7.4.2宇宙航行 课件 -2024-2025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 人教版 必修二 7.4 宇宙航行 1.知道卫星如何变轨的，卫星在各个轨道上加速度、速度、周期等关系 2.掌握双星系统质量、半径、速度的关系 3.了解天体的追及相遇问题，什么时候最远和最近。 一、学习目标 二、新知讲解 2、多星系统 1、变轨问题 3、卫星追及问题 目 录 卫星变轨 卫星发射的两种方法 直线发射（高轨发射）：整个发射过程中，运载火箭在入轨前始终处于动力飞行状态，要消耗大量燃料。 变轨发射（近地发射）：运载火箭消耗的燃料少，发射场的位置也不受限制。 对于低轨道卫星来说，一般选择垂直发射突破大气层后直接入轨，而中、高轨道卫星的发射一般经历以下三个阶段： ①停泊轨道； ②转移轨道； ③同步轨道。 二、新知讲解 v F引 F引＜F向 F引＞F向 卫星变轨的实质 M m A 二、新知讲解 卫星的变轨过程 1轨道做匀速圆周运动 3轨道做匀速圆周运动 A点做离心运动 vB v3 1 v1 vA 减速，vA>vB 2 3 θ＞900 v F引 加速vA>v1 加速v3>vB 切点A 切点B 二、新知讲解 6 1 2 3 P Q O 1 轨道的Q点，点火加速，到达 2 轨道； 2 轨道的P点，再点火加速，到达 3 轨道； 2 椭圆轨道： 1、3 圆轨道： 综上： 变轨点 变轨点 开普勒第二定律 比较速度关系 离心运动： 二、新知讲解 1 2 3 P Q O 变轨点 变轨点 开普勒第三定律： 比较周期关系 椭圆轨道： 圆轨道： （比较半径） （比较半长轴） 综上： 二、新知讲解 1 2 3 P Q O 变轨点 变轨点 比较加速度关系 1、3 圆轨道： 1、2 轨道的Q为同一个点： 2、3 轨道的P为同一个点： 综上： 二、新知讲解 9 【典型例题1】如图所示，发射同步卫星的一般程序是：先让卫星进入一个近地的圆轨道，然后在P点变轨，进入椭圆形转移轨道(该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P点，远地点为同步圆轨道上的Q点)，到达远地点Q时再次变轨，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在椭圆形转移轨道的近地点P点的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在同步轨道上的速率为v4，三个轨道上运动的周期分别为T1、T2、T3，则下列说法正确的是 (　　)   CD 二、新知讲解 宇宙中，有两颗星在一起组成的稳定旋转系统，有三颗星的，也有更多颗星体组成的稳定旋转系统。 二、双星模型 二、新知讲解 1.两颗恒星均绕共同的中心做匀速圆周运动，轨道半径r1、r2与两恒星间距离L的关系为r1＋r2＝L； 2.两恒星之间万有引力分别提供了两恒星的向心力，即两颗恒星受到的向心力Fn大小相等； 3.两颗恒星与旋转中心时刻三点共线，即两颗恒星角速度ω相同，周期T相同。 一、双星系统的特点 O 二、新知讲解 对m1: 对m2: 【计算1】如图，双星的质量分别为m1、m2，它们之间的距离为L，求各自圆周运动的半径r1、r2的大小及r1、r2的比值。 规律：m 越大，旋转半径越小，离中心越近。 r 1 + r2 = L r1 r2 m2 m1 L o 二、新知讲解 对m1: 对m2: 【计算2】如图，双星的质量分别为m1、m2，它们之间的距离为L，轨道半径分别为r1和r2，求它们的线速度v1、v2的比值。 r1 r2 m2 m1 L o 二、新知讲解 【计算3】如图，A、B为双星系统，它们之间的距离为L，轨道半径分别为r1和r2，若运动周期为T，求两星的总质量。 r1 r2 B A L o 对A: 对B: ① ①+②得： ② 二、新知讲解 【典型例题2】有一对相互环绕旋转的超大质量双黑洞系统，如图7所示.若图中双黑洞的质量分别为M1和M2，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动.根据所学知识，下列说法中正确的是（ ） 图2 A.双黑洞的角速度之比 ω1∶ω2＝M2∶M1 B.双黑洞的轨道半径之比 r1∶r2＝M2∶M1 C.双黑洞的线速度大小之比 v1∶v2＝M1∶M2 D.双黑洞的向心加速度大小之比 a1∶a2＝M2∶M1 BD 二、新知讲解 角速度大小相等， 16 “三星”模型 “四星”模型 二、新知讲解 三、天体的追及相遇 在天体运动的问题中，我们常遇到一些这样的问题。比如，A、B两天体都绕同一中心天体做圆周运动，某时刻A、B相距最近，问A、B下一次相距最近或最远需要多少时间，或“至少”需要多少时间等问题。 