《宇宙航行》课件- 高一下学期物理人教版版（2019）必修第二册.pptx

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1、宇宙航行资料显示，资料显示，SpaceX 计划在计划在 2019 年至年至 2024 年间在太空搭年间在太空搭建由约建由约 1.2 万颗卫星组成的万颗卫星组成的“星链星链”网络提供互联网服务。网络提供互联网服务。IT之家了解到，目前已有之家了解到，目前已有 1919 颗颗 Starlink 卫星绕地球运卫星绕地球运行。行。在在16871687年出版的年出版的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理中，牛顿设想抛出速度很大时，物体中，牛顿设想抛出速度很大时，物体就不会落回地面。就不会落回地面。牛顿的设想问题：问题：抛出物体初速度满足什么条件时将不再落回地面而环绕地球做匀速圆周抛出物体初速度满足什么条

2、件时将不再落回地面而环绕地球做匀速圆周运动呢？运动呢？可得可得当物体做匀速圆周运动时，地球对物体的万有引力恰好提当物体做匀速圆周运动时，地球对物体的万有引力恰好提供向心力，即满足：供向心力，即满足：问题：问题：已知已知=6.6710=6.6710-11-11NmNm2 2/kg/kg2 2,地球质量地球质量M=5.8910M=5.89102424kg,kg,地球半径地球半径R=6400kmR=6400km，这个速度多大呢？，这个速度多大呢？问题：问题：若已知地球表面重力加速度若已知地球表面重力加速度g=9.8m/sg=9.8m/s2 2，地球半径，地球半径R=6400km,R=6400km,能

3、否计能否计算物体恰好绕地球做匀速圆周运动的速度呢？请尝试。算物体恰好绕地球做匀速圆周运动的速度呢？请尝试。物体恰好绕地球做匀速圆周运动时，万有引力等于重物体恰好绕地球做匀速圆周运动时，万有引力等于重力提供物体圆周运动的向心力力提供物体圆周运动的向心力可得可得结论结论：卫星发射成功的最小速度为：卫星发射成功的最小速度为一、宇宙速度一、宇宙速度1.1.第一宇宙速度（第一宇宙速度（v=7.9km/sv=7.9km/s）：物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动）：物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度。的速度。结论：第一宇宙速度是发射卫星的最小发射速度。结论：第一宇宙速度是发射卫星的最小发射速度。,高轨

4、道卫星与低轨道卫星高轨道卫星与低轨道卫星相比哪个相比哪个运行速度大？为什么运行速度大？为什么?结论：第一宇宙速度结论：第一宇宙速度是卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度。是卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度。以以7.9Km/s7.9Km/s速度速度绕地表运行绕地表运行在该处点火加速在该处点火加速,使使速度速度V7.9Km/sV7.9Km/s卫星卫星进入椭圆轨道进入椭圆轨道由由P P到到Q Q速度变速度变小机械能守恒小机械能守恒在该处再次点火加速在该处再次点火加速,但以但以v7.9Km/sv7.9Km/s进入进入预定轨道预定轨道.PQ卫星的发射过程人造地球卫星人造地球卫星的运行轨道的运行轨道所有卫

5、星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上运行。所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上运行。【互动探究互动探究】若卫星做圆若卫星做圆周运动，周运动，有没有不以地心有没有不以地心为圆心的卫星轨道呢？为圆心的卫星轨道呢？没有，卫星靠万有引力提供向心没有，卫星靠万有引力提供向心力，而万有引力指向地心，故轨力，而万有引力指向地心，故轨道圆心一定与地心重合。道圆心一定与地心重合。PV=7.9km/s7.9km/sV11.2km/sV11.2km/S探究:若卫星的发射速度大于7.9km/s ，会怎样呢？离开地球再离开地球再也不回来也不回来2.2.第二宇宙速度（大小：第二宇宙速度（大小：v=11.2km/

6、sv=11.2km/s）：当物体的速度大于或等于）：当物体的速度大于或等于11.2km/s11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。3 3.第三宇宙速度（大小：第三宇宙速度（大小：v=16.7km/sv=16.7km/s）：如果物体的速度大于或等）：如果物体的速度大于或等于于16.7km/s16.7km/s，物体就能摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外。，物体就能摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外。如果物体所具的动能足以达到上述数值，便可以脱离地球如果物体所具的动能足以达到上述数值，便可以脱离地球引力的控制，即引力的控制，即而而拓展拓展:第二

7、宇宙速度的推导第二宇宙速度的推导推导如下：推导如下：用用M M表示地球的质量，表示地球的质量，R R表示地球的半径，表示地球的半径，m m表示物体的质量，表示物体的质量，G G表示引力常量，把一个物体从地球表面发射到无限远去，对它表示引力常量，把一个物体从地球表面发射到无限远去，对它所需做的功所需做的功W W是是物体脱离地球引力进入行星轨道需要的速度，叫做第二物体脱离地球引力进入行星轨道需要的速度，叫做第二宇宙速度宇宙速度,2 2=11.2km/s.=11.2km/s.物体如果进一步挣脱太阳引力的束缚，则需要更多的能量，挣物体如果进一步挣脱太阳引力的束缚，则需要更多的能量，挣脱太阳系而飞向太阳

