7.4 宇宙航行（课件）-【教学无忧】2024-2025学年高一物理同步精品备课（人教版2019必修第二册）

人教版（2019）高一年级物理必修2同步备课系列 7.4 宇宙航行 1 目录 宇宙速度 1 人造地球卫星 2 载人航天与太空探索 3 2 新课引入 人类一直在为“飞天”梦想努力着 3 新课引入 4 宇宙速度 PART 1 5 01.牛顿的猜想 牛顿曾设想，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，则落点一次比一次远，如果速度足够大， 物体就不再落到地面上来，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。 物体初速度达到多大时就可以发射成为一颗人造卫星呢? 6 02.建立模型与基本思路 (1)建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动 (2)基本思路：向心力由地球对卫星的万有引力提供 请计算：已知地球半径 R = 6400 km，地球质量 M = 6.0×1024 kg，卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？ 7 思考：有人说，第一宇宙速度也可用（式中g为重力加速度，R为地球半径）算出，你认为正确吗？ 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，有： 02.建立模型与基本思路 8 03. 第一宇宙速度 公式也适用于其他天体有关第一宇宙速度的计算问题。 (1)定义：是人造卫星(或航天器)近地环绕地球做匀速圆周运动的速度。 (M为地球质量；R为地球球体半径) (2)公式： 地球的第一宇宙速度大小为7.9km/s。 9 03. 第一宇宙速度 (3)第一宇宙速度的理解 ①“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力。近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。 v＝7.9 km/s是最小的发射速度 10 03. 第一宇宙速度 (3)第一宇宙速度的理解 ②“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由 可得 ，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，第一宇宙速度是所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星的最大环绕速度。 v＝7.9 km/s是最大环绕速度 11 04. 第二宇宙速度 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（逃逸速度）。 12 05. 第三宇宙速度 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（脱离速度）。 13 06. 典例探究 【例1】已知地球表面的重力加速度约为10 m/s2，第一宇宙速度约为8 km/s，某星球半径约为地球半径的2倍，质量是地球质量的9倍，求： (1)该星球表面的重力加速度大小； (2)该星球的第一宇宙速度大小。 14 人造地球卫星 PART 2 15 01.我国的发射的卫星 1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功，开创了中国航天史的新纪元。 东方红1号卫星 墨子号量子卫星 北斗导航卫星 16 02. 人造卫星轨道的分类 卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力充当向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，其轨道可分为三类： (1)赤道轨道：卫星的轨道与赤道共面，卫星始终处于赤道正上方。 (3)任意轨道：卫星的轨道与赤道平面成某一角度。 (2)极地轨道：卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上空。 17 03. 人造地球卫星的运行参量 质量为m的天体绕质量为M的中心天体做半径为r的匀速圆周运动： 当r增大时 an减小 v减小 ω减小 T增大 r R 18 03. 人造地球卫星的运行参量 （1）近地卫星： 指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。 （2）同步卫星的“六个一定” ①轨道平面一定：赤道平面 ②周期与角速度一定：T=24h ⑤运转方向一定:自西向东 ③轨道半径一定:r=6.6R ④速度大小一定:v=3.08km/s ⑥向心加速度的大小一定: 19 03. 人造地球卫星的运行参量 （3）同步卫星的用途： 主要用于通信，故也称通信卫星。3颗同步卫星可实现全球覆盖,为了使同步卫星之间不相互干扰，大约3°左右才能放置一颗同步卫星，也就是说，地球上空只能放下120颗同步卫星。截止2012年，已发射100多颗。 20 载人航天与太空探索 PART 3 21 01.世界其他国家的太空探索历史 牛顿虽然早就预言了人造地球卫星，但因发射需达到很大的速度，这对于人类是一个巨大的挑战。直到多级火箭研制成功，才为人造地球卫星的发射创造力条件。 22 01.世界其他国家的太空探索历史 1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星——“卫星1号”被送到了外层空间。这是人类第一次冲破重力的束缚，自由自在地探测宇宙空间。苏联的这一划时代成就当即在西方世界引发了一场“卫星地震”…… 23 1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108 min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类首次进入太空的丰碑。 