人教版物理高中必修二 6.5-宇宙航行(75张PPT)

(共75张PPT)
宇宙航行
嫦娥奔月
敦煌飞天的壁画
万户飞天
外国人的
“飞天”梦
飞天之梦的历史
地面上抛出的物体,由于受到地球引力的作用,最终都要落回到地面。
问题情境
一、牛顿关于卫星的设想
一、牛顿关于卫星的设想
1、物体做平抛运动时,水平速度越大，飞行的水平距离越远。
2.若抛出物体的水平初速度足够大,物体将会怎样?试大胆猜想。
由于地球是一个圆球,当平抛的水平初速度足够大时,物体飞行的距离也很大,
故物体不能再落回地面,而成为一颗绕地球运转的卫星.
A
B
C
O
V0
D
问题:
问题情境
思考:
以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运动的卫星?
推导方法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力
g=9.8m/s2，R=6400km，代入数据得：
推导方法二：地表附近，重力近似等于万有引力
二、宇宙速度
把7.9km/s这个速度称作第一宇宙速度。
如果发射速度等于第一宇宙速度，卫星刚好贴着地球表面作匀速圆周运动，所以又叫环绕速度。
如果发射速度如小于第一宇宙速度,卫星将落到地面;
所以，
第一宇宙速度是
发射地球卫星的最小发射速度。
1、第一宇宙速度：
(环绕速度）
V1=7.9km/s
地球
11.2km/s>v>7.9km/s
2、第二宇宙速度：　　　
　　(脱离速度)
V2=11.2km/s
V3=16.7km/s
3、第三宇宙速度：（逃逸速度）
→人造行星
二、宇宙速度
火星探测器大体上以多大的速度从地球上发射？
提示：火星探测器绕火星运动，脱离了地球的束缚，但没有挣脱太阳的束缚，因此它的发射速度应在第二宇宙速度与第三宇宙速度之间，即
11.2
km/skm/s.
表征人造卫星运行状态的物理量:
环绕速度v,
转动半径r
(或R+h,h为离地的高度)
转动周期T.
将卫星绕地球运动近似看成匀速圆周运动，则卫星环绕线速度、角速度、周期、
向心加速度与轨道半径的关系?
三、人造地球卫星运行的规律
依据：F引=F向
思考：卫星的轨道圆心在哪儿？
分析：所有卫星的圆心都在地心上。
“高轨低速长周期”
3、卫星的运行规律
极地轨道
一般轨道
赤道轨道
所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上
平面
立体
赤道平面
人造地球卫星的轨道
(1)如图所示，a、b、c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条？
提示：卫星作圆周运动的向心力必须指向地心
(2)这三条轨道中哪一条轨道中的卫星可能和地球自转同步？
a
b
c
同步卫星
三.人造地球卫星和宇宙速度
1.卫星绕行速度、角速度、周期与半径的关系：
（r越大，T越大）
（r越大，v越小）
（r越大，ω越小）
越高越慢
2、两颗人造地球卫星质量之比m1∶m2=1∶2,轨道半径之比R1∶R2=3∶1，下列有关数据之比正确的是(
)
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F1∶F2=1∶9
D、向心加速度之比a1∶a2=1∶9
1、人造地球卫星的轨道半径越大，则(
)
A、速度越小，周期越小
B、速度越小，加速度越小
C、加速度越小,周期越大
D、角速度越小,加速度越大
BC
D
答案A
科学家们推测，太阳系的第9大行星就在地球的轨道上，从地球上看，他永远在太阳的背面，人类一直未能发现它，可以说是“隐居”着的地球的“孪生兄弟”。由以上信息我们可以推知
A
这颗行星的公转周期与地球相等
B
这颗行星的自转周期与地球相等
C
这颗行星的质量与地球相等
D
这颗行星的密度与地球相等
答案
ACD
一群小行星在同一轨道上绕太阳旋转，这些小行星具有
A
相同的速率
B
相同的加速度
C
相同的运转周期
D
相同的角速度
答案:BD
若人造卫星绕地球做匀速圆周运动，则下列说法正确的是(
)
A.卫星的轨道半径越大，它的运行速度越大
B.卫星的轨道半径越大，它的运行速度越小
C.卫星的质量一定时，轨道半径越大，它需要的向心力越大
D.卫星的质量一定时，轨道半径越大，它需要的向心力越小
【例题】人造卫星的天线偶然折断，天线将做：
A.自由落体运动
B.平抛运动
C.远离地球飞向太空
D.继续和卫星一起沿轨道运转
【答案】
D
土星外层上有一个环。为了判断它是土星的一部分还是土星的卫星群，可以测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系来判断：
(
)
A．若v∝R，则该层是土星的一部分
B．若v2∝R，则该层是土星的卫星群
C．若v∝１／R，则该层是土星的一部分
D．若v2∝１／R，则该层是土星的卫星群
答案：AD
高轨道上运行的的卫星速度小，是否发射也容易呢？这个就是看卫星的发射速度（抛射速度），而不是运行速度？
对于靠近地面的卫星，可以认为此时的
r
近似等于地球半径R，把r用地球半径R代入，可以求出：
这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的最低发射速度，也是最大的运行速度，也叫做第一宇宙速度。
【问题】近地面的卫星的速度是多少呢？
2003年10月15日，神州五号载人宇宙飞船发射升空把中国第一位航天员杨利伟送入太空
2007年9月24日，“嫦娥一号”探月卫星发射升空，实现了中华民族千年奔月的梦想
2008年9月27日，“神州七号”载人飞船实现了我国首次太空出舱的梦想
【例题】金星的半径是地球的0.95倍，质量为地球的0.82倍，金星的第一宇宙速度是多大?
