7.4 宇宙航行 课件-2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

7.4 宇宙航行 人教版（2019） · 高中物理必修二 第七章 万有引力与宇宙航行 1.7.2013 ‹#› 01 宇宙速度 02 人造地球卫星 03 载人航天与太空探索 目 录 1.7.2013 ‹#› 思想的实验：牛顿的高山抛体设想 牛顿曾设想，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，则落点一次比一次远，如果速度足够大， 物体就不再落到地面上来，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。 思考：物体初速度达到多大时就可以发射成为一颗人造卫星呢? 1.7.2013 ‹#› 第一部分 宇宙速度 1.7.2013 ‹#› 宇宙速度 算一算：以多大的速度抛出物体，它才会绕地球表面运动，不会掉下来？ (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 请同学们计算：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？ 1.7.2013 ‹#› 宇宙速度 思考与讨论 如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度 g，如何求速度 v ？ 由 这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度， 叫作第一宇宙速度（环绕速度）。 则 1.7.2013 ‹#› 宇宙速度 1.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： (g为地球表面重力加速度；R为地球球体半径) 地球的第一宇宙速度大小为7.9km/s。 1.7.2013 ‹#› 宇宙速度 (3)第一宇宙速度的理解： 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 1.7.2013 ‹#› 宇宙速度 (3)第一宇宙速度的理解： v＝7.9 km/s是最大环绕速度 1.7.2013 ‹#› 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。 2.第二宇宙速度 1.7.2013 ‹#› 宇宙速度 3.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）。 1.7.2013 ‹#› 宇宙速度 3.三大宇宙速度对比 数值 意义 第一宇宙速度 7.9km/s (1)卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度(2)人造卫星的最小地面发射速度 第二宇宙速度 11.2km/s 使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度 第三宇宙速度 16.7km/s 使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度 1.7.2013 ‹#› 宇宙速度 例1 关于第一宇宙速度，下面说法中错误的是(  )  A.它是人造地球卫星绕地飞行的最小速度 B.它是人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度V C.它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度V D.从人造卫星的环绕地球运转的速度可知，把卫星发射到越远的地方越容易       √ √ 例题精讲 1.7.2013 ‹#› 第二部分 人造地球卫星 1.7.2013 ‹#› 人造地球卫星 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”…… 第一人造卫星发射成功 1.7.2013 ‹#› 人造地球卫星 我国发射的卫星 东方红1号卫星 嫦娥1号卫星 北斗导航卫星 墨子号量子卫星 云海1号卫星 1.7.2013 ‹#› 人造地球卫星 1.7.2013 ‹#› 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： 赤道轨道 极地轨道 倾斜轨道 卫星的轨道与赤卫星的轨道与赤道共面，卫星始终处于赤道正上方。 道共面，卫星始终处于赤道正上方。 卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上空。 卫星的轨道与赤道平面成某一角度。 1.7.2013 ‹#› 人造地球卫星 人造地球卫星的运行轨道 所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上运行。 1 2 3 将卫星送入低轨道和高轨道所需的发射速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？ ★向高轨道发射卫星时, 需要的发射速度越大。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。 问题：对于绕地球运动的人造卫星,其向心加速度、线速度、角速度、周期随轨道半径的变化规律？ 1.7.2013 ‹#› 人造地球卫星 1. 卫星绕地球的运动和受力特点 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：F引 = F向 2. 卫星的动力学方程 ( r – v – ω – T 的关系 ) r R 1.7.2013 ‹#› 人造地球卫星 3.