人教版（2019）高一物理必修二第七章 7.4.宇宙航行课件（共37张PPT）

4　宇宙航行
第七章　万有引力与宇宙航行
1.会推导第一宇宙速度，知道三个宇宙速度的含义.
2.了解人造地球卫星的历史及现状，认识同步卫星的特点.
3.了解人类对太空的探索历程和我国载人航天工程的发展.
学习目标
梳理教材　夯实基础
探究重点　提升素养
随堂演练　逐点落实
内容索引
NEIRONGSUOYIN
梳理教材　夯实基础
01
1.牛顿的设想
如图1所示，把物体从高山上水平抛出，如果速度 ，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为 .
宇宙速度
一
图1
足够大
人造地球卫星
匀速圆周
万有
引力
mg
(3)三个宇宙速度及含义
?
数值
意义
第一宇
宙速度
km/s
物体在 绕地球做匀速圆周运动的速度
第二宇
宙速度
km/s
在地面附近发射飞行器使物体克服 引力，永远离开地球的最小地面发射速度
第三宇
宙速度
km/s
在地面附近发射飞行器使物体挣脱 引力束缚，飞到太阳系外的 地面发射速度
7.9
地面附近
11.2
地球
16.7
太阳
最小
人造地球卫星
二
1. 年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功. 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.为我国航天事业作出特殊贡献的科学家
被誉为“中国航天之父”.
2.地球同步卫星的特点
地球同步卫星位于 上方高度约 处，因 ，也称静止卫星.地球同步卫星与地球以 的角速度转动，周期与地球自转周期 .
1957
1970
钱学森
赤道
36 000 km
相对地面静止
相同
相同
1. 年苏联宇航员 进入东方一号载人飞船，铸就了人类首次进入太空的丰碑.
2.1969年，美国 飞船发射升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕.
3. 年10月15日9时，我国 宇宙飞船把中国第一位航天员 送入太空，截止到2017年底，我国已经将 名航天员送入太空，包括两名女航天员.
4. 年6月，神舟十号分别完成与 空间站的手动和自动交会对接；2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接.2017年4月20日，我国发射了货运飞船 ，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接及多项实验.
载人航天与太空探索
三
1961
加加林
阿波罗11号
2003
神舟五号
杨利伟
11
2013
天宫一号
天舟一号
即学即用
1.判断下列说法的正误.
(1)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9 km/s.(　　)
(2)人造地球卫星的最小绕行速度是7.9 km/s.(　　)
(3)我国向月球发射的“嫦娥二号”宇宙飞船在地面附近的发射速度要大于11.2 km/s.
(　　)
(4)在地面附近发射火星探测器的速度应为11.2 km/s(5)由v＝ ，高轨道卫星运行速度小，故发射高轨道卫星比发射低轨道卫星
更容易.(　　)
√
×
×
√
×
2.已知火星的半径为R，火星的质量为m火，引力常量为G，则火星的第一宇宙速度
为 .
探究重点　提升素养
02
三个宇宙速度
一
导学探究
不同天体的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的决定因素是什么？
知识深化
1.第一宇宙速度
(1)两个表达式
(2)含义
①近地卫星的圆轨道运行速度，大小为7.9 km/s，也是卫星圆轨道的最大运行速度.
②人造卫星的最小发射速度，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，需要更多能量.
2.第二宇宙速度
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/s.当发射速度7.9 km/s3.第三宇宙速度
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.
√
例2　(2019·湘潭一中期末)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，求该星球的第一宇宙速度.(物体只受星球的引力，忽略星球自转的影响)
人造地球卫星
二
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2所示.
图2
(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.
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.
3.同步卫星
(1)“同步”的含义就是和地面保持相对静止，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.
例3　(多选)“静止”在赤道上空的地球同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面，为天气预报提供准确、全面和及时的气象资料.设地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍，下列说法中正确的是
A.同步卫星距地面的高度是地球半径的(n－1)倍
√
√
解析　地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍，所以同步卫星距地面的高度是地球半径的(n－1)倍，A正确；
同步卫星与地球赤道上的物体具有相同的角速度，根据v＝rω知，同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转获得的速度的n倍，C错误；
例4　如图3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
√
同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较
三
例5　如图4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
图4
√
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
故可知vB>vC>vA，ωB>ωC＝ωA，TBaB>aC>aA.选项A正确，B、C、D错误.
总结
提升
2.同步卫星和赤道上物体都做周期和角速度相同的圆周运动.因此要通过v＝ωr，an＝ω2r比较两者的线速度和向心加速度的大小.
针对训练　(2018·四川凉山州木里中学高一下期中)如图5所示，A是地球赤道上随地球自转的物体，其向心加速度大小为a1，线速度大小为v1；B是绕地球做匀速圆周运动的近地卫星，其向心加速度大小为a2，线速度大小为v2；C是地球同步卫星，其轨道半径为r.已知地球半径为R，下列关于A、B的向心加速度和线速度的大小关系正确的是
图5
√
随堂演练　逐点落实
03
1.(对宇宙速度的理解)(多选)(2019·巴蜀中学期末)下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是
A.人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于或等于7.9 km/s、小于11.2 km/s
B.火星探测卫星的发射速度大于16.7 km/s
C.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的
　人造行星的最小发射速度
D.第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度
1
2
3
4
√
√
解析　根据v＝　　　可知，卫星的轨道半径r越大，即距离地面越远，卫星的环绕
速度越小，7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度，选项D正确；
实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项A错误；
火星探测卫星仍在太阳系内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选项B错误；
第二宇宙速度是使物体挣脱地球引力束缚而成为太阳的一颗人造行星的最小发射速度，选项C正确.
1
2
3
4
2.(对同步卫星的认识)(多选)(2019·海师附中期中)下列关于同步通信卫星的说法正确的是
A.各国发射的地球同步卫星的高度和速率都是相等的
B.同步通信卫星的角速度虽已确定，但高度和速率可以选择，高度增加，速率增
　大，高度降低，速率减小，仍同步
C.我国发射的第一颗人造地球卫星的周期是114 min，它的高度比同步卫星低
D.同步通信卫星的速率比我国发射的第一颗人造地球卫星速率小
1
2
3
4
√
√
√
3.(同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较)(多选)如图6所示，同步卫星与地心的距离为r，运行速率为v1，向心加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则下列关系式正确的是
1
2
3
4
√
√
图6
解析　地球同步卫星：轨道半径为r，运行速率为v1，向心加速度为a1；
地球赤道上的物体：轨道半径为R，随地球自转的向心加速度为a2；
以第一宇宙速度运行的卫星为近地卫星.
对于卫星，其共同特点是万有引力提供向心力，
1
2
3
4
4.(第一宇宙速度的计算)(2019·岷县一中期末)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？
1
2
3
4
答案　23.7 km/s
1
2
3
4
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.