6.5宇宙航行 课件 37张PPT

6.5宇宙航行
人教版 高中物理必修二
第六章万有引力与航天
一、卫星发射
发现万有引力定律之后,牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中提出了一个大胆的设想,如图所示,把物体从高山上水平抛出,速度一次比一次大,落地点就会一次比一次远;当抛出的速度足够大时,物体就不会落回地面,而是会环绕地球运动。
一、卫星发射
实际的卫星发射过程
简化的卫星发射过程
火箭发射 火箭发射过程中，除了受引力外，还受向前的火箭推力。
大炮发射 卫星离开大炮后飞行过程中，只受引力，完全凭借惯性进入轨道。
一、卫星发射
1.发射速度：在地面附近，给发射物体一初速度之后物体不再受到推力作用，凭借惯性进入运行轨道。发射物体在地面附近获得的初速度叫发射速度。
2.两种发射方法：
①竖直发射：卫星在火箭的推动下，在地面附近获得竖直向上的初速度，靠惯性上升到轨道处，然后自行调整速度方向进入运行轨道，绕地球做圆周运动。
一、卫星发射
②水平发射：卫星在火箭的短时间推动下，在地面附近获得水平初速度，绕地球做圆周运动或椭圆运动。
思考：满足怎样的条件时，做圆周运动？满足怎样的卫星做椭圆运动？
一、卫星发射
③实际发射：在大气层内火箭竖直向上升起，经最短的路程离开大气层，然后调整速度方向进入地面附近的停泊轨道；
在停泊轨道运行至适当的位置和时刻，加速进入转移轨道，当卫星运行到预定轨道时再次加速进入预定轨道绕地球运行。
停泊轨道
转移轨道
预定轨道
一、卫星发射

3.发射地点和发射方向的选择：
⑴尽可能在随地球自转速度较大的地方：即离地轴较远的地方，如：赤道或赤道附近的高原。
⑵发射的速度方向应顺着地球自转的方向。即由西向东方向发射。
由于地球在自传，卫星在发射前随地球自转时相对地心已经具有一定的初速度。为了节约能源，充分利用卫星发生前的初速度，实际卫星发射时应如何选择卫星的发射地点和发射方向？
二、宇宙速度
1.物体绕地球做圆周运动的向心力由什么提供?是否考虑太阳对它的引力?
2.牛顿有没有计算出水平抛出的物体需要多大的速度才能不再落回地面?
3.你能否推出物体绕地球表面飞行的速度?
解答:没有,因为在牛顿的时代,还没有人能测出引力常量,也没有测出地球的半径,所以无法进行计算。
解答:物体绕地球做圆周运动时,由地球对物体的万有引力提供向心力。这时太阳对物体的引力很小,可忽略不计,故可以不考虑太阳对它的引力。
二、宇宙速度
(2)物理意义：第一宇宙速度也叫做地面附近的环绕速度，是使人造卫星能绕地球做匀速圆周运动的最小发射速度；也是人造卫星绕地球做匀速圆周运动时的最大运行速度；也可理解为紧贴地面的运行速度。
二、宇宙速度
(2)v=7.9km/s的物理意义：
①如果卫星的发射速度小于第一宇宙速度，卫星将落在地面而不能绕地球运行；
②如果卫星的发射速度等于第一宇宙速度，卫星刚好能在地球表面附近做匀速圆周运动。
思考：当物体发射速度大于第一宇宙速度，物体将如何运动？
二、宇宙速度
2．第二宇宙速度(脱离速度)
(1)大小：
(2)物理意义：卫星脱离地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度。
注意：当发射速度大于7.9km/s而小于11.2km/s时，人造卫星绕地球运动轨迹为椭圆；当发射速度大于或等于11.2km/s时，卫星就会克服地球引力，永远离开地球。
二、宇宙速度
2．第三宇宙速度(逃逸速度)
(1)大小：v3＝16.7 km/s
(2)物理意义：卫星挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小发射速度。
注意：当发射速度大于11.2km/s而小于16.7km/s时，卫星绕太阳运动的轨迹为椭圆，它将成为一颗人造行星；当发射速度大于或等于16.7km/s时，卫星就会挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。
(多选)下列说法中正确的是(　　)。
A.第一宇宙速度是从地面上发射人造地球卫星的最小发射速度
B.第一宇宙速度是环绕地球做圆周运动的卫星的最大运行速度
C.第一宇宙速度是同步卫星的环绕速度
D.卫星从地面发射时的发射速度越大,则卫星距离地面的高度就越大,其环绕速度可能大于第一宇宙速度
AB
特别提醒：
①在涉及卫星运动的有关计算时，高中阶段均把卫星的运动看作匀速圆周运动。
②卫星的运行速度只决定轨道半径和地球的质量，与卫星的质量无关。半径越大，运行速度越小。
1.运行速度：卫星绕地球做匀速圆周运动时的线速度。
2.运行速度的计算和决定因素：
二、宇宙速度
3.发射速度与运行速度的关系：除近地卫星外，卫星发射后靠惯性上升的，由于上升过程中不断地克服地球引力做功，速度不断地减小。故卫星的发射速度一定大于运行速度，且卫星的轨道半径越大发射速度越大，运行速度越小。如图：
4.对近地卫星，r =R地时，卫星的发射速度等于运行速度，故：第一宇宙速度是卫星运行的最大速度，也是成功发射卫星的最小发射速度。
二、宇宙速度
三、人造卫星
1895年俄国齐奥尔科夫斯基在《天地幻想和全球引力效应》一文中首次提出制造人造卫星的设想。1957年,苏联将第一颗人造卫
星送入环绕轨道。六十多年来,经过不懈的
努力,人类探索太空的足迹已延伸到了太阳
系的边缘。
三、人造卫星
2.中国的第一颗卫星是什么时候发射的?中国的第一艘载人飞船是什么时候升空的?中国的玉兔号月球车踏上月球是什么时候?