地球静止同步卫星 (1)定义：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星。 (2)特点：六个“一定” ①转动方向一定：和地球自转方向一致； ②周期一定：和地球自转周期相同，即T＝24 h； ③角速度一定：等于地球自转的角速度； 1.7.2013 ‹#› 人造地球卫星 ④轨道平面一定：所有的静止卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合； ⑤高度一定：离地面高度固定不变(约3.6×104 km)； ⑥速率一定：线速度大小一定。 特点：定轨道、定周期、 定角速度、定高度、定线速度 1.7.2013 ‹#› 人造地球卫星 例题精讲 例2　如图所示，中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统.其中有静止轨道同步卫星和中地球轨道卫星.已知中地球轨道卫星的轨道高度在5 000～15 000 km，则下列说法正确的是 A.中地球轨道卫星的线速度小于静止轨道同步卫星的线速度 B.上述两种卫星的运行速度可能大于7.9 km/s C.中地球轨道卫星绕地球一圈的时间大于24小时 D.静止轨道同步卫星的周期大于中地球轨道卫星的周期 √ 1.7.2013 ‹#› 第三部分 载人航天与太空探索 1.7.2013 ‹#› 载人航天与太空探索 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。 人类首次进入太空 01. 1.7.2013 ‹#› 载人航天与太空探索 人类登月成功 02. 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。” 1.7.2013 ‹#› 载人航天与太空探索 中国第一颗人造地球卫星发射成功 03. 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。 1.7.2013 ‹#› 载人航天与太空探索 中国第一次载人航天 04. 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，标志着我国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。 1.7.2013 ‹#› 载人航天与太空探索 中国第一座空间站 05. 2021年4月29日，天和核心舱从海南文昌航天发射中心成功发射入轨，中国天宫空间站建设任务正式启动。 截至2022年11月29日，空间站关键技术验证和建造阶段12次发射任务全部完成。11月30日，神舟十五号载人飞船顺利与“T”字构型空间站组合体交会对接。 2024年4月，神舟十八号3名航天员顺利进驻中国空间站。 1.7.2013 ‹#› 课堂小结 知识 梳理 宇宙速度 第一宇宙速度(7.9km/s)：最小发射/最大环绕速度 第二宇宙速度(11.2km/s)：脱离地球引力的速度 第三宇宙速度(16.7km/s)：脱离太阳引力的速度 人造卫星 运行原理：万有引力提供向心力，做匀速圆周运动 常见轨道：近地轨道、地球同步轨道、极地轨道 主要应用：通信、气象预报、全球导航、军事侦察等 载人航天与太空探索 人造卫星：已广泛应用于社会生产生活，服务各行各业 载人航天：成功实现了人类飞出地球、进入并驻留太空的梦想 空间站：成为人类在太空中长期生活、工作和科学研究的“家” 1.7.2013 ‹#› 课堂练习 1.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 √ 1.7.2013 ‹#› 课堂练习 2．华为卫星通话是华为推出的一项创新技术，该技术可以通过部署在地球静止卫星轨道上的多颗“天通一号”系列卫星与外界进行联系。“天通一号”系列卫星均位于36000公里的地球同步轨道，单颗卫星可以覆盖地球的面积三分之一，其离地高度约为地球半径的5倍。关于该系列卫星，下列说法正确的是（    ）  A．“天通一号”系列卫星速率大于7.9km/s B.“天通一号”系列卫星质量越大速率越小 C．为了实现全球通信，至少需要部署三颗卫星 D．“天通一号”系列卫星的向心加速度约为地表重力加速度 √ 1.7.2013 ‹#› 课堂练习 3. 如图所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星，a、b质量相同，且小于c的质量，则（ ） A . b所需向心力最大 B . b、c周期相等，且大于a周期 C . b、c向心加速度相等，且大于a的向心加速度 D . b、c的线速度大小相等，且小于a的线速度 a c b 地球 √ √ 1.7.2013 ‹#› 课堂练习 4.如图，有a、b、c、d四颗卫星，a未发射，在地球赤道上随地球一起转动，b为近地轨道卫星，c为地球同步卫星，d为高空探测卫星，所有卫星的运动均视为匀速圆周运动，重力加速度为g，则下列关于四颗卫星的说法正确的是（　　） A．a卫星的向心加速度等于重力加速度g B．b卫星与地心连线在单位时间扫过的 面积等于c卫星与地心连线在单位时间扫过的面积 C．b、c卫星轨道半径的三次方与运行周期平方之比相等 D．a卫星的运行周期等于d卫星的运行周期 √ 1.7.2013 ‹#› 感谢聆听 1.7.2013 ‹#› 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Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)可得v＝eq \r(\f(GM,r))，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。 FormatFactory : www.pcfreetime.com $