【高中物理】宇宙航行（第1课时）课件 高一下学期物理人教版（2019）必修第二册.pptx

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1、人教版物理必修二人教版物理必修二第七章第七章 万有引力与宇宙航行万有引力与宇宙航行第三节第三节 7.4 7.4宇宙航行宇宙航行（1 1）课课堂堂引引入入从嫦娥奔月到万户飞天，从阿波罗从嫦娥奔月到万户飞天，从阿波罗1111号登月到天问一号登月到天问一号的火星之旅，人类一直在为号的火星之旅，人类一直在为“飞天飞天”梦想努力着。梦想努力着。Av一、人造卫星的发射原理一、人造卫星的发射原理实际上，早在实际上，早在 1687 1687 年出版的自年出版的自然哲学的数学原理中，牛顿就设然哲学的数学原理中，牛顿就设想：把物体从高山上水平抛出，速想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次度一

2、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，成为人造地球体就不会落回地面，成为人造地球卫星。卫星。讨论交流：以多大的速度抛出这个讨论交流：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？会落下来？二、人造卫星二、人造卫星1 1、卫星：卫星是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道、卫星：卫星是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体，人造卫星一般亦可称为卫做周期性运行的天然天体，人造卫星一般亦可称为卫星。人造卫星是由人类建造，以太空飞行载具如火箭、星。人造卫星是由人类建造，以太空飞行载具

3、如火箭、航天飞机等发射到太空中，像天然卫星一样环绕地球航天飞机等发射到太空中，像天然卫星一样环绕地球或其它行星的装置。（不过，如果两个天体质量相当，或其它行星的装置。（不过，如果两个天体质量相当，它们所形成的系统一般称为双行星系统，而不是一颗它们所形成的系统一般称为双行星系统，而不是一颗行星和一颗天然卫星）行星和一颗天然卫星）2 2、卫星轨道：可以是圆轨道（地心位于圆心），也、卫星轨道：可以是圆轨道（地心位于圆心），也可以是椭圆轨道（地心位于椭圆的一个焦点上），可以是椭圆轨道（地心位于椭圆的一个焦点上），但轨道平面必过地心。但轨道平面必过地心。3 3、人、人造地球卫星的轨道：造地球卫星的轨道：

4、人造卫人造卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力提提供供向心力，地球对卫星的万有引力指向地心。而做匀速圆周向心力，地球对卫星的万有引力指向地心。而做匀速圆周运运动动的物体的向心力时刻指向它所做圆周运动的圆心。因的物体的向心力时刻指向它所做圆周运动的圆心。因此人造此人造卫星绕卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合。这样就存在地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合。这样就存在三三类人类人造地球卫星轨道（如图所示）：造地球卫星轨道（如图所示）：(1(1）赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面上，卫）赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面上，卫星始终处星始终处

5、于赤道上方。于赤道上方。(2(2）极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，）极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通卫星通过两极上空。过两极上空。(3(3）一般轨道：卫星轨道和赤道成一定的角度。）一般轨道：卫星轨道和赤道成一定的角度。赤道轨道极地轨道倾斜轨道地球同步卫星人人造地球卫星的轨道：造地球卫星的轨道：赤道轨道赤道轨道同步轨道同步轨道自转自转轴（地轴）轴（地轴）北北北北南南南南极地轨道极地轨道倾倾斜斜轨轨道道一一般般轨轨道道讨论交流：讨论交流：人造地球卫星的轨道人造地球卫星的轨道平面可以不过地心吗平面可以不过地心吗？这样的轨道是否稳定这样的轨道是否稳定赤道平面赤道平面赤道平面赤道平面北

6、北北北南南南南4.4.人造卫星的分类：人造卫星的分类：按按轨道轨道分类分类:极地卫极地卫星、赤星、赤道卫道卫星、一般轨道星、一般轨道卫卫星星按按用途用途分类分类:通信卫通信卫星、气星、气象卫象卫星、导航卫星、预警卫星等星、导航卫星、预警卫星等技术卫星技术卫星气气象象卫星卫星气气象象卫星卫星侦察侦察卫星卫星资源观测卫星资源观测卫星通信卫星通信卫星太空望远镜太空望远镜预警侦察预警侦察卫星卫星科学探测卫星科学探测卫星技术实验卫星技术实验卫星通信卫星通信卫星资源观测卫星资源观测卫星5 5、人造卫星的两个速度、人造卫星的两个速度（1 1）发射速度：发射速度：指被发射物在地面附近离开发射装置时的初指被发射

