3.4宇宙速度与航天 课件 -2024-2025学年高一下学期物理粤教版（2019） 必修第二册

第三章 万有引力定律 第四节 宇宙速度与航天 嫦娥奔月 “嫦娥”五号探月 1、发射卫星至少需要多大的速度？ 2、卫星的运行速度是由什么决定的？ 3、卫星的轨道是怎样的？ 若航天器环绕地球做匀速圆周运动。设地球质量为M，航天器质量为m、速度为v 、到地心的距离为r 。 （1）由哪些力提供航天器做匀速圆周运动的的向心力？ （2）航天器做匀速圆周运动的轨道平面的圆心在哪里？ 地球对航天器的引力 地球的球心 根据牛顿第二定律： 解得： 航天器环绕轨道半径越大，速度越小。 若航天器环绕地球做匀速圆周运动。设地球质量为M，航天器质量为m、速度为v 、到地心的距离为r 。 根据牛顿第二定律： 解得： 若r=R=6.37106m，M=5.971024kg，得： 第一宇宙速度 若航天器环绕地球做匀速圆周运动。设地球质量为M，航天器质量为m、速度为v 、到地心的距离为r 。 一、宇宙速度 1、第一宇宙速度：航天器在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度，v=7.9km/s，是最大环绕速度。 你还能用其它方法计算第一宇宙速度吗？ 第一宇宙速度是最小的发射速度. 2、计算方法 第二宇宙速度： 第三宇宙速度： 环绕太阳 飞出太阳系 第一宇宙速度： （1）如果未来人类登上火星，那么在火星表面发射人造卫星的最小速度又是多少？ （2）你能总结出在宇宙中任意行星上发射卫星的最小速度吗？应该知道哪些量？ 根据牛顿第二定律： 解得： 行星质量和行星半径 行星重力加速度和行星半径 （3）有人说：“围绕地球做匀速圆周运动的卫星，离地面的高度越大，其飞行线速度也越大，周期也越大，角速度也越大？”这种说法对吗？为什么？ 比较速度： 比较周期： 方法一： 方法二： 比较角速度： ( r↑,v ↓ ) ( r↑,T↑ ) ( r↑,ω↓) ( r↑,v ↓ ) ( r↑,ω↓) 二、卫星运动规律 ( r↑,T↑ ) 卫星的绕行速度、角速度、周期与轨道半径的关系 可见：v、 、T 与 r 为 一 一对应关系，与卫星质量m无关，a呢？ 总结：对于绕地球运动的人造卫星： （1）离地面越高，向心力越 （2）离地面越高，线速度越 （3）离地面越高，周期越 （4）离地面越高，角速度越 （5）离地面越高，向心加速度越 小 大 小 小 小 例1、关于宇宙速度，下列说法正确的是(　　) A．第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的最小发射速度 B．第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度 C．第二宇宙速度是卫星在椭圆轨道上运行时的最大速度 D．第三宇宙速度是发射人造地球卫星的最小速度 A 针对训练1、恒星演化发展到一定阶段，可能成为中子星．中子星的半径较小，一般在7～20 km，但它的密度大得惊人．若某中子星的半径为R，密度为ρ，那么该中子星的第一宇宙速度约为 (　　) A． B． C． D． D 三、人造卫星 （1）你知道人造卫星的用途有哪些吗？ （2）你对我国的北斗卫星导航系统了解多少？ 1、火箭点火前、后卫星速率的比较 在近地点(a点),卫星的火箭开始点火加速,点火加速后卫星的速率大于点火前的速率.故在椭圆轨道2经过a点的速率为v2大于卫星在近地圆轨道1上a点的速率为v1,即v2>v1;同理,卫星在圆轨道3经过b点的速率为v4大于在椭圆轨道2上经过b点的速率为v2’,即v4>v3;所以4个速率的关系为v2>v1>v4>v2’ 2．飞船对接问题 (1)低轨道飞船与高轨道空间站对接 如图甲所示，低轨道飞船通过合理地加速， 沿椭圆轨道追上高轨道空间站与其完成对接． (2)同一轨道飞船与空间站对接 如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度． 各种各样的卫星… 3、地球同步卫星 公转周期一定 轨道平面一定 离地面高度一定 线速度大小一定 向心加速度大小一定 思考：如何利用同步卫星实现全球通讯？ 