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 想一想 牛顿猜想：抛出速度很大时，物体就不会落回地面，这个速度有多大？ 前面咱们学习过平抛运动，也就是说在地面上抛出一个物体，水平初速度越大，抛出的水平距离也就越远。如果水平速度足够大的话，物体呢就不会落回地面。 牛顿猜想，抛出速度很大时，物体就不会落回地面，这个速度有多大呢？ 2 嫦娥奔月 敦煌飞天的壁画 探究宇宙的奥秘，奔向遥远的太空。自古以来就是人类的梦想，怎样才能实现这一梦想呢？ 牛顿的手稿 <自然哲学的数学原理> 牛顿的设想---发射人造卫星原理 牛顿对发射人造卫星的构想： 从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落点也就一次比一次离山脚远。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，它将绕地球旋转成为一颗绕地球运动的人造地球卫星。 1 第一宇宙速度 牛顿的设想 第一宇宙速度 推导 简单认为卫星在地球表面附近（R=r）绕地球做匀速圆周运动： 方法一：飞行器运动所需的向心力是由地球对它的万有引力提供，即 方法二：黄金代换法   m v r 近地卫星在100-200km的高度飞行，与地球半径6400km相比，完全可以说是在“地面附近”飞行，可以用地球半径𝑅代表卫星到地心的距离𝑟。 6 第一宇宙速度 数值 已知地球质量或重力加速度g，算出v＝______，这就是物体在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度。 7.9km/s 7 第一宇宙速度 物理意义 （1）第一宇宙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； （2）第一宇宙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（ ）；也就是紧贴地面的运行速度。 别称：环绕速度。 “第一宇宙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” ，先在这里讲到，后面讲卫星的各种参数再详细讲。 最小发射速度？发射一颗卫星，发射的离地球越远越容易还是越近越容易呢？克服重力势能。 最大运行速度？轨道半径越大，运行速度就越小。动能转化为了重力势能。 8 建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动 基本思路：卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供。 G Mm r 2 =m v 2 r v= GM r 请同学们计算：已知地球半径R=6400km，地球质量M=6.0×1024kg，卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？ 宇宙速度 第一宇宙速度 即：卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度——第一宇宙速度 思考：如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度g，如何求宇宙第一速度v？ 由 第一宇宙速度的计算方法二： 则 思考：地面上的物体如何才能获得这么大的速度？ 由此可见：要发射一颗绕地球半径运行的人造卫星，发射速度必须等于7.9km/s 。所以宇宙第一速度是最小的发射速度。 所谓发射速度是指卫星在地面附近离开发射火箭的初速度。要发射一颗人造地球卫星，其发射速度就不能小于第一宇宙速度。 即：人造卫星的运动有何规律？ 可见：v、ω、T 与 r 为 一 一对应关系 高轨道上运行的卫星，线速度小、角速度小，周期长。 F V 思考：卫星运动的线速度、角速度和周期与轨道半径的关系呢？ 所以7.9km/s是最小发射速度，也是最大环绕（运行）速度。 发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹不是圆，而是椭圆。 等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。 运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。 思考：若发射速度大于7.9km/s，则人造卫星将如何运动？ 1.极地卫星 极地卫星运行时每圈都经过南北两极，由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖。 2.近地卫星 近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星，其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径。 3.同步卫星 卫星公转周期与地球自转周期相同的称为地球同步卫星 同步卫星的六个“一定” 对于靠近地面的卫星（近地卫星），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的最大环绕速度，叫做第一宇宙速度。 １.第一宇宙速度（环绕速度） 人造卫星的发射速度与运行速度 发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度，并且一旦发射就再也没有补充能量，被发射物仅依靠自身的初动能克服地球引力做功上升一定高度，进入运行