角速度
C．“神舟”
十号飞船运行的向心加速度小于同步卫星的加速度
D．“神舟”
十号飞船在圆轨道上的速率小于同步卫星的速率
B
例2：
关于地球同步卫星，下列说法正确的是（
）
A.它的运行速度小于7.9km/s
B.它的运行速度大于7.9km/s
C.它的周期是24h，且轨道平面于赤道平面重合
D.每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样的
ACD
D
1
3
2
V
F引
F引＜F向
F引＞F向
M
A点速度—内小外大（在A点看轨迹）
在A点万有引力不变，变化的是向心力
A
四、变轨问题
1、
变轨：当卫星点火突然加速或者减速时，由于万有引力不再等于向心力，卫星将做近心运动或者离心运动，卫星将变轨。
①为了节省能量，在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到近地圆轨道Ⅰ上。
③在椭圆轨道Ⅱ上的Q
点(远地点)，由于万有引力大于向心力，故从Q点开始做近心运动，若再次点火加速可使万有引力等于向心力，使卫星进入圆形轨道Ⅲ做圆周运动。
2、
发射卫星——两次点火加速
②在
轨道Ⅰ上的P
点突然点火加速，由于速度变大，则需要的向心力也变大，故万有引力不足以提供在轨道Ⅰ上做圆周运动的向心力，卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ。
Ⅰ
P
Ⅱ
Q
Ⅲ
②卫星在圆形轨道Ⅲ上的Q点突然点火减速，使得万有引力大于向心力，卫星将沿着椭圆轨道Ⅱ做近心运动。
①卫星在圆形轨道Ⅲ做圆周运动。
3、
回收卫星——两次点火减速
③在椭圆轨道Ⅱ上的P
点(远地点)，由于万有引力小于向心力，故从P点开始做离心运动，若再次点火减速可使万有引力等于向心力，使卫星进入圆形轨道Ⅰ做圆周运动。
Ⅰ
P
Ⅱ
Q
Ⅲ
4、总结规律
Ⅰ
P
Ⅱ
Q
Ⅲ
①线速度
②周期
③加速度
椭圆：近快远慢
圆：利用
相切点：内小外大
无论是圆还是椭圆都用：
r1
r3
2r2
无论什么位置都用：
注意：不是向心加速度
例题、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点，2、3相切于Q点。当卫星分别在1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是（
）
A、在轨道3上的速率大于1上的速率
B、在轨道3上的角速度小于1上的角速度
C、在轨道2上经过Q点时的速率等于在轨道3
上经过Q点时的速率
D、在轨道1上经过P点时的加速度等于在轨道2
上经过P点时的加速度
Q
P
2
·
3
1
BD
月球
月球轨道
地球
地月转移轨道
点火加速
减速制动
月球探测卫星发射
2.
2007年10月24日“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆
轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧
，如图所示（
）
A.“嫦娥一号”由⑤到⑥需加速、由⑦到⑧需减速
B.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度
C.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关
D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比
E.在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力
①
②
③
近地变轨
轨道修正
转移轨道
④
⑤
⑥
⑦
⑧
发射
D
5、交会对接
后下方加速
前上方减速
5、交会对接
再加速
后方先减速变轨
例：在太空中有两飞行器a、b，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，a在前b在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想b
尽快追上a
并完成对接，b应采取的措施是（
）
A、沿运动方向喷气
B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气
C、沿运动反方向喷气
D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气
B
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