而对于此类问题的解决和我们在直线运动中的追及相遇问题在思维有上一些相似的地方，故我们也常说成“天体的追及与相遇 ”。 A B 二、新知讲解 问题情景1：相距最近 如图，两天体的运转方向相同，且位于和中心连线半径的同侧，此时两天体相距最近。求经过多长时间t二者会再次相距最近？ 设处于内轨道的A天体周期为T1，处于外轨道的B天体周期为T2，当t满足下列式子时二者相距最近： 或 A B 二、新知讲解 问题情景2：相距最远 如图，两天体的运转方向相同，且位于和中心连线半径的同侧，此时两天体相距最近。求经过多长时间t二者会再次相距最远？ 或 A B 设处于内轨道的A天体周期为T1，处于外轨道的B天体周期为T2，当t满足下列式子时二者相距最远： 二、新知讲解 总结 3.轨道平面不重合时，两天体只有在同一时刻位于中心天体同一侧的同一直线上时发生相遇。 二、新知讲解 【典型例题3】如图所示，有A、B两个行星绕同一恒星O做圆周运动，旋转方向相同，A行星的周期为T1，B行星的周期为T2，在某一时刻两行星第一次相遇（即两行星距离最近），则( ) A．经过时间 ，两行星将第二次相遇 B．经过时间 ，两行星将第二次相遇C．经过时间 ，两行星第一次相距最远 D．经过时间 ，两行星第一次相距最远 BC 二、新知讲解 1、天文学家将相距较近，仅在彼此的引力作用下运行的两颗星球称为双星系统。设某双星系统绕其连线上的O点做匀速圆周运动，如图所示。若AO <OB，则（　　） A．星球A的质量小于星球B 的质量。B．星球A的线速度等于星球B 的线速度。C．双星之间的距离一定，双星系统的总质量越小，转动的周期越小。D．双星系统的总质量一定，双星之间的距离越大，转动的周期越大。 D 三、当堂检测 2.(多选)在我国“神舟十三号”载人飞船与天和核心舱的交会对接中,控制飞船的速度是关键。如图所示,“神舟十三号”载人飞船以速度v1在圆轨道Ⅰ上做匀速圆周运动，当其运动到P点时进行点火加速,使自身速度在较短时间内增加到v2，飞船实现变换轨道,在椭圆轨道Ⅱ上运行,到达Q点的速度大小为v3。以下说法正确的是(　 　) A.飞船的速度大小关系为v2>v3>v1 B.飞船在P点时的重力加速度大于在Q点时的重力加速度。 C.飞船在轨道Ⅱ上的运行周期小于在轨道Ⅰ上的运行周期。 D.飞船在轨道Ⅱ上经过P点的加速度大于经过Q点的加速度。 BD 三、当堂检测 3.飞船沿半径为R的圆周运动绕地球运动，其周期为T. 如图所示，飞船要返回地面，可以在轨道上的某点A处，将速率降到适当的数值，从而使飞船沿着以地心为焦点的特殊椭圆轨道运动，椭圆和地球表面在B点相切。如果地球半径为R0 ，求飞船由A点运动到B点所需的时间。 椭圆轨道： 圆周轨道： 4．2021年9月20日，“天舟三号”货运飞船采用自主快速交会对接模式成功对接于空间站“天和”核心舱后向端口。假如开始对接前空间站和货运飞船都在沿逆时针方向做匀速圆周运动，其轨道如图所示，开始对接后，货运飞船变轨，从空间站后方以大于空间站的速度与之对接，不计空气阻力，下列说法正确的是（ ）　　 A．对接前，货运飞船做匀速圆周运动的速度大于空间站做匀速圆周运动的速度 B．对接前，货运飞船做匀速圆周运动的周期大于空间站做匀速圆周运动的周期 C．货运飞船只有加速才能与空间站对接 D．对接后组合体的速度大于第一宇宙速度 A 三、当堂检测 5．“神舟十号”与“天宫一号”多次成功实现交会对接.如图所示，交会对接前“神舟十号”飞船先在较低圆轨道1上做圆周运动，在适当位置经变轨后与圆轨道2上运动的“天宫一号”对接.M．Q两点在轨道1上，P点在轨道2上，三点连线过地心，把飞船的加速过程简化为只做一次短时加速.下列关于“神船十号”变轨过程的描述，正确的是（    ） A．“神船十号”在M点加速，则一定会在P点与“天宫一号”相遇 B．“神船十号”可以与“天宫一号”同轨加速追及 C．“神船十号”在轨道1上M点的加速度小于在轨道2上P的加速度 D．“神舟十号”变轨后的运行周期大于变轨前的运行周期 D 三、当堂检测 一、变轨问题 (1). a1p=a2p>a3Q=a2Q (2). a2P>a1P > a3Q> a2Q (3). v2P > v1P > v3Q > v2Q (4). TⅠ <TⅡ <TⅢ 1 Q P 2 3 四、课堂小结 二、双星系统 A．在P点变轨时需要加速，Q点变轨时要减速 B．在P点变轨时需要减速，Q点变轨时要加速 C．T1＜T2＜T3 D．v2＞v1＞v4＞v3 同方向绕行的两天体转过的角度 或 （n=0、1、2、……）时表明两物体相距最近。 反方向转动的天体转过的角度 或 （n=0、 1、2、……）时表明两物体相遇或相距最近。 $$