为了卫星之间不互相干扰，大约3°左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。 四、遨游太空 1957年10月4日，苏联发射第一颗人造地球卫星. 1961年4月12日，宇宙飞船“东方1号”载着苏联宇航员加加林环绕地球一圈 1969年7月20日，美国“阿波罗11号”将两名宇航员送上月球，人类第一次登月 1971年4月9日，苏联发射“礼炮1号”空间站 1990年4月24日，哈勃空间望远镜升空 1973年，美国发射“天空实验室”空间站 中国骄傲！！！ 1970年4月24日，我国发射第一颗人造地球卫星——“东方红1号” 每年的4月24日 中国航天日 中国骄傲！！！ 2017年4月22日，“天舟一号”与“天宫二号”首次完成推进器在轨补加 中国空间站 中国骄傲！！！ 2003年10月15日，“神州五号”将我国第一位宇航员杨利伟送入太空。 2016年9月15日，“天宫二号”空间实验室发射成功。 中国骄傲！！！ 2020年6月23日，北斗三号最后一颗全球组网卫星成功发射，随后北斗三号全球卫星导航系统正式开通。 中国骄傲！！！ 2020年7月23日，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功发射。 2020年11月24日，“嫦娥五号”发射成功。 1、(多选)如图所示，在发射地球同步卫星的过程中，卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ，然后在Q点通过改变卫星速度，让卫星进入地球同步轨道Ⅱ，则 (　　) A．该卫星的发射速度必定大于11.2 km/s B．卫星在同步轨道Ⅱ上的运行速度大于7.9 km/s C．在椭圆轨道上，卫星在P点的速度大于在Q点的速度 D．卫星在Q点通过加速实现由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ CD 随堂练习 2．关于地球同步卫星，下列表述正确的是 (　　) A．卫星运行时可能经过重庆的正上方 B．卫星的运行速度大于第一宇宙速度 C．卫星距离地面的高度大于月球离地面的高度 D．卫星运行的向心加速度小于地球表面的重力加速度 D ABC 4．2019年3月10日0时28分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，成功将“中星6C”卫星发射升空，卫星进入预定轨道．“中星6C”卫星是一颗用于广播和通信的相对地球静止的轨道通信卫星，离地面的高度大约为地球半径的6倍．则“中星6C”卫星的运行速度与第一宇宙速度之比大约为多少？ 谢谢观看 3．(多选)已知地球半径为R，质量为M，自转角速度为ω，地面重力加速度为g，引力常量为G，地球同步卫星的运行速度为v，则第一宇宙速度的值可表示为 (　　) A．eq \r(Rg) B．eq \r(\f(v3,ωR)) C．eq \r(\f(GM,R)) D．ωR 【解析】第一宇宙速度等于近地卫星运行的速度，由mg＝Geq \f(Mm,R2)＝meq \f(v\o\al(2,1),R)，解得第一宇宙速度v1＝eq \r(gR)＝eq \r(\f(GM,R))，A、C正确；对同步卫星，设运行半径为r，由v＝ωr，Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)，结合Geq \f(Mm,R2)＝meq \f(v\o\al(2,1),R)，得v1＝eq \r(\f(v3,ωR))，B正确，D错误． 【答案】1∶eq \r(7) 【解析】设地球的半径为R，则“中星6C”卫星的轨道半径为7R.设地球的第一宇宙速度为v1，则有 Geq \f(Mm,R2)＝meq \f(v\o\al(2,1),R).① 设“中星6C”卫星的运行速度为v2，则有 Geq \f(Mm,7R2)＝meq \f(v\o\al(2,2),7R)，② 得v2∶v1＝1∶eq \r(7). $$