3.4 宇宙速度与航天 课件-2025-2026学年高一下学期物理粤教版必修第二册

第三章 万有引力定律 3.4宇宙速度与航天 知道三个宇宙速度的含义，会计算第一宇宙速度。 知道人造卫星的轨道特点和运动规律，认识同步静止卫星的特点。 了解人类探索太空的历史、现状及未来发展的方向。 2 3 1 重点 重点 学习目标 一、宇宙速度 你在山顶上水平抛出一个物体，不计空气阻力，你能把它抛到太空吗？ 如果被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？ 速度大的水平位移大，落地点较远 情景导入 5 本资料来自于资源最齐全的２１世纪教育网www.21cnjy.com v增大 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？ 6 （1）若已知地球的质量为M，地球半径为R，引力常量为G，若物体紧贴地面飞行而不落回地面，其速度大小为多少？ 解：物体不落回地面，当其紧贴地面飞行时，轨道半径 r≈R，围绕地球做匀速圆周运动，所需向心力由万有引力提供： G=m， 解得v=。 课本P67 当其紧贴地面飞行时，r≈R， 由黄金代换式 得v==7.9 km/s。 (2)已知地球半径R=6 400 km，地球表面的重力加速度取g=9.8 m/s2，则物体环绕地球表面做圆周运动的速度多大？ （ 在地面附近物体重力近似等于万有引力G=m，由m=m得v==7.9 km/s ） 1.第一宇宙速度 (1)定义：航天器在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，叫作第一宇宙速度，又叫环绕速度。 (2)大小：v=7.9 km/s。 (3)意义：是航天器成为卫星的最小发射速度；是卫星的最大环绕速度。 动画演示 2.第二宇宙速度： v= 11.2 km/s 飞行器挣脱地球引力离开地球的速度， 又叫逃逸速度。 3.第三宇宙速度： v= 16.7 km/s 脱离太阳系的速度。 发射速度v 运动情况 v<7.9km/s 物体落回地面 v=7.9km/s 物体在地面附近做匀速圆周运动 7.9km/s<v<11.2km/s 物体绕地球运动，轨迹为椭圆 11.2km/s ≤ v<16.7km/s 脱离地球，物体绕太阳运动 v≥16.7km/s 物体飞出太阳系 总结： 1.以下太空探索实践中需要的发射速度是多少？ ①“嫦娥”奔月中卫星的发射速度应该大于第一宇宙速度小于第二宇宙速度。 ② “天问一号”的发射速度应该大于第二宇宙速度小于第三宇宙速度。 ③无人外太阳系空间探测器的发射速度应该大于第三宇宙速度。 ①“嫦娥”奔月　　 ②“天问”探火　 ③无人外太阳系空间探测器 √ 1.已知火星的质量约为地球质量的，半径约为地球半径的，地球的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则火星的第一宇宙速度约为 A.1.8 km/s B.3.7 km/s C.5.3 km/s D.16.7 km/s √ 由万有引力提供向心力可得G=m，可得v=，代入题目中两星球的质量与半径比，可得v火=v地，解得v火≈3.7 km/s，故选B。 2.为使物体挣脱星球的引力束缚，不再绕星球运行，从星球表面发射时所需的最小速度称为第二宇宙速度，星球的第二宇宙速度v2与第一宇宙速度v1的关系为v2=v1。已知某星球的半径为R，其表面的重力加速度大小为地球表面重力加速度 g 的 ，不考虑自转和其他星球的影响，则该星球的第二宇宙速度为 A. B. C. D. √ 由牛顿第二定律有m·g=m，由题意可知v2=v1，解得v2=，A正确，B、C、D错误。 二、人造卫星 人造卫星是指环绕地球在宇宙空间轨道上运行的无人航天器。 截至2025年末，全球在轨人造卫星总数约为13,810颗，其中中国820颗。 在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动。请思考： (1)这些卫星的轨道平面有什么共同特点？ 卫星运动所需的向心力是由地球与卫星间的万有引力提供的F引 = F向，故所有卫星的轨道平面都经过地心。 (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。 (2)极地轨道：卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上方。 (3)一般轨道：卫星的轨道与赤道平面成某一角度。 单击此处编辑母版文本样式二级三级四级五级 常见的轨道类型 一般轨道 赤道轨道 极地轨道 地轴 不存在 1.人造地球卫星 (1)卫星的轨道平面可以在赤道平面内，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任意角度，如图所示。 (2)因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球做圆周运动的向心力，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心。 天使环 有人说：“围绕地球做匀速圆周运动的卫星，轨道的高度越大，其飞行线速度也越大，周期也越大。”说法对吗？如何用万有引力定律推导 不对，应由万有引力提供向心力求解线速度和周期 讨论与交流 (2)这些卫星的线速度大小、角速度、周期跟什么因素有关呢？ 由G = m = mω2r = mr 可知，卫星的线速度大小、角速度、周期与其轨道半径有关。 卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系 运行速度：指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度. 发射速度：卫星发射速度指的是卫星在发射后与火箭分离时所达到的速度 注意：（1）第一宇宙速度是最小的发射速度,最大的环绕速度. （2）发射高轨道卫星比发射低轨道卫星困难，原因是发射高轨道卫星时火箭要克服地球对它的引力做更多的功. v发射 v运行 2.近地卫星、静止轨道卫星和月球。(常考察) (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（第一宇宙速度）、周期T=≈85 min，分别是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大环绕速度和最小周期。 (2)地球静止轨道卫星：位于地面上方高度约36 000km处，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，因其相对地面静止。  (3)月球绕地球的公转周期T=27.3天，月球和地球间的平均距离约38万千米，大约是地球半径的60倍。 月球自转周期也是27.3天，月球始终一个面正对地球。 h=3.6×107m r=4.26×107m v=3.1km/s T=24h h=3.8×108m r≈3.8×108m v=1km/s T=27天 h≈0 r=R=6.4×106m v=7.9km/s T=85分钟 同步静止卫星 近地卫星 月球 近地卫星、同步卫星、月球三者比较 3.静止轨道卫星 静止轨道卫星 静止轨道卫星是指与地球相对静止的卫星，是地球同步卫星的一种. 思考2：轨道平面能否不在赤道平面上?距离地面高度是否可以任意调整？ R= 6.4×106m 资料：北斗系统有8颗地球静止轨道GEO卫星，全时段服务于亚太地区。 思考1:北斗卫星如何保持“静止”？ 已知地球的质量M= 5.97×1024kg ，半径R= 6.37×106m,自转周期T=24h，G=6.67×10-11 N·m2/kg2 （1）估算静止轨道卫星离地面的高度. （2）简述为什么静止轨道卫星轨道平面要与赤道平面重合. 3.静止轨道卫星 P69 (1)设静止轨道卫星离地面的高度为h,地球对同步卫 星的引力就是同步卫星运动所需向心力,则有 单击此处编辑母版文本样式二级三级四级五级 解得 解: （2）静止轨道卫星轨道平面必须与赤道平面重合的原因 卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供，万有引力的方向始终指向地心，因此卫星轨道圆心必须是地心。 地球静止轨道卫星要求相对地面保持静止，即角速度与地球自转角速度完全相同。 若轨道平面不与赤道平面重合，卫星会在赤道两侧来回摆动，不可能相对地面定点静止； 只有轨道平面与赤道平面重合，卫星才能始终位于赤道某地上空，实现对地静止，满足通信、气象等定点观测需求。 参数 角速度大小和方向 周期 轨道 高度 速度大小 加速度大小 特点 与地球自转相同 赤道平面 计算 —— 与地球自转周期相同 —— 静止轨道卫星定周期定轨道定高度定速度 静止轨道卫星的“六定” 静止轨道卫星的应用： ⑴静止轨道卫星主要用于通讯和导航，由于它相对地面静止，相当于架在高空中的固定的转播台。 ⑵根据数学运算，一颗静止轨道卫星能覆盖地球面积的1／3，除在南北两极纬度82°以上是盲区外。三颗等距离的静止轨道卫星可覆盖全球。 ⑶为了使静止轨道卫星之间不互相干扰，大约30左右才能放置1卫颗，故地球的静止轨道卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种有限资源。 3.(多选)可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道 A.与地球表面上某一纬线(非赤道)是共面同心圆 B.与地球表面上某一经线所决定的圆始终是共面同心圆 C.与地球表面上的赤道是共面同心圆，且卫星相对地球表面是静止的 D.