8、系以外的宇宙空间去，必须具有的最小速度脱太阳系而飞向太阳系以外的宇宙空间去，必须具有的最小速度叫做第三宇宙速度，叫做第三宇宙速度，3 3=16.7km/s=16.7km/s。所以所以拓展拓展:第三宇宙速度的推导第三宇宙速度的推导 推导方法如下：推导方法如下：地球以约地球以约30km/s30km/s的速度绕太阳运动，地球上的物体也随着地球以这个速的速度绕太阳运动，地球上的物体也随着地球以这个速度绕太阳运动。正像物体挣脱地球引力所需的最小速度等于它绕地球运动的速度绕太阳运动。正像物体挣脱地球引力所需的最小速度等于它绕地球运动的速度的度的 倍那样，物体脱离太阳引力的束缚所需的速度应等于它绕太阳运动的

9、倍那样，物体脱离太阳引力的束缚所需的速度应等于它绕太阳运动的速度的速度的 倍，即倍，即 。由于人造天体已有绕太阳运动的速度由于人造天体已有绕太阳运动的速度30km/s30km/s，所以只要使它沿地球运动轨道方向增加所以只要使它沿地球运动轨道方向增加12.4km/s12.4km/s的速度就行。但要物体获得这的速度就行。但要物体获得这个速度，首先必须使它挣脱地球引力的作用。因此，除了给予物体以个速度，首先必须使它挣脱地球引力的作用。因此，除了给予物体以 的动能外（其中的动能外（其中m m表示人造成天体的质量，表示人造成天体的质量，v v表示增加的速度表示增加的速度12.4km/s12.4km/s）

10、，还需），还需给予它给予它 (v(v2 2表示第二宇宙速度表示第二宇宙速度)的动能，即的动能，即 .用用V V3 3表表示第三宇宙速度（以地球为参考系），则人造天体应具有的动能等于示第三宇宙速度（以地球为参考系），则人造天体应具有的动能等于 时，才能满足上述条件，则时，才能满足上述条件，则 月球月球月球轨道地月转移轨道点火加速减速制动地球（3 3）第三宇宙速度：第三宇宙速度：v v=16.7=16.7千米千米/秒秒（卫星挣脱（卫星挣脱太阳太阳束缚的最小发射速度）束缚的最小发射速度）（1 1）第一宇宙速度：第一宇宙速度：v v=7.9=7.9千米千米/秒秒（地球（地球卫星的卫星的最大最大环绕速度

11、环绕速度，地球卫星的，地球卫星的最小最小发射发射速度，速度，近地近地卫星环绕速度）卫星环绕速度）（2 2）第二宇宙速度：第二宇宙速度：v v=11.2=11.2千米千米/秒秒（卫星挣脱（卫星挣脱地球地球束缚变成小行星的最小发射速度）束缚变成小行星的最小发射速度）或或宇宙速度小结1.1.根据下列情形根据下列情形,写出金星第一宇宙速度的表达式写出金星第一宇宙速度的表达式:(1)(1)已知金星的质量已知金星的质量M M和它的半径和它的半径R.R.(2)(2)已知金星表面自由落体的加速度已知金星表面自由落体的加速度g g和它的半径和它的半径R.R.答案：答案：(1)(1)(2)(2)【2 2】A A星

12、球的第一宇宙速度为星球的第一宇宙速度为9km/s9km/s，已知，已知B B星球的质星球的质量是量是A A星球质量的星球质量的1/811/81，A A星球半径是星球半径是B B星球半径的星球半径的4 4倍，倍，则在则在B B星球上发射星球上发射“近地卫星近地卫星”的最小发射速度约为的最小发射速度约为多少？多少？解解:由由 由由 得得3.探月宇航员在月球表面以初速度v0竖直上抛一个物体，物体能上升的最大高度为h已知月球的直径为d，(1)要要使物体不再落回使物体不再落回月月球表面，抛射速度至少为球表面，抛射速度至少为（）(2)则绕月球做圆周运动的航天器的最小周期为（）A B C D DA4.美国宇

13、航局2011年12月5日宣布，他们发现了太阳系外第一颗类似地球的、能适合居住的行星“开普勒226”，其直径约为地球的2.4倍至今其确切质量和表面成分仍不清楚，假设该行星的密度和地球相当，根据以上信息，估算该行星的第一宇宙速度等于()A3.3103 m/s B7.9103 m/s C1.2104 m/s D1.9104 m/s D【5】发射一颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星发射一颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星,如果它的轨如果它的轨道半径是地球半径的道半径是地球半径的4 4倍倍,它的轨道速度是第一宇宙速度的它的轨道速度是第一宇宙速度的多少倍？多少倍？解解:由万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力得由万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力得设第一宇宙速度为设第一宇宙速度为v v1 1,卫星的轨道速度为卫星的轨道速度为v v2 2它的轨道速度是第一宇宙速度的它的轨道速度是第一宇宙速度的0.50.5倍倍