7、物在地面附近离开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，被发射物仅依靠自己速度，并且一旦发射后就再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运动轨道的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运动轨道（2 2）环绕速环绕速度度（也叫运行速度或绕行速度）：（也叫运行速度或绕行速度）：是指卫星在进是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度当卫星入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度当卫星“贴着贴着”地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度 注意：卫星的实际环绕速度一定小于发射速度注意：卫星的实际环绕速度一定小于发射速度v

8、发射发射v运行运行向高轨道发射卫星时向高轨道发射卫星时,需要的发射速度越大。需要的发射速度越大。发发射射高轨道卫星比发射低轨道卫星困难，原因是发射高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。轨道卫星时火箭要克服地球对它的引力做更多的功。讨论交流：讨论交流：将卫星送入低将卫星送入低轨道和高轨道所需的发射轨道和高轨道所需的发射速度哪一个更大？哪一个速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？更容易？为什么？1231234三、人造卫星的运动规律三、人造卫星的运动规律1.1.卫星绕地球的运动和受力特点卫星绕地球的运动和受力特点卫星绕地球做圆周运动，地球对卫卫星

9、绕地球做圆周运动，地球对卫星的万有引力提供向心力。星的万有引力提供向心力。F F引引 =F=F向向 2.2.卫星的动力学方程卫星的动力学方程 (r-V-T(r-V-T的关系的关系)R R为地球的半径，为地球的半径，h h为卫星距地面为卫星距地面的高度的高度r=R+hr=R+h高轨低速长周期高轨低速长周期卫星运动情况卫星运动情况(a(a、V V、T T )是由是由 r r 惟惟 一决定一决定四、宇宙速度四、宇宙速度问题问题1 1：按牛顿的设想，在忽略空气阻力的情况下，在：按牛顿的设想，在忽略空气阻力的情况下，在地面上以越来越大的水平速度抛出物体，物体还做平抛地面上以越来越大的水平速度抛出物体，物

10、体还做平抛运动吗？运动吗？问题问题2 2：物体如果不落地，它将怎样运动：物体如果不落地，它将怎样运动？匀速圆周运动匀速圆周运动问题问题3 3：物体绕地球做圆周运动的向心力由什么力提供？：物体绕地球做圆周运动的向心力由什么力提供？是否需要考虑太阳的引力？是否需要考虑太阳的引力？讨论交流：讨论交流：已知：地球半径已知：地球半径R=6 400 km,R=6 400 km,地球质量地球质量m m地地=5.9810=5.98102424 kg,kg,引力常量引力常量G=6.6710G=6.6710-11-11 Nm Nm2 2/kg/kg2 2，太阳质量，太阳质量m m日日=2.02.010103030

11、 kg kg，太阳距地球的距离，太阳距地球的距离l=1.496=1.49610108 8 Km,Km,物体物体质量质量m=1Kgm=1Kg分析：地球对地球表面物体的吸引力分析：地球对地球表面物体的吸引力:太阳对地球表面物体的吸引力太阳对地球表面物体的吸引力:F1物体绕地球做圆周运动的向心力由物体绕地球做圆周运动的向心力由地球对物体的万有引力提供地球对物体的万有引力提供问题问题4 4：物体绕地球做圆周运动时，物体还和地球一起：物体绕地球做圆周运动时，物体还和地球一起自转吗？自转吗？不参与地球的自转不参与地球的自转,物体已离开地面物体已离开地面万有引力近似等于重力，提供物体做圆周运动的向心力万有引

12、力近似等于重力，提供物体做圆周运动的向心力问题问题5 5：请尝试推到物体在地球表面绕地球做圆周运动：请尝试推到物体在地球表面绕地球做圆周运动的速度？的速度？设：地球质量为设：地球质量为M M，物体质量为，物体质量为m m，地，地球半径为球半径为r r,运行速度为运行速度为v v,地球表面重地球表面重力加速度为力加速度为g g建立模型：建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动卫星绕地球做匀速圆周运动基本思路：基本思路：向心力由地球对卫星的万有向心力由地球对卫星的万有 引力提供引力提供方法一：方法一：方法二：方法二：第一宇宙速度第一宇宙速度物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度物体在地球附近绕地球做匀

