7.4 宇宙航行（教学课件）-2020-2021学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册.pptx

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1、中国北斗卫星系统中国北斗卫星系统中国北斗卫星系统中国北斗卫星系统卫星信号传输过程卫星信号传输过程卫星信号传输过程卫星信号传输过程如如今今，人人们们的的通通信信手手段段越越来来越越多多样样，加加强强了了世世界界的的联联系系。要要保保证证稳稳定定通通畅畅的的通通讯讯，需需要要同同步步卫卫星星进进行行信信号号的的传传递递。手手机机等等便便携携设设备备的的导导航航定定位位功功能能已已经经非非常常全全面面，要要实实现现精精确确的的导导航航，需需要要同同步步卫卫星发挥极大的作用。星发挥极大的作用。怎怎么么样样才才能能把把物物体体发发射射上上天天空空，且且不不再再落落回回地面地面？这这节课我们共同来学习相关

2、节课我们共同来学习相关知识知识。第七章第七章 万有引力与宇宙航万有引力与宇宙航行行第4节 宇宙航行问题与目标问题与目标1.通过了解通过了解人造卫星的有关知识人造卫星的有关知识，正确理解，正确理解人造卫星做匀速圆周运动人造卫星做匀速圆周运动时，各物理量之间时，各物理量之间的关系的关系。2.通过对通过对三个宇宙速度三个宇宙速度含义的了解，能推导含义的了解，能推导出第一宇宙速度。出第一宇宙速度。（一）（一）300300多年前牛顿的设想多年前牛顿的设想如图所示，如图所示，在在16871687年年出版的出版的自自然然哲学哲学的数学原理的数学原理中，牛顿设中，牛顿设想：把物体想：把物体从高山从高山上水平抛

3、出，上水平抛出，速度一次比一次大，速度一次比一次大，落地落地点也就点也就一次比一次远；抛出速度足够一次比一次远；抛出速度足够大大时时，物体就不会落回地面，成为，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星人造地球卫星。你知道这个速度。你知道这个速度究竟有多大吗？究竟有多大吗？如图所示，你认为四条轨道中可以作为卫星轨道的是哪些如图所示，你认为四条轨道中可以作为卫星轨道的是哪些?A A、C C、D D可能，可能，B B不可能。不可能。万万有有引引力力提提供供向向心心力力，所所以以轨轨道道平平面面一一定定会会经经过过地地球球的的中中心心，卫卫星星围围绕绕地地球球的的中心做匀速圆周运动。中心做匀速圆周运动。环

4、环绕绕天天体体做做圆圆周周运运动动的的轨轨道道平平面面的的圆圆心心必必须须是是中中心心天体的球心。天体的球心。（二）宇宙速度（二）宇宙速度人造卫星的发射速度至少达到多少才能绕地球做稳定的人造卫星的发射速度至少达到多少才能绕地球做稳定的圆周运动圆周运动?基本思路：卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对卫基本思路：卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供。星的万有引力提供。已知地球半径已知地球半径R=6400km，地球质量，地球质量M=6.01024kg，卫星在，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？大？根据根据又

5、又，地面地面附近附近可得可得为为什什么么抛抛出出速速度度小小于于7.9km/s时时，物物体体会会落落到到地地面面上上，而而不会做匀速圆周运动呢不会做匀速圆周运动呢?当速度等于当速度等于7.9km/s时，地球提供的重力正好等于物体以时，地球提供的重力正好等于物体以7.9km/s的速度做匀速圆周运动时所需的向心力，物体做匀的速度做匀速圆周运动时所需的向心力，物体做匀速圆周运动；当速度小于速圆周运动；当速度小于7.9km/s时，地球提供的重力将大时，地球提供的重力将大于物体做匀速圆周运动时所需的向心力，所以物体做向心于物体做匀速圆周运动时所需的向心力，所以物体做向心运动，落向地面。运动，落向地面。如

6、果抛出速度大于如果抛出速度大于7.9km/s呢？呢？这时地球提供的重力将小于物体做圆周运动所需的向心力，这时地球提供的重力将小于物体做圆周运动所需的向心力，物体将做离心运动，远离地球，不能再做匀速圆周运动。物体将做离心运动，远离地球，不能再做匀速圆周运动。当抛出速度当抛出速度v满足满足7.9km/sv11.2km/s时，物体将围绕地球时，物体将围绕地球做椭圆轨道的运动；当抛出速度做椭圆轨道的运动；当抛出速度v满足满足11.2km/sv16.7km/s时，物体将脱离地球的引力，永远离开地球进而进入太阳的时，物体将脱离地球的引力，永远离开地球进而进入太阳的引力范围，围绕太阳运动；当抛出速度引力范围