01.世界其他国家的太空探索历史 24 01.世界其他国家的太空探索历史 1969年7月16日9时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月20日下午10时56分，指挥长阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。” 25 02.我国的载人航天和太空探索 1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功。东方红一号卫星于1958年提出预研计划，1965年正式开始研制，于1970年4月24日在酒泉卫星发射中心成功发射。使中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。 26 02.我国的载人航天和太空探索 2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将11名(14人次)航天员送入太空，包括两名女航天员。 27 02.我国的载人航天和太空探索 举世瞩目的成绩 28 02.我国的载人航天和太空探索 29 巩固提升 PART 5 30 01. 课堂小结 宇宙航行 宇宙速度 第一宇宙速度（环绕速度）: 第二宇宙速度（逃逸速度）: 第三宇宙速度（脱离速度）: v2=11.2km/s v1=7.9km/s v3=16.7km/s 人造地球卫星 载人航天与太空探索 近地卫星 极地卫星 同步卫星 31 02. 课堂练习 1.关于宇宙速度，下列说法正确的是 A.第一宇宙速度是人造卫星沿圆轨道运行时的最大速度 B.第一宇宙速度是地球同步卫星的发射速度 C.人造地球卫星运行时的速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间 D.第三宇宙速度是物体脱离地球的最小发射速度 【答案】A 【解析】略 32 02. 课堂练习 2.(多选)如图所示，牛顿在思考万有引力定律时就曾设想，把物体从高山上O点以不同的速度v水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远。如果抛出速度足够大，物体就不会落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星，则下列说法正确的是 A.以v<7.9 km/s的速度抛出的物体可能落在A点 B.以v<7.9 km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动 C.以7.9 km/s<v<11.2 km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道 运动 D.以11.2 km/s<v<16.7 km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动 33 02. 课堂练习 【答案】AC 【解析】物体抛出速度v<7.9 km/s时必落回地面，物体抛出速度v＝7.9 km/s时，物体刚好能不落回地面，绕地球做圆周运动，故A正确，B错误； 当物体以7.9 km/s<v<11.2 km/s的速度抛出时，物体在抛出点做离心运动，但物体不能脱离地球引力束缚，故可能沿C轨道运动，故C正确； 当物体抛出速度v>11.2 km/s时，物体会脱离地球引力束缚，不可能沿C轨道运动，故D错误。 34 02. 课堂练习 3.我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”。设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面。已知月球的质量约为地球质量的 ，月球的半径约为地球半径的 ，地球的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为 A.0.4 km/s B.1.8 km/s C.11 km/s D.36 km/s 35 02. 课堂练习 36 02. 课堂练习 4.如图所示，我国自主研发的北斗卫星导航系统由多颗卫星组成，包括分布于a类型轨道的静止轨道卫星、分布于b类型轨道的倾斜轨道卫星(与同步卫星轨道半径相同，轨道倾角55°)和分布于c类型轨道的中轨道卫星，中轨道卫星在3个互成120°的轨道面上做圆周运动。下列说法正确的是 A.a类型轨道上的卫星相对于地面静止且处于平衡状态 B.a类型轨道上的卫星运行速率等于b类型轨道上卫星的 运行速率 C.b类型轨道上的卫星也与地球保持相对静止 D.三类卫星相比，c类型轨道上的卫星向心加速度最小 37 02. 课堂练习 【答案】D 【解析】三种类型轨道上的卫星都绕地球做圆周运动，所受合力不为零，处于非平衡状态，A错误； 由此可知轨道半径相同，则线速度大小相等，故a类型轨道上卫星的运行速率等于b类型轨道上卫星的运行速率，B正确； b类型轨道上的卫星是倾斜轨道卫星，不能与地球保持相对静止，只有静止轨道卫星才能与地球保持相对静止，C错误； 38 02. 课堂练习 卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力， 由此可知轨道半径越小，向心加速度越大，故c类型轨道上的卫星向心加速度最大，D错误。 39 谢谢大家！ 40 【解析】（1）由物体在星球表面所受引力等于重力，有mg＝G，得g＝G 所以有＝＝，解得：gx＝22.5 m/s2 （2） 由重力提供向心力，则有mg＝，得v＝，所以＝＝， 解得：vx≈17 km/s。 【答案】B 【解析】由G＝m得，v＝，又＝，＝，故月球和地球的第一宇宙速度之比＝＝＝，故v月＝7.9× km/s≈1.8 km/s，即该探月卫星绕月运行的最大速率约为1.8 km/s，因此选B。 根据G＝m，可得v＝， 根据公式G＝man可得an＝G， $$