与地球表面上的赤道是共面同心圆，但卫星相对地球表面是运动的 √ √ 人造地球卫星运行时，由于地球对卫星的引力提供它做圆周运动的向心力，而这个力的方向必定指向地心，也就是说人造地球卫星所在轨道圆的圆心一定要和地球的中心重合，不可能是地轴上(除地心外)的某一点，故A错误；由于地球同时绕着地轴在自转，所以卫星的轨道平面不可能和经线所决定的平面共面，故B错误；相对地球表面静止的卫星就是地球静止轨道卫星，它在赤道平面内，且距地面有确定的高度，而低于或高于这个轨道的卫星也可以在赤道平面内运动，不过由于它们公转的周期和地球自转周期不同，就会相对于地面运动，故C、D正确。 4．(2025·辽宁沈阳合格考模拟)2017年9月25日，微信启动页“变脸”：由美国卫星拍摄的地球静态图换成了我国“风云四号”卫星拍摄地球的动态图，如图所示．“风云四号”卫星是第二代地球静止轨道遥感气象卫星，下列说法正确的是(　　)   A．“风云四号”运行速度大于第一宇宙速度 B．“风云四号”卫星的发射速度大于第二宇宙速度 C．经过一段时间，“风云四号”可以运行到美国上空 D．“风云四号”做圆周运动的向心加速度小于地球表面的重力加速度 √ 5.如图所示是一张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上卫星的线速度大于7.9 km/s C.轨道c上卫星的运行周期可能与地球自转周期相同 D.仅根据轨道d上卫星的轨道半径、角速度和引力常量， 不能求出地球质量 √ 由=mω2r ，得M=，轨道d上卫星的r、ω、，可以求出地球质量 不存在b卫星轨道 小于7.9 km/s 轨道半径等于地球静止轨道卫星的轨道半径，根据开普勒第三定律，有运行周期等于地球自转周期 6．如图所示，卫星a还未发射，在地球赤道上随地球表面一起转动，卫星b绕地球做匀速圆周运动，卫星c是地球静止卫星，则(　　)   A．a的线速度小于第一宇宙速度 B．a、c的角速度和周期相等 C．b的运行周期比c的运行周期大 D．b的向心加速度比c的向心加速度小 √ √ 遨游太空 03 年月日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功；卫星质量，每绕地球飞行一圈 地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里 ——齐奥尔科夫斯基 3.我们的征程是星辰大海 人类航天史 ——第一颗人造卫星 年月日，苏联宇航员加加林进入了“东方1号”载人飞船，火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑 东方一号 尤里·加加林 3.我们的征程是星辰大海 人类航天史 ——人类第一次进入太空 年月日，“阿波罗号”飞船将两名宇航员送上了月球，实现了人类第一次登月. “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” ——阿姆斯特朗 人类航天史 3.我们的征程是星辰大海 ——人类第一次登月 “先驱者”10 号太空探测器 1972 年 3 月 2 日发射升空，1986 年 6 月飞出太阳系. “卡西尼”号土星探测器 1997 年 10 月 15日发射升空，2004 年 1日飞抵土星. 美国“凤凰”号火星探测器 2007 年 8 月 4日发射升空，2008 年 5月 25日在火星着陆. 中国航天史 长征系列运载火箭：浩瀚星空之旅始于“长征” 神舟飞船：神奇的天河之舟 嫦娥探月工程：嫦娥”奔月 玉兔号月球车：中国首辆月球车 鹊桥中继卫星：“鹊桥”相会 北斗导航系统：天上的星星参“北斗” 悟空暗物质粒子探测卫星：“悟空”火眼金睛 墨子号量子卫星 火星探测天问一号：屈原向天发问 天宫：载人空间站 风云气象卫星：施云布雨，风云检测 天舟：货运飞船 3.我们的征程是星辰大海 ——神话与科技的结合，浪漫与理性的结晶 这些中国航天人奋斗史的重要科研成果，一个个源自中国传统神话的名字刻下烂漫符号，这是烂漫与理性的结合，中国正在用实力将这些美丽的神话传说变为现实 46 美国国际空间站 中国天宫空间站 国际空间站的工作寿命已延长至至少2028年，在此期间将继续执行科研任务和载人实验。退役准备工作预计将在2028年启动，整个退役过程将持续约两年半，最终在2030年前后完成受控坠落。 嫦娥七号2026年4月9日运抵海南文昌，将于下半年发射。 3.我们的征程是星辰大海 中国航天史 ——我们的征程是星辰大海 我们的征程是星辰大海，共同追寻我们的中国航天强国梦！ 数风流人物，还看今朝！ 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、静止卫星等 宇宙速度与航天 本课结束 Lavf59.27.100 Lavf58.30.100 Lavf58.30.100 Lavf58.30.100 $