7.4 宇宙航行（培优教学课件）物理人教版必修第二册

第4节 宇宙航行 第七章 万有引力与宇宙航行 人教版（2019）必修第二册 导入新课 如图所示，在 1687 年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。你知道这个速度究竟有多大吗？ 物理观念 1. 物质观念：认识天体与航天器的物质属性，理解宇宙航行以客观物质规律为基础。 2. 运动与相互作用观：掌握万有引力提供向心力，解释卫星圆周运动与宇宙速度的动力学本质。 3. 能量观念：理解发射速度与轨道能量、逃逸速度的关联，建立航天运动的能量图景。 科学思维 1. 模型建构：将卫星运动简化为匀速圆周模型，突出核心规律。 2. 推理论证：推导第一宇宙速度，用规律定量分析轨道与速度关系。 3. 创新思考：对比不同轨道与发射方案，培养航天问题解决思维。 学习目标 科学探究 1. 问题与证据：围绕宇宙速度提出问题，用公式与数据论证。 2. 分析交流：合作探究卫星规律，规范表达推导与结论。 科学态度与价值观 1. 科学精神：崇尚理性、尊重规律，敬佩航天探索精神。 2. 社会责任：关注航天科技与国家发展，增强科技报国意识。 学习目标 重点难点 重点 1. 理解第一宇宙速度的推导、物理意义与数值，知道它是近地卫星环绕速度，也是最小发射速度。 2. 掌握万有引力提供向心力分析卫星圆周运动的基本思路，会用相关公式判断线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。 3. 了解第二、第三宇宙速度的含义及人类航天发射的基本原理。 难点 1. 区分发射速度与环绕速度，理解轨道越高发射速度越大、环绕速度越小。 2. 建立正确的卫星运动模型，明确近地卫星、同步卫星等的受力与运动特点。 3. 运用万有引力定律与圆周运动规律进行定量计算与推理，处理变轨、临界等问题时容易混淆受力条件与公式选用。 1. 宇宙速度 2. 人造地球卫星 3.载人航天与太空探索 4.课堂总结 5. 练习与应用 6. 提升训练 学习内容 第4节 宇宙航行 一、宇宙速度 第4节 宇宙航行 一、宇宙速度 01.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？ 一、宇宙速度 01.建立模型与基本思路 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： 一、宇宙速度 02. 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。 一、宇宙速度 02. 第一宇宙速度 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 (3)第一宇宙速度的理解 一、宇宙速度 02. 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 一、宇宙速度 03. 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）。 一、宇宙速度 04. 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）。 一、宇宙速度 【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。 一、宇宙速度 【解析】（1）由物体在星球表面所受万有引力等于重力，有G=mg 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。 一、宇宙速度 【例2】(2024·四川省高一期中)开普勒—452b的质量大约是地球的5倍，半径大约是地球的1.25倍。则开普勒—452b的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度的大小的比值约为 A.0.6 B.2 C.4 D.9 一、宇宙速度 【解析】第一宇宙速度大小等于物体在中心天体表面运行的环绕速度，轨道半径与中心天体半径近似相等，则有G=m1，G=m2，其中M1=5M2，r1=1.25r2，解得=2，故选B。 二、人造地球卫星 第4节 宇宙航行 二、人造地球卫星 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 01.我国的发射的卫星 二、人造地球卫星 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。 02. 人造卫星轨道的分类 二、人造地球卫星 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 二、人造地球卫星 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: 二、人造地球卫星 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。 二、人造地球卫星 【例3】如图所示是人造地球卫星轨道示意图，其中圆轨道a、c、d的圆心均与地心重合，a与赤道平面重合，b与某一纬线圈共面，c与某一经线圈共面。下列说法正确的是 A.a、b、c、d都有可能是卫星的轨道 B.轨道a上的卫星一定是同步卫星 C.轨道c上的卫星的运行速度一定小于7.9 km/s D.轨道a上的卫星运行速率可能与轨道d上卫星的相同 二、人造地球卫星 【解析】卫星运动过程中的向心力由万有引力提供，故地球必定在卫星轨道的中心，即地心为圆周运动的圆心，因此b轨道不可能是卫星轨道，故A错误；同步卫星中的静止卫星的轨道在赤道上空，距地球表面一定高度，则轨道a上的卫星可能是同步卫星，故B错误；7.9 km/s是第一宇宙速度，是物体围绕地球做圆周运动的最大速度，则轨道c上的卫星的运行速度一定小于7.9 km/s，故C正确； 由万有引力提供向心力有=m，解得v=，由题图可知，轨道a的半径大于轨道d的半径，则轨道a上的卫星运行速率小于轨道d上的卫星运行速率，故D错误。 二、人造地球卫星 【例4】(多选)(2024·浙江省高一期中)如图所示，a为地球赤道表面随地球一起自转的物体，b为绕地球做匀速圆周运动的近地卫星，轨道半径可近似为地球半径。c为绕地球做匀速圆周运动的同步卫星。a、b、c的角速度分别为ωa、ωb、ωc；线速度大小分别为va、vb、vc； 加速度大小分别为aa、ab、ac；周期分别为Ta、Tb、 Tc，则下列关系正确的是 A.ωa<ωb<ωc B.Ta=Tb>Tc C.va<vc<vb D.aa<ac<ab 二、人造地球卫星 【解析】对于卫星b、c，由万有引力提供向心力可得=mω2r=mr=m=ma，可得ω=，T=，v=，a=，由于rb<rc，则有ωb>ωc，Tb< Tc，vb>vc，ab>ac，对于a、c，两者的角速度相等，周期相同，根据v= ωr，a=ω2r，ra<rc，可得vc>va，ac>aa，综上分析可得ωa=ωc<ωb，Ta=Tc> Tb，va<vc<vb，aa<ac<ab，故选C、D。 三、载人航天与太空探索 第4节 宇宙航行 三、载人航天与太空探索 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。 三、载人航天与太空探索 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”…… 01.世界其他国家的太空探索历史 三、载人航天与太空探索 01.世界其他国家的太空探索历史 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。 三、载人航天与太空探索 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。” 三、载人航天与太空探索 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。 三、载人航天与太空探索 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。 三、载人航天与太空探索 02.我国的载人航天和太空探索 举世瞩目的成绩 三、载人航天与太空探索 02.我国的载人航天和太空探索 四、课堂总结 第4节 宇宙航行 四、课堂总结 宇宙航行 宇宙速度 第一宇宙速度 v＝ 7.9 km/s，最小发射速度，最大环绕速度 第二宇宙速度 v＝ 11.2 km/s，克服地球引力，永远离开地球 第三宇宙速度 v＝ 16.7 km/s，挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外 人造地球卫星 卫星轨道 赤道轨道、极地轨道、一般轨道 卫星分类 近地卫星、极地卫星、同步卫星等 五、练习与应用 第4节 宇宙航行 五、练习与应用 五、练习与应用 五、练习与应用 五、练习与应用 五、练习与应用 五、练习与应用 五、练习与应用 五、练习与应用 五、练习与应用 五、练习与应用 六、提升训练 第4节 宇宙航行 六、提升训练 六、提升训练 六、提升训练 六、提升训练 六、提升训练 六、提升训练 $