7.4宇宙航行 课件-浙江省舟山中学2020-2021学年高一物理人教版（2019）必修第二册

§7.4 宇宙航行 《万有引力与宇宙航行》 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 如图所示，在 1687 年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。你知道这个速度究竟有多大吗？ 【新课导入】 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 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，牛顿设想抛出速度很大时，物体就不会落回地面。 牛顿的设想 一.牛顿关于卫星的设想 平抛运动演示 让物体做平抛运动初速度逐渐增大 从高山上水平抛出物体，速度越大，落地点离山脚越远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗永远绕地球运动的人造卫星。 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? 方法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力 方法二：地表附近，重力近似等于万有引力 g=9.8m/s2，R=6400km，代入数据得： 由此可见：v=7.9km/s，这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，称为：第一宇宙速度。 地面附近发射飞行器，如果它的速度大于7.9km/s会怎样呢？ 二.宇宙速度【发射速度】 第一宇宙速度（7.9km/s）：航天器沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度，也叫环绕速度。是最小的发射速度，也是最大的绕行速度。 第二宇宙速度（11.2km/s）：当航天器超过第一宇宙速度达到一定值时，它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星，这个速度亦称脱离速度。 第三宇宙速度（16.7km/s）：从地球表面发射航天器，飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度，又称逃逸速度。 　　若你想从地面发射“嫦娥”探月航天器，其初始速度应该在哪个范围内？ 　　由于月球还未超出地球引力的范围，故其初始速度不小于10.848km/s即可。 三.人造地球卫星 思考：将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动，你能推出卫星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系吗？ 基本思路：将环绕地球运动的卫星视为做匀速圆周运动，由万有引力充当向心力： 运动规律 人造地球卫星运行的规律 卫星运动中的机械能： (1)只在万有引力作用下卫星绕中心天体做匀速圆周运动和沿椭圆轨道运动，机械能均守恒，这里的机械能包括卫星的动能和卫星(与中心天体)的引力势能． (2)质量相同的卫星，圆轨道半径越大，动能越小，势能越大，机械能越大． 例1.我国的量子科学实验卫星“墨子号”于2016年8月16日在酒泉成功发射，其升空后围绕地球的运动可视为匀速圆周运动，离地面的高度为500km。已知地球的质量约为6.0×1024kg，地球的半径约为6.4×103km，求“墨子号”运动的线速度大小和周期。 答案：v=7.6×103m/s T=5.7×103s 例2. (多选)三颗人造地球卫星A、B、C绕地球做匀速圆周运动，如图所示，已知mA＝mB＜mC，则对于三颗卫星，正确的是(　　) AB 极地轨道 一般轨道 赤道轨道 平面 地球 赤道平面 四.卫星的运行 所有卫星都在以地心为圆心的圆或椭圆轨道上 三类人造地球卫星轨道： ①赤道轨道，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方 ②极地轨道，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空 ③一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。 人造地球卫星的运行轨道 （1）近地卫星：轨道在地球表面附近的卫星，r=R =85min =7.9km/s 近地卫星 地球 R M m V g：地球表面的重力加速度 相对于地面静止的，和地球具有相同周期的卫星，T=24h，因为地球同步卫星主要用于通信等方面，故地球同步卫星又叫通信卫星 F1 F2 F3 同步卫星在赤道正上方（因为同步卫星相对地面某点的位置保持不变），所以轨道平面与赤道重合。 发射3颗等距分布的通信卫星几乎可以实现全球通信。 （2）地球同步卫星 定周期 T=24h 定高度 定轨道平面 =36000km 赤道平面 定位置 赤道上空高36000km的圆周上某点 定速度 =3.1km/s 同步卫星：始终相对于地面静止，随地球一起自转的卫星 同