【解】设地球半径为R，金星的半径为r=0.95R，地球质量为m，金星质量m’=0.82m，地球的第一宇宙速度为7.9km/s。金星的第一宇宙速度为v1，则：
2、发射一颗绕地球做圆周运动的人造卫星,如果它的轨道半径是地球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圆周运动的向心力根据牛顿第二定律有
整理得
设第一宇宙速度为
,卫星的轨道速度为
同学们再算算，近地卫星的周期又是多少呢？
我们能否发射一颗周期为50min的卫星呢？
不能！！
⑴什么是地球同步卫星？
——所谓地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星，它的周期与地球自转的周期相同。T＝24h。
3.同步卫星
F向=
F引
F向
F引
F引
⑵地球同步卫星满足的条件
①所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上。
②所有的同步卫星的轨道高度为一个定值。
代入数据得：h=3.6×107(m)
3.同步卫星
地球同步卫星的运行特征
可概括为四个一定
①定轨道平面,其运行轨道平面在赤道平面内；
②定周期,即运行周期等于地球自转周期（24
h）
③定高度，即离地面高度一定（h=36000
km）
④定速度，即运行速度一定（v≈3.1km/s）
3、同步卫星的应用：主要用于通信
3颗同步卫星可实现全球覆盖
所以也叫通信卫星
【说明】
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。
h=3.6×107m
r=4.2×107m
v=3km/s
T=24h
h=3.8×108m
r≈3.8×108m
v=1km/s
T=27天
h≈0
r=6.4×106m
v=7.9km/s
T=84分钟
同步卫星
近地卫星
月球
近地卫星、同步卫星、月球三者比较
延伸：受力情况及动力学规律：
近地卫星和同步卫星在绕地球运行时都只受到地球的引力，提供其做匀速圆周运动的向心力；在赤道上的物体受到地球的引力和地面的支持力（其大小等于物体的重力），两个力的合力提供向心力，不适用卫星的规律公式。
解析：由题目可以后出“天链一号卫星”是地球同步卫星，运行速度要小于7.9,而他的位置在赤道上空，高度一定，A错B对。由可知，C对。由可知，D错。
答案：BC
1．据报道，我国数据中继卫星“天链一号01星”于2008年4月25日在西昌卫星发射中心发射升空，经过4次变轨控制后，于5月1日成功定点在东经77赤道上空的同步轨道。关于成功定点后的“天链一号01星”，下列说法正确的是
A.运行速度大于7.9
km/s
B.离地面高度一定，相对地面静止
C.绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大
D.向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等
BD
3．下列关于地球同步卫星的说法中正确的是：
A、为避免通讯卫星在轨道上相撞，应使它们运行在不同的轨道上
B、通讯卫星定点在地球赤道上空某处，所有通讯卫星的周期都是24h
C、不同国家发射通讯卫星的地点不同，这些卫星的轨道不一定在同一平面上
D、不同通讯卫星运行的线速度大小是相同的，加速度的大小也是相同的。
答案：CD
【例题】可以发射这样的一颗人造卫星，使其圆轨道（
）
A.
与地球表面上某一纬线（不包括赤道）是共面同心圆。
B.
与地球表面上某一经线（不包括赤道）是共面同心圆。
C.
与地球表面上赤道线是共面同心圆，卫星相对地面是静止的。
D.
