7.4 宇宙航行-2024-2025学年高一物理备课高效互动课件（人教2019必修第二册）

第七章 万有引力与宇宙航行 第四节　宇宙航行 我国历史上和飞天有关的故事： 嫦娥奔月 鲁班造木鹊 万户飞天 思考： 在地球表面将一物体以较小的速率水平抛出，物体将落到地上；若物体以更大的初速度水平抛出时，物体将飞得更远；当物体以足够大的水平速度抛出时，物体将环绕地球运动。 (1)速度需要达到多大，物体才不会再落回地球表面？在不同的星球抛出去，使之不再回到星球表面，需要的速度一样吗？ (2)将卫星发射到更高的轨道上，需要的速度越大还是越小？ 地球 方法一： 卫星绕地球做圆周运动，地球对卫星的万有引力提供向心力。 设地球质量为M，半径为R.人造地球卫星在圆轨道上运行，质量为m，轨道半径为r. 对于靠近地面的卫星， r 近似等于地球半径R，代入可以求出： 一、宇宙速度 方法二：卫星绕地球做圆周运动，重力提供向心力。 1、第一宇宙速度: 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的线速度，叫第一宇宙速度，也是地面附近的环绕速度。数值为7.9km/s。 它既是卫星绕地球运动的最大线速度,也是卫星发射的最小速度。 2、第二宇宙速度: 在地面附近发射物体使之克服地球的引力，离开地球的束缚所需的最小发射速度，其大小为11.2 km/s。当发射速度7.9 km/s<v0<11.2 km/s时，飞行器绕地球运行的轨道是椭圆，且在轨道不同点速度大小一般不同。也叫脱离速度。 3、第三宇宙速度 当物体的速度等于或大于16.7km/s时，物体可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间。我们把16.7km/s叫做第三宇宙速度，也叫逃逸速度。 1、人造地球卫星 1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功。科学家钱学森被誉为“中国航天之父”。 2、人造卫星的三种轨道 赤道轨道：卫星轨道始终处于赤道上方。 极地轨道：卫星轨道经过两极上空。 一般轨道：卫星轨道平面和赤道平面成一定角度(不等于0°或90°)。 二、人造卫星的运动规律 3、人造卫星的运行规律 设人造卫星的运行速度为v、角速度为ω、周期为T，向心加速度为an、轨道半径为r，地球质量为M，人造卫星做匀速圆周运动所需要的向心力由万有引力提供。即： 4、近地卫星、同步卫星及地球赤道上的物体的特点 （1）近地卫星：地球表面附近的卫星，r≈R。 线速度大小v≈7.9 km/s、周期T≈85 min，分别是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大速度和最小周期。 思考 ：我们能否发射一颗周期为70min的卫星呢？ （2）地球同步卫星：周期与地球自转周期相同，其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方向相同，相对地面静止，也称静止卫星。 练习：求同步卫星离地面高度 同步卫星的六个“一定” 当卫星由于某种原因速度突然改变时（开启或关闭发动机或空气阻力作用），万有引力就不再等于向心力，卫星将做变轨运动。 Q P v3 v1 v2 v1____v2 v2____v3 v1____v3 > < > 比较v1、v2、v3的大小? v1>v3>v2 三、卫星的变轨 课堂练习1、关于三个宇宙速度，下列说法正确的是(　　) A.第一宇宙速度大小为7.9 km/h B.绕地球运行的卫星，其环绕速度必定大于第一宇宙速度 C.第二宇宙速度为11.2 km/s，是绕地飞行器最大的环绕速度 D.在地面附近发射的飞行器速度等于或大于第三宇宙速度时，飞行器就能逃出太阳系了 D A 课堂练习3、(多选)如图所示，赤道上随地球自转的物体A、赤道上空的近地卫星B、地球同步卫星C，它们的运动都可视为匀速圆周运动，比较三者的运动情况，以下判断正确的是(　　) A.三者的周期关系为TA<TB<TC B.三者向心加速度大小关系为aA>aB>aC C.三者角速度的大小关系为ωA＝ωC<ωB D.三者线速度的大小关系为vA<vC<vB CD 课堂练习4、一颗人造卫星的质量为m，离地面的高度为h，卫星做匀速圆周运动，已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，引力常量为G，求： (1)卫星受到的向心力的大小； (2)卫星的速率； (3)地球的平均密度。 越高越慢 周期一定 与地球自转周期相同，即T＝24 h 角速度一定 与地球自转的角速度相同 高度一定 卫星离地面高度h＝3.6×104 km 速率一定 速度大小v＝＝3.07 km/s，运动方向与地球自转方向一致 轨道平面一定 轨道平面与赤道平面共面 加速度 大小一定 由于卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此向心加速度大小an＝ω2r＝(R＋h)不变 赤道上的物体 近地卫星 同步卫星 向心力来源 万有引力的分力 万有引力 向心力方向 指向地心 重力与万有引力关系 重力略小于万有引力 重力等于万有引力 线速度 v1＝ω1R v2＝ v3＝ω3(R＋h)＝ v1<v3<v2(v2为第一宇宙速度) 角速度 ω1＝ω自 ω2＝ ω3＝ω自＝ ω1＝ω3<ω2 向心加速度 a1＝ωR a2＝ωR＝ a3＝ω(R＋h)= a1 <a3 <a2 课堂练习2、2021年5月19日，我国在酒泉卫星发射中心用“长征四号”乙运载火箭，成功将“海洋二号”D卫星送入预定轨道，发射任务获得圆满成功。认为卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动，已知引力常量为G，地球的质量为M，卫星的线速度大小为v，则卫星绕地球做圆周运动的周期为(　　) A. B. C. D. 解析　根据G＝m，可得r＝，则周期T＝＝，故A正确。 又密度ρ＝ 解得ρ＝。 解析　(1)设地球质量为M，在地球表面，有G＝mg；由万有引力提供向心力，卫星受到的向心力的大小为Fn＝G＝。 (2)万有引力提供向心力，所以有G＝ 解得卫星的速率v＝。 (3)在地球表面有＝mg $$