7.4.1 宇宙航行：宇宙速度 课件-2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

7.4 宇宙航行（1）： 宇宙速度 你站在高楼上将物体水平抛出，速度逐渐增大，物体的飞行距离怎样变化？ 地球是球形，万有引力时刻会指向地心。当速度足够大时，会发生什么现象？ 这是300多年前牛顿提出的设想——牛顿大炮 如果抛出的速度足够大，物体就再也不会落到地面，成为一颗地球卫星。 牛顿虽然早就预言了人造地球卫星，但因需要很大的发射速度，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了条件。 至少需要以多大的速度抛出物体，才能让它变成一颗地球卫星？ 至少需要：让物体“贴地飞行”——在地表上绕地球做匀速圆周运动 需要给这个物体多大的速度？ 卫星：绕着地球做圆周运动（谁来提供向心力？） 万有引力提供向心力 【推导】 已知：地球质量为M，地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，近地卫星轨道半径 r ≈ R，引力常量为G。计算卫星的最小发射速度。 任务一：至少 需要给物体多大的速度，才能让它变成一颗地球卫星？ v F引 第一宇宙速度 将地球看做一个巨大的“拱形桥”, “桥面”的圆弧半径就是地球半径。 会不会出现这样的情况：汽车的速度大到一定程度时，汽车恰好不飞离地面，地面对车的支持力为 0？ 重力提供向心力 第一宇宙速度 mg 方法二： 重力提供向心力 方法一： 万有引力提供向心力 【推导】 已知：地球质量为M，地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，近地卫星轨道半径 r ≈ R，引力常量为G。计算卫星的最小发射速度。 v F引 为什么两种方法可得到相同的结果？ 忽略地球自转时： 一、第一宇宙速度 1. 概念：将物体发射到 轨道绕地球（地心） 做匀速圆周运动的最 发射速度。 （也称作环绕速度：环绕地球表面运动） 2. 数值：v= km/s; 3. 近地卫星参数：轨道半径 r ≈R地= 6400 km； 环绕速度v=发射速度= km/s ； 环绕周期T= ≈ 分钟 。 地球附近 小 7.9 7.9 85 v F引 任务二：如果卫星在地面的发射速度大于7.9km/s，卫星会怎样运动？ 当v0=7.9 km/s时：F引 = m ，卫星做匀速圆周运动。 当v0>7.9 km/s时：F引 < m，卫星有离心趋势。 7.9 km/s＜v0＜ 11.2 km/s v0 ≥ 11.2 km/s v0=7.9 km/s ①做椭圆轨道运动 ②不再回到地球附近 F引 第二宇宙速度 二、第二宇宙速度 1. 概念：将物体发射到能够______________________________的最小发射速度。 （也称作逃逸速度：脱离地球的束缚） 2. 数值：v= km/s; 克服地球引力，永远离开地球 11.2 将视野拓展至太阳系：物体的发射速度大于第二宇宙速度时，能够脱离地球的引力束缚，但还很有可能不能脱离太阳的引力束缚！ 三、第三宇宙速度 1. 概念：将物体发射到能够___________________________________的最小发射速度。（也称作太阳逃逸速度：脱离太阳的束缚） 2. 数值：v= km/s; 挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外 16.7 总结：三个宇宙速度 ①第一宇宙速度：7.9 km/s，物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度； ②第二宇宙速度：11.2 km/s，使卫星挣脱地球引力束缚的最小发射速度； ③第三宇宙速度：16.7 km/s，使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。 思考：为什么会有三个宇宙速度？慢慢飞难道飞不出地球吗？ 当然可以，但为了保持速度不变需要消耗大量燃料。 三个宇宙速度指的都是无动力飞行，即：发射后物体只受万有引力作用。 研究其的意义：降低火箭发射的燃料负载要求，尽快使火箭达到预定速度，然后无动力飞行，这最为经济！ 发射速度，不是卫星的环绕速度 总结：发射速度对卫星轨道的影响 ①当v0＜7.9km/s时，物体将 。 ②当v0=7.9km/s时， 恰好F引 = m ，卫星绕地心做半径为R地的_________运动。 ③当7.9km/s＜v0＜ 11.2km/s时，卫星绕地心做 运动； ④当11.2km/s＜v0＜ 16.7km/s时，卫星脱离________束缚，在太阳系中运动； ⑤当v0＞ 16.7km/s时，卫星脱离 束缚，在宇宙中运动。 落回地球表面 椭圆轨道 地球 太阳 匀速圆周 例1. （多选）我国航天事业的快速发展,充分体现了民族智慧、经济实力、综合国力,也大大促进了我国生产力的发展。下列关于我国航天器的发射速度、绕行速度的说法正确的是( 　) A.火星探测器“天问一号”的发射速度大于第三宇宙速度 B.探月工程中“嫦娥五号”的发射速度大于第二宇宙速度 C.探月工程中“嫦娥五号”的发射速度小于第二宇宙速度 D.中国空间站中“天和核心舱”的发射速度大于第一宇宙速度 例2 . 我国成功发射了火星探测器“天问一号”，假设在降落到火星之前“天问一号” 环绕火星做匀速圆周运动，距离火星表面的飞行高度为h，环绕周期为T。已知引力常量为G，火星的半径为R，“天问一号”的质量为m,求: （1）“天问一号”在此轨道的环绕速度的大小v； （2）火星的质量M; （3）火星表面的重力加速度g; （4）火星的第一宇宙速度v1的大小。 v 天问一号 火星 . R h 课堂小结 理解三种宇宙速度的含义： （1）宇宙速度指的是发射速度，不是卫星的环绕速度 （2）第一宇宙速度是将卫星发射到近地轨道的发射速度 求法一：F引=F向 求法二： mg=F向 （3）第二宇宙速度是让卫星脱离地球束缚的发射速度 （4）第三宇宙速度是让卫星脱离太阳束缚的发射速度 近地卫星运行参数： 轨道半径r≈R地= 6400 km； 环绕速度v=发射速度= 7.9 km/s ； 环绕周期 T ≈ 85 分钟 。 $$