与地球表面上赤道线是共面同心圆，卫星相对地面是运动的。
飞向太空
(1)人造卫星在发射升空时，有一段加速运动；在返回地面时，有一段减速运动，这两个过程加速度方向均向上，因而都是超重状态．
人造卫星的超重与失重
(2)人造卫星在沿圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力,所以处于完全失重状态，在这种情况下凡是与重力有关的力学现象都会停止发生，
因此，在卫星上的仪器，凡是制造原理与重力有关的均不能使用．同理，与重力有关的实验也将无法进行．
关于人造地球卫星及其中物体的超重、失重问题，下列说法中错误的是(　　)
A．在发射过程中向上加速时产生超重现象
B．在降落过程中向下减速时产生超重现象
C．进入轨道做匀速圆周运动，产生失重现象
D．失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的
答案D
(1)卫星、飞船做圆周运动
(2)卫星、飞船做椭圆运动
开普勒第二定律讨论卫星、飞船在同一椭圆轨道上不同位置的线速度大小，
开普勒第三定律讨论卫星、飞船在不同椭圆轨道上运动的周期大小，
(3)判断卫星由圆轨道进入椭圆轨道或由椭圆轨道进入圆轨道时的速度大小如何变化时，可根据离心运动或近心运动的条件进行分析．
宇宙飞船在轨道上运行，地面指挥人员发现某一火箭残体的轨道与飞船轨道有一交点，于是通知宇航员飞船有可能与火箭残体相遇，宇航员随即开动飞船上的发动机使飞船加速，脱离原轨道．最终在新轨道上稳定运行．关于飞船在此过程中的运动，下列说法正确的是(　　)
A．飞船高度降低
B．飞船高度升高
C．飞船周期变小
D．飞船的向心加速度变大
【答案】　B
某次发射同步卫星的过程如下：先将卫星发射至近地圆轨道1，然后再次点火进入椭圆形的过渡轨道2，最后将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，2、3相切于P点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,以下说法正确的是(　　)
A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1
上的速率
B．卫星在轨道3上的角速度大于在轨
道1上的角速度
C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度
D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度
【答案】　D
探测器绕月球做匀速圆周运动，变轨后在周期较小的轨道上仍做匀速圆周运动，则变轨后与变轨前相比(　　)
A．轨道半径变　B．向心加速度变小
C．线速度变小
D．角速度变小
双
星
模
型
众多的天体中如果有两颗恒星，它们靠得较近，在万有引力作用下绕着中间的某一点共同转动，这样的两颗恒星称为双星.
如图所示为质量分别是m1和m2的两颗相距较近的恒星.它们间的距离为L.此双星问题的特点是：
双星问题
(1)两星的运行轨道为同心圆；
(2)两星的运动半径之和等于它们间的距离，即r1＋r2＝L；
双星问题
【答案】　A
【名师归纳】　众多的天体中如果有两颗恒星，它们靠得
较近，在万有引力作用下绕着中间的某一点共同转动，这样的两颗恒星称为双星.如图所示为质量分别是m1和m2的两颗相距较近的恒星.它们间的距离为L.此双星问题的特点是：
(1)两星的运行轨道为同心圆；
(2)两星的运动半径之和等于它们间的距离，即r1＋r2＝L；
中星6号
中星6号卫星(ChinaSat-6)是公司拥有的通信广播卫星，采用东方红3号平台，有中国空间技术研究院自行研制生产，于1997年5月12日由长征3号甲运载火箭在西昌卫星发射中心发射成功并定点于东经125度地球同步轨道。星上拥有24个C频段转发器。波束覆盖中国全境，主服务区覆盖中国大陆及台湾和海南岛，第二服务区覆盖东沙、中沙、西沙等岛屿。
中星6号卫星现为邮电干线通信、专用卫星通信、临时电视节目、全国无线寻呼、会议电视、数据广播等提供传输服务。
人类航天始祖----万户
人类航天的始祖是我国明朝的万户。在15世纪的我国明朝早期，一位名叫“万户”的官员，在一把椅子的背后装上47支火箭。当然，那是当时能买到的最大的火箭。他自己坐在椅子上，并用绳子绑紧。两手则各拿一个大风筝。然后他要仆人将47支火箭同时点燃，想借用火箭的力量把他推向空中。这是美国人罗伯特·吉姆在1945年出版的《火箭与喷射》一书中的叙述。英国、德国和前苏联的一些火箭专家，在他们的著作中也提到或引用了这件事。可见，万户是世界上公认的“第一个尝试利用火箭进行飞行的人”。为表彰他的功绩，国际天文联合会将月球上的一座环形山命名为“万户”。
快速侦测卫星
海洋资源卫星
阿姆斯特朗：“我的一小步，人类的一大步”
飞行中打开舱盖进行实验
阿波罗登月飞船释放登月舱
国际空间站的首批乘员