7、，围绕太阳运动；当抛出速度v满足满足v16.7km/s时，时，物体将脱离太阳的引力，永远离开太阳系。物体将脱离太阳的引力，永远离开太阳系。1.第一宇宙速度第一宇宙速度（1）第第一一宇宇宙宙速速度度：v=7.9km/s，这这是是物物体体在在地地球球附附近近绕绕地地球球做做匀匀速速圆圆周周运运动动的的速速度度，也也是是物物体体离离开开地地球球所所必必须须具具有的最小速度，故也称为有的最小速度，故也称为“最小发射速度最小发射速度”。（2）意意义义：第第一一宇宇宙宙速速度度是是人人造造卫卫星星在在地地球球附附近近环环绕绕地地球球做做匀匀速速圆圆周周运运动动的的速速度度，所所必必须须具具有有的的速速度度

8、，所所以以也也称称为环绕速度为环绕速度。根根据据“第第一一宇宇宙宙速速度度”知知识识点点的的方方法法思思路路，小小组组讨讨论论交交流梳理流梳理“第二宇宙速度与第三宇宙速度第二宇宙速度与第三宇宙速度”的知识点：的知识点：知识梳理知识梳理2.第二宇宙速度与第三宇宙速度第二宇宙速度与第三宇宙速度（1）第第二二宇宇宙宙速速度度：v=11.2km/s，大大于于此此速速度度，物物体体会克服地球的引力，永远离开地球。会克服地球的引力，永远离开地球。若若发发射射速速度度大大于于7.9km/s而而小小于于11.2km/s，物物体体绕绕地地球球的的运运动动轨轨迹迹就就不不是是圆圆，而而是是椭椭圆圆，但但还还在在地

9、地球球的的引引力力范范围之内。围之内。意意义义：使使卫卫星星挣挣脱脱地地球球的的束束缚缚，成成为为绕绕太太阳阳运运行行的的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。（2）第第三三宇宇宙宙速速度度：v=16.7km/s，大大于于此此速速度度，物物体会挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外。体会挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外。发发射射速速度度大大于于11.2km/s，而而小小于于16.7km/s，卫卫星星绕绕太太阳阳运运动动，成成为为太太阳阳的的一一颗颗人人造造行行星星。如如果果发发射射速速度度大大于于等等于于16.7km/s，卫卫星星将将挣挣脱脱太太阳阳引引力力

10、的的束束缚缚，飞飞到到太太阳系以外的空间。阳系以外的空间。意意义义：使使卫卫星星挣挣脱脱太太阳阳引引力力束束缚缚的的最最小小发发射射速速度度，也称为逃逸速度。也称为逃逸速度。（三）人造地球卫星（三）人造地球卫星与与近近地地轨轨道道相相比比，外外层层轨轨道道上上的的卫卫星的线速度比星的线速度比7.9km/s是大还是小呢？是大还是小呢？既既然然外外层层轨轨道道上上卫卫星星的的线线速速度度比比7.9km/s小小，那那如如果果要要将将卫卫星星发发现现到到外层轨道上，是不是需要的发射速度会小点外层轨道上，是不是需要的发射速度会小点?根根据据 知知轨轨道道半半径径越越大大，线线速速度度越越小小，所所以以外

11、外层层轨轨道道上上卫卫星星的的线线速速度比度比7.9km/s小。小。1.发射速度：发射速度：（1）发发射射速速度度是是指指卫卫星星在在地地面面附附近近离离开开发发射射装装置置的的初初速速度度，一一旦旦发发射射后后再再无无能能量量补补充充，被被发发射射物物仅仅依依靠靠自自己己的的初初动动能能克克服服地地球球引引力力上上升升一一定定的的高度，进入运动轨道。高度，进入运动轨道。（2）要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。）要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。2.运行速度运行速度(或环绕速度）：或环绕速度）：（1）运运行行速速度度是是指指卫卫星星在在进进人人运运行行轨

12、轨道道后后绕绕地地球球做做匀匀速速圆圆周周运运动动的的线线速度。速度。（2）当当卫卫星星“贴贴着着”地地面面飞飞行行时时，运运行行速速度度等等于于第第一一宇宇宙宙速速度度，当当卫卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。（3）在在所所有有环环绕绕地地球球做做匀匀速速圆圆周周运运动动的的卫卫星星中中，近近地地卫卫星星的的轨轨道道半半径径最最小小，由由 可可得得 ，轨轨道道半半径径越越小小，线线速速度度越越大大。所所以以在在这这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环

