7.4 宇宙航行课件-2022-2023学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

7.4 宇宙航行 学习目标 1 宇宙速度 1.第一宇宙速度 (1)第一宇宙速度(环绕速度): (2)第一宇宙速度的推导 方法一:地球对卫星的万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力.G=m,v=当 h 增大时,v减小,所以在地球表面附近卫星的速度是它做圆周运动的最大速度. R >> h ,所以v==m/s=7.9km/s 方法二:在地面附近物体的重力近似等于地球对物体的万有引力,重力大小等于卫星做匀速圆周运动的向心力大小. mg=m。R> > h ,所以=m/s=7.9km/s v 1=7.9km/ s ,是人造地球卫星的最小发射速度,也是人造卫星绕地球做匀速圆周运动的最大速度. 思考:月球绕着地球转动要受到地球对它的吸引力,但是为什么月亮不会落到地面上来? 分析:由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转,此时月球受到的地球对它的万有引力全部提供绕地球运转的向心力,即=m=m()2r,故月球不会落到地面上来. 1 宇宙速度 (3)注意事项 1)宇宙速度均指发射速度,卫星的环绕速度一定不大于其发射速度. 2)第一宇宙速度的其他三种叫法:最小发射速度、最大环绕速度、近地绕行速度. 3)不同天体有各自的第一宇宙速度.如果卫星的发射速度小于第一宇宙速度,卫星将落回天体表面. 4)地球的第一宇宙速度是卫星绕地球做速圆周运动的最大速度.若卫星的发射速度等于这个速度,卫星刚好能在地球表面附近做匀速圆周运动. 1 宇宙速度 2.第二宇宙速度 (1)第二宇宙速度:v2=11.2 km / s ,是使卫星挣脱地球引力束缚的最小发射速度. (2)在地面附近发射飞行器,如果速度大于7.9 km / s ,而小于11.2 km / s ,它将沿椭圆轨道绕地球运行,地心就成为椭圆轨道的一个焦点.如果速度继续增大,达到或超过11.2 km / s 时(但需小于第三宇宙速度),它就会克服地球的引力,离开地球,成为绕太阳运动的一颗人造行星. 3.第三宇宙速度 第三宇宙速度:v3=16.7km/ s ,是使卫星挣脱太阳引力束缚而飞到太阳系外的最小发射速度. 第一、第二、第三宇宙速度的关系 1 宇宙速度 4.三种宇宙速度与运动情况的关系 (1)当 v < v 1时,被发射物体最终将落回地面; (2)当v1≤v<2时,被发射物体将绕地球运动,成为地球卫星; (3)当v2≤ v <v3,时,被发射物体将挣脱地球引力的束缚,成为环绕太阳运动的"人造行星"; (4)当 v ≥ v3 时,被发射物体将挣脱太阳引力的束缚,飞出太阳系. 2 人造地球卫星 1.人造地球卫星的概念 环绕地球在空间轨道上运行的无人航天器. 2.人造地球卫星的特点 人造卫星绕地球运行时,地球对卫星的万有引力提供其做圆周运动的向心力.由G=m得v=,其中 M 为地球质量,为人造卫星的轨道半径. 3.人造地球卫星的轨道 所有卫星都在以地心为圆心的圆轨道或以地心为一个焦点的椭圆轨道上,人造地球卫星的轨道一般有三种,如图所示。 (1)赤道轨道:卫星轨道在赤道平面内,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,卫星经过两极上空. (3)其他轨道:卫星轨道和赤道平面成一定角度(不为90度). 2 人造地球卫星 概念辨析:如图所示, A 、 B 、 C 、 D 四条轨道均能作为卫星轨道. 解析:卫星轨道为圆轨道时,圆心在中心天体的球心;卫星轨道为圆轨道时,椭圆的一个焦点在中心天体的球心.由图可知 D 轨道不符合实际. x 2 人造地球卫星 现学现卖:如图所示为人造地球卫星的轨道示意图, LEO 是近地轨道,MEO是中轨道,GEO是地球同步轨道, GTO 是地球同步转移轨道,已知地球的半径 R =6400km,该图中ME0轨道上卫星的周期约为?(图中数据为卫星近地点、远地点离地面的高度) A .3 h B .8 h C .15 h D .20h A 3 人造地球卫星的运行规律 (1)将各种卫星绕地球的运动都近似看成速圆周运动,轨道半径r= R + h ,R 为地球半径, h 为卫星距地面的高度,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如下 (1)由G=m得v=, h 越大,轨道半径越大,线速度越小. (2)由G=mω2(R+h)得,ω=,h 越大,轨道半径越大,角速 (3)由G=m 得T=, h 越大,轨道半径越大,周期越大。 (4)由 G=ma得a=, h 越大,轨道半径越大,向心加速度越小 3 人造地球卫星的运行规律 (2)结论: 卫星绕地球运行的线速度、角速度、周期及向心加速度与卫星质量无关.离地面越高(轨道半径越大)的卫星,向心加速度越小,运行速度(线速度、角速度)越小,周期越大,从地面发射时需要的初速度越大. 思考:既然卫星离地面越远,速率越小,为什么发射高空卫星反而不易