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

第七章 万有引力与宇宙航行 04 宇宙航行 一、宇宙速度 从山顶水平抛出一个小球，小球做什么运动？ 平抛运动 一、宇宙速度 如果速度足够大呢？ 小球落地的距离越来越远。 只要速度足够大，小球可以绕地球转一圈回到原来的位置，做匀速圆周运动，成为一颗人造卫星。 一、宇宙速度 思考 小球抛出的速度有多大，才能绕地球做匀速圆周运动？ 小球绕地球做匀速圆周运动时，地球对小球的万有引力提供作为向心力。 将 ， ， 代入上式中 地球上的物体，只要速度达到7.9km/s，就会绕地球做匀速圆周运动，成为一颗人造卫星。 一、宇宙速度 近地卫星离地面的高度为100—200km，远小于地球的半径，高度可以忽略不计，近似认为轨道半径等于地球半径，近地卫星绕地球做匀速圆周运动的线速度为7.9km/s。人造卫星的发射速度也要达到7.9km/s，才能绕地球做匀速圆周运动。 我们把7.9km/s叫做第一宇宙速度。 实际中，多数卫星离地面的高度不可忽略 地球 思考 1、卫星离地面高度越高，卫星线速度越大还是越小？ 卫星轨道 根据 卫星离地面高度越高，轨道半径r越大，线速度v越小。 2、卫星轨道半径最小是什么？此时卫星的线速度是什么？ 理论上卫星轨道半径r最小为地球半径R，此时卫星的线速度为第一宇宙速度。 3、人造卫星的发射速度小于第一宇宙速度会怎么样？ 一、宇宙速度 会掉下来，人造卫星发射失败。 结论： 1、第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度； 2、第一宇宙速度是人造卫星做匀速圆周运动的最大运行速度。 这两个结论相互矛盾吗？ 不矛盾，人造卫星的发射速度不等于运行速度，发射速度要大于等于第一宇宙速度，发射后会减速，最终运行速度小于等于第一宇宙速度。 做一做 推导第一宇宙速度的另一个表达式 一、宇宙速度 思考 如果人造卫星的发射速度大于第一宇宙速度，人造卫星会怎么运动？ v 万有引力不足以提供人造卫星所需的向心力，人造卫星会被甩出去做离心运动，在远离地球的过程中，万有引力与速度的夹角为钝角，人造卫星要减速，人造卫星的发射速度小于11.2km/s的情况下，人造卫星减速运动到某个点后又会被地球的万有引力拉回来，做向心运动，在靠近地球的过程中，万有引力与速度的夹角为锐角，人造卫星要加速，人造卫星的运动轨道成为椭圆。 F1 v1 F2 v2 减速 加速 远地点 速度最小 近地点 速度最大 离心运动 向心运动 一、宇宙速度 如果飞行器的发射速度大于等于11.2km/s，人造卫星将克服地球的吸引，永久离开地球。我们把11.2km/s叫作第二宇宙速度。第二宇宙速度是第一宇宙速度的 倍。 达到第二宇宙速度的飞行器虽然脱离离地球的束缚，但仍然没有脱离太阳的束缚，还在绕太阳运行，要使飞行器脱离太阳的束缚，飞行器的发射速度必须要大于等于16.7km/s，这个速度叫做第三宇宙速度。 地球上物体的发射速度 v < 7.9km/s：掉下来，发射失败 v = 7.9km/s：绕地球表面做匀速圆周运动 7.9km/s < v < 11.2km/s：绕地球做椭圆运动 11.2km/s ≤ v < 16.7km/s：永久离开地球，绕太阳运行 v ≥ 16.7km/s\)：永久离开太阳 二、人造地球卫星 赤道平面轨道 极地轨道 倾斜轨道 不管是哪一种轨道，轨道的圆心必须在地心上。 人造卫星的轨道 二、人造地球卫星 卫星轨道半径为r 半径r越大，线速度v越小 半径r越大，角速度ω越小 半径r越大，周期T越大 总结：半径越大，卫星运行越慢。 二、人造地球卫星 绕地球公转周期与地球自转周期相同的卫星叫做地球同步卫星。 做一做 计算地球同步卫星的高度。 R h 注意：轨道半径r=R+h 或 带入数据 轨道平面与赤道平面重合，运动方向与地球自转方向相同的地球同步卫星，因为相对地面静止，叫做静止卫星。 二、人造地球卫星 地球同步卫星的轨道属于高轨道，发射高轨道卫星需要多次变轨。 1、先发射卫星进入圆形低轨道I； I 2、卫星在低轨道运行稳定后在P点加速使卫星进入椭圆轨道II，P点为椭圆轨道的近地点； P II 3、卫星在椭圆轨道运行稳定后，在远地点Q点加速使卫星进入圆形高轨道III。 Q III 三、载人航天与太空探索 太空探索 1961 年 4 月 12 日，苏联航天员加加林进入太空。 1969 年 7 月 20 日，美国阿波罗号登陆月球。 1957 年 10 月 4 日，世界上第一颗人造卫星发射成功。 1970 年 4 月 24 日，我国第一颗人造卫星 “东方红一号” 发射成功。 2003 年 10 月 15 日，我们神舟五号宇宙飞船将中国第一位宇航员杨利伟送入太空。 2008 年 9 月 27 日，神舟七号航天员翟志刚完成中国人首次出舱活动。 2013 年 6 月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站手动对接和自动对接。 三、载人航天与太空探索 太空探索 我国嫦娥四号 2019 年 1 月 3 日实现了人类航天器首次月球背面软着陆与巡视探测器。 2017 年 4 月 20 日，我国又发射了货运飞船天舟一号。 2016 年 10 月 19 日，神舟十一号完成完成与天宫二号空间站的自动交换对接。 嫦娥五号于 2020 年 12 月 1 日着陆于月球天船基地，共获取月球样品 1731g。 2021 年 5 月 15 日，天问一号探测器着陆火星。 2022 年 11 月 30 日，神舟十五号 3 名航天员顺利进驻空间站，与神舟十四号顺利会师。 三、载人航天与太空探索 钱学森（1911年12月11日—2009年10月31日），著名航天科学家，中国科学院、中国工程院资深院士，中国航天事业奠基人。1955年10月，钱学森冲破重重阻力回到祖国 。1956年，任中国科学院力学研究所所长。钱学森开创了工程控制论、物理力学两门新兴学科，为人类科学事业的发展作出了重要贡献。钱学森最先为中国火箭导弹技术的发展提出了极为重要的实施方案，并长期担任中国火箭导弹和航天事业的技术领导职务 ，为实现中国国防尖端技术的新突破建立了卓越功勋 。他潜心研究的工程控制论、系统工程理论，广泛应用于军事、农业、林业乃至社会经济各个领域的实践活动，在中国现代化建设中发挥了重要作用 。1991年10月，钱学森被授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号，被授予一级英雄模范奖章。1999年9月，被授予“两弹一星功勋奖章” 。钱学森是中国共产党的优秀党员，忠诚的共产主义战士，享誉世界的中国国家杰出贡献科学家 。2009年10月31日，钱学森在北京逝世，享年98岁 。 下 课 $