解答:1970年4月24日中国发射第一颗人造卫星,2003年10月15日我国“神舟五号”第一次把杨利伟送上太空,2013年12月15日嫦娥三号着陆器与月球车分离,“玉兔号”月球车顺利驶抵月球表面。
解答:1957年10月4日苏联发射了人类第一颗卫星,1961年4月12日苏联发射了第一艘载人飞船,1969年7月20日美国宇航员阿姆斯特朗登上月球。
1.人类第一颗卫星是什么时候发射的?人类第一艘载人飞船是什么时候升空的?人类第一次登上月球是什么时候?
三、人造卫星
三、人造卫星
3.世界各国已经发射的卫星数以千计,请查阅资料,这些卫星按照轨道来分有哪些种类呢?按照用途来分,又有哪些种类?
解答:人造卫星按照运行轨道不同分为低轨道卫星、中高轨道卫星、地球同步卫星、太阳同步卫星、大椭圆轨道卫星和极轨道卫星等;按照用途划分,人造卫星又可分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星,应用卫星种类最多,数量最大,其中包括:通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、军用卫星等。
三、人造卫星
1.卫星的轨道
(1)卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道。
(2)卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心是椭圆的一个焦点，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。
(3)卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以地心必须是卫星圆轨道的圆心。
(4)三类人造地球卫星轨道：
A.赤道轨道：卫星轨道在赤道所在平面上，卫星始终处于赤道上方；
B.极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星经过两极上空；
C.一般轨道：卫星轨道和赤道成一定角度。如图所示。
三、人造卫星
2．人造卫星问题的分析思路
(1)卫星的动力学规律
由万有引力提供向心力:
高轨低速长周期
三、人造卫星
3.卫星中的超重与失重
①超重：发射时加速上升过程；返回大气层时减速降低过程。
②失重：卫星进入轨道后，卫星本身和其中的人、物都处于完全失重状态。
③卫星中失效的物理仪器：凡工作条件或原理与重力有关的仪器都不能使用。
三、人造卫星
4.1近地卫星
卫星的分类
▲概念：轨道在地球表面附近的卫星，轨道半径近似等于地球半径r=R；
▲受力：万有引力提供向心力，万有引力近似等于重力；
加速度：
线速度：
角速度：
周期：
近地卫星有最大速度和最小周期
三、人造卫星
4.2同步卫星
卫星的分类
▲特征：相对于地面静止，与地球转动具有相同的周期，如通信卫星；
▲轨道：同步卫星一定是赤道卫星，与赤道在一个平面内，轨道在赤道上空，永远处于一个定点，相对地面静止
▲解题关键：T=24h
▲受力特征：万有引力提供向心力
三、人造卫星
4.2同步卫星
卫星的分类
▲特点：①周期一定：它的运动周期等于地球自转的周期T＝24 h。
②角速度一定：同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度。
③轨道一定：所有同步卫星的轨道半径都相同，即同步卫星都在同一轨道上随地球做匀速圆周运动，其轨道离地面的高度约为3.59×104 km。
④环绕速度大小一定：所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是
一定的，约为3.08 km/s。
⑤向心加速度大小一定：所有同步卫星由于到地心距离相同，所以
它们绕地球运动的向心加速度大小都相同，约为0.23 m/s2。
定轨道
定高度
定周期
定速率
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,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=TCaB
A
三、人造卫星
三、人造卫星
四、卫星变轨
四、卫星变轨
1.当飞船加速时，所需向心力增大，万有引力不足以提供所需向心力，飞船将做离心运动，向高轨道变轨；
2.当飞船减速时，所需向心力减小，万有引力大于所需向心力，飞船将做近心运动，向低轨道变轨。
四、卫星变轨
(多选)如图所示,发射地球同步卫星时,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,将卫星送入同步轨道3。轨道1、2相切于Q点,轨道2、3相切于P点(如图所示)。则当卫星分别在
1、2、3轨道正常运行时,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上的角速度小于在轨道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点时的线速度小于它在轨道3上经过P点时的线速度
地球赤道上一物体随地球的自转做圆周运动，所需向心力为F1，向心加速度为a1，线速度为v1，角速度为ω1；在地面附近绕地球做圆周运动的卫星，所需向心力为F2，向心加速度为a2，线速度为v2，角速度为ω2；地球同步卫星做圆周运动所需向心力为F3，向心加速度为a3，线速度为v3，角速度为ω3。已知地球表面的重力加速度为g，第一宇宙速度为v，假设三者的质量相同，则有：( )
A、F1a3.
C、v1 ω3
AC
课后练习：有a、b、c、d四颗卫星,a还未发射,在地球赤道上随地球一起转动，b在地面附近近地轨道上正常运动，c是地球同步卫星，d是高空探测卫星，设地球自转周期为24 h，所有卫星的运动均视为匀速圆周运动,各卫星排列位置如图所示,则下列关于卫星的说法中正确的是(　　)
A．a的向心加速度等于重力加速度g
B．c在4 h内转过的圆心角为π/6
C．b在相同的时间内转过的弧长最长
D．d的运动周期可能是23 h
C
课后作业：
完成第六章第五节相关练习
预习第六章第六节相关知识