7.4宇宙航行 课件 -2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

第七章 万有引力与宇宙航行 第4节 宇宙航行 【学习目标】 1、会推导第一宇宙速度。 2、知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。 3、会比较同步卫星、近地卫星和赤道上物体的运动特征。 假想人站在山顶，平抛出一个物体，速度越大，物体飞的越远，若物体速度非常大可能会有什么情况？ 当物体被抛出的速度足够大时，它将围绕地球旋转而不再落回地面，成为一颗人造地球卫星。 【思考与讨论】 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？ 一、宇宙速度 物体在地球附近绕地球运动时，将问题简化之后，物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动。 设地球的质量为M，物体的质量为m，速度为v，它到地心的距离为r。 基本思路：万有引力提供物体运动所需的向心力 一、宇宙速度 只要知道地球的质量M和物体做圆周运动的轨道半径r，就可以求出物体绕行速度的大小。 已知地球的质量，可以近似用地球半径R代替物体到地心的距离r，算出 =7.9km/s 这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。 一、宇宙速度 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时，可近似认为向心力是由重力提供的。 mg=m 解出 v= 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。 在地面附近发射飞行器，如果速度等于 7.9 km/s，这一飞行器只能围绕地球做圆周运动，还不能脱离地球引力的束缚，飞离地球实现星际航行。 第一宇宙速度v1=7.9km/s 一、宇宙速度 理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大于 7.9 km/s，又小于 11.2 km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于 11.2 km/s 时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把 11.2 km/s叫作第二宇宙速度。 第二宇宙速度v2=11.2km/s 一、宇宙速度 达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于 16.7 km/s， 这个速度叫作第三宇宙速度。 第三宇宙速度v3=16.7km/s 一、宇宙速度 注意： 宇宙速度都是针对发射速度；以上三个宇宙速度都是地球 上的宇宙速度，不同中心天体三个宇宙速度也不相同。 一、宇宙速度 总结： 发射速度v 运动情况 v<7.9km/s v=7.9km/s 7.9km/s<v<11.2km/s 11.2km/s≤v<16.7km/s v16.7km/s 物体落回地面 物体在地面附近做匀速圆周运动 物体绕地球运动，轨迹为椭圆 物体绕太阳运动 物体飞出太阳系 人造地球卫星绕地球转动，万有引力提供向心力，卫星受到地球的引力方向指向地心，而做圆周运动的向心力方向始终指向圆心，所以卫星圆周运动的圆心和地球的地心重合。 二、人造地球卫星 二、人造地球卫星 1、人造地球卫星的轨道（轨道平面一定过地心） （1）赤道轨道，卫星轨道在赤道平面， （2）极地轨道，卫星轨道平面与赤道平面垂直， （3）一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。 围绕同一中心天体，在不同轨道上稳定运行的卫星，线速度、角速度、周期和加速度与轨道半径有何关系？ 如何建立模型分析？ 2.不同轨道的地球卫星 二、人造地球卫星 轨道半径r越大，线速度 越小 轨道半径r越大，角速度 越小 轨道半径r越大，向心加速度 越小 轨道半径r越大，周期 越大 高轨 低速 长周期 2.不同轨道的地球卫星 二、人造地球卫星 思考：众多人造地球卫星中，哪种卫星转动最快？ R越小，v越大 3、近地卫星： 指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表 二、人造地球卫星 =7.9km/s 近地卫星的线速度最大，角速度最大，周期最小。 4、地球同步卫星 (1)定义：相对地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星。 (2)特点 ②周期： ③角速度： 和地球自转方向一致； 和地球自转周期相同，即T＝24 h； 等于地球自转的角速度； 二、人造地球卫星 ①转动方向： ④轨道平面一定：所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合； ⑤高度一定：离地面高度固定不变(约3.6×104 km) ⑥速率一定：线速度大小一定。 二、人造地球卫星 4、地球同步卫星 h=3.6××107m r=4.2××107m v=3.08km/s T=24h h=3.8××108m r≈3.8××108m v=1km/s T=27.3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 二、人造地球卫星