13、绕速度。3.卫星变轨如图所示，四颗卫星均绕地球做匀速圆周运动，方向均为逆时针方向。如果卫星3想追上卫星1，应该如何操作？不能直接加速或减速，如果加速，则卫星做离心运动，会进入外层轨道；如果减速，则卫星做向心运动，会进入内层轨道。故可以先加速后减速或先减速后加速的办法。问题（2）：假设某卫星正在地面附近绕地球做匀速圆周运动，速度是7.9km/s。现要让该卫星进人外层轨道，该如何操作?在某点瞬间加速，卫星将做离心运动，进入外层轨道后，再减速使卫星在该轨道上做匀速圆周运动。问题（3）：在牛顿抛物设想中，当抛出速度v满足7.9km/sv11.2km/s时，物体做什么运动？物体将围绕地球做椭圆轨道的运动

14、。从上面的分析，我们知道，要想将卫星发射到外层轨道，速度必须大于7.9km/s。总结：人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如图所示。（1）为了节省能量，在赤道上先顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道I上。（2）在A点点火加速，由于速度变大，万有引力不足以提供向心力，卫星做离心运动进入椭圆轨道。（3）在B点(远地点）再次点火加速进入圆形轨道牢记：第一宇宙速度是最大的环绕速度，同时也是最小的发射速度。火星探测器火星探测器火星探测器火星探测器天问一号天问一号天问一号天问一号天问一天问一天问一天问一号号号号发射过程发射过程发射过程发射过程4.地球同步卫星地球同步卫星接接着着我我们们来来认认识

15、识一一种种非非常常重重要要的的人人造造卫卫星星地地球球同同步步卫卫星星。所所谓谓地地球球同同步步卫卫星星，是是指指卫卫星星相相对对于于地地面面静静止止，即即与与地地球球具具有有相相同同自自转转周周期期的的卫卫星星，T=24h。地地球球同同步步卫卫星星必必须须位位于于赤赤道道上上方方距距地地面面高高h处处，并并且且h是一定的。那请同学们计算总结一下同步卫星有哪些特点。是一定的。那请同学们计算总结一下同步卫星有哪些特点。（1）同步卫星一定在赤道平面上。）同步卫星一定在赤道平面上。（2）同步卫星离地面的高度是确定的。）同步卫星离地面的高度是确定的。学生通过计算求出这个确定的高度：由学生通过计算求出这

16、个确定的高度：由得得：（T为为地地球球自自转转周周期期，M、R分分别别为为地地球球的的质质量量，半半径径）代入数值解得代入数值解得h=3.6107m。（3）三颗同步卫星基本可以覆盖全球。）三颗同步卫星基本可以覆盖全球。（四）载人航天与太空探索（四）载人航天与太空探索1957年年10月月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。1961年年4月月12日，苏联空军少校加加林进人了东方一号载人飞船，火日，苏联空军少校加加林进人了东方一号载人飞船，火箭点火起飞，绕地球飞行一圈，历时箭点火起飞，绕地球飞行一圈，历时108min，然后重返大气层，安全降落，然后重返大气层

17、，安全降落在地面上，铸就了人类进入太空的丰碑。在地面上，铸就了人类进入太空的丰碑。1969年年7月月16日日9时时32分分，“阿阿波波罗罗11号号”成成功功登登临临月月球球，载载人人航航天天技技术迅速发展。术迅速发展。1992年年，中中国国载载人人航航天天工工程程正正式式启启动动，2003年年10月月15日日9时时，我我国国神神舟舟五五号号宇宇宙宙飞飞船船把把中中国国第第一一位位航航天天员员杨杨利利伟伟送送入入太太空空。飞飞船船绕绕地地球球飞飞行行14圈圈后后安安全全降降落落。这这标标志志着着中中国国成成为为世世界界上上能能够够独独立立开开展展载载人人航航天天活活动动的的国国家，为我国进一步的

18、空间科学研究奠定了坚实的基础家，为我国进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。伴伴随随着着神神舟舟五五号号的的发发射射成成功功，我我国国已已正正式式启启动动嫦嫦娥娥工工程程，开开始始了了宇宇宙宙探探索索的的新新征征程程，截截至至2017年年底底，我我国国已已经经将将11名名(14人人次次）航航天天员员送送人人太空，包括两名女航天员。太空，包括两名女航天员。2013年年6月月，神神舟舟十十号号分分别别完完成成与与天天宫宫一一号号空空间间实实验验室室的的手手动动和和自自动交会对接。动交会对接。2016年年10月月19日日，神神舟舟十十一一号号完完成成与与天天宫宫二二号号空空间间实实验验室室自自动动交交会会对接。对接。2017年年4月月20日日，我我国国又又发发射射了了货货运运飞飞船船天天舟舟一一号号，入入轨轨后后与与天天宫宫二二号号空空间间实实验验室室进进行行自自主主交交会会对对接接、自自主主快快速速交交会会对对接接等等3次次交交会会对对接接及及多项实验。多项实验。D课堂小练课堂小练课堂小练课堂小练DD