13、速圆周运动的速度第一宇宙速度是在地面的最小发射速度，也第一宇宙速度是在地面的最小发射速度，也是最大在轨运行速度。是最大在轨运行速度。1.1.第一宇宙速度：第一宇宙速度：（环绕速度）（环绕速度）（1 1）概念：物体发射速度为）概念：物体发射速度为7.9km/s7.9km/s，称为第一宇宙速度，也称环绕速度。称为第一宇宙速度，也称环绕速度。（2 2）状态和特点：只能贴近地球做匀速圆周运动，既是绕地匀速圆周运动）状态和特点：只能贴近地球做匀速圆周运动，既是绕地匀速圆周运动的最大环绕速度，也是克服引力做功最少的最小发射速度。的最大环绕速度，也是克服引力做功最少的最小发射速度。2.2.第二宇宙速度：第二

14、宇宙速度：（脱离速度）（脱离速度）（1 1）概念：物体发射速度为）概念：物体发射速度为11.2km/s11.2km/s，称为第二宇称为第二宇宙速度宙速度（2 2）状态和特点：脱离地球引力，不再绕地球运行。）状态和特点：脱离地球引力，不再绕地球运行。3.3.第三宇宙速度：第三宇宙速度：（逃逸速度）（逃逸速度）（1 1）概念：物体发射速度为）概念：物体发射速度为16.7km/s16.7km/s，称为第三宇宙速度称为第三宇宙速度（2 2）状态和特点：摆脱太阳引力，逃出太阳系。成为自由天体）状态和特点：摆脱太阳引力，逃出太阳系。成为自由天体注意注意：宇宙速度都是针对发射速度；以上三个宇宙速度都是地宇宙

15、速度都是针对发射速度；以上三个宇宙速度都是地球上的宇宙速度，球上的宇宙速度，不同中心天体三个宇宙速度也不相同。不同中心天体三个宇宙速度也不相同。（1 1）第一宇宙速度）第一宇宙速度是发射人造地球卫星的最小发是发射人造地球卫星的最小发射速度射速度,当当V V发发=7.9km/s=7.9km/s时，卫星恰好环绕地球表面做匀速圆周运动；要使卫时，卫星恰好环绕地球表面做匀速圆周运动；要使卫星在较高的轨道上运行，就必须使发射速度大于星在较高的轨道上运行，就必须使发射速度大于7.9km/s7.9km/s。（3 3）发射速度小于）发射速度小于7.9km/s7.9km/s时，卫星将不能围绕地球做圆周时，卫星将

16、不能围绕地球做圆周运动，而是落回地面。运动，而是落回地面。（4 4）第一宇宙速度是卫星相对地心的线速度。地面上发射卫星）第一宇宙速度是卫星相对地心的线速度。地面上发射卫星时的发射速度，是卫星获得相对地面的速度与地球自转速度的时的发射速度，是卫星获得相对地面的速度与地球自转速度的合速度，所以赤道上自西向东发射卫星，可以节省一定的能量。合速度，所以赤道上自西向东发射卫星，可以节省一定的能量。几点说明：几点说明：（2 2）第一宇宙速度是最大的环绕速度。由）第一宇宙速度是最大的环绕速度。由 知，轨道越知，轨道越高，环绕速度越小，即人造地球卫星的环绕速度高，环绕速度越小，即人造地球卫星的环绕速度v7.9

17、km/sv7.9km/s。（5 5）当发射速度大于）当发射速度大于7.9km/s 7.9km/s 时：时：若若7.9km/sV7.9km/sV发发11.2km/s,11.2km/s,但环绕速度但环绕速度V V运运7.9km/s 7.9km/s，卫星仍，卫星仍绕地球运行，但径迹是椭圆，地球处在椭圆的一个焦点上。绕地球运行，但径迹是椭圆，地球处在椭圆的一个焦点上。若若 11.2km/sV11.2km/sV发发16.7km/s16.7km/sV16.7km/s，卫星脱离太阳的吸引，而成为自由天体。，卫星脱离太阳的吸引，而成为自由天体。（6 6）人造地球卫星的运行速度和发射速度间的大小关系：）人造地球

18、卫星的运行速度和发射速度间的大小关系：V V运运7.9km/s 7.9km/s V V发发 11.2km/s11.2km/s练习练习1.1.两颗人造地球卫星质量之比两颗人造地球卫星质量之比m m1 1mm2 2=12,=12,轨道轨道半径之比半径之比R R1 1RR2 2=31=31，下列有关数据之比正确的是，下列有关数据之比正确的是()A.A.周期之比周期之比T T1 1TT2 2=31 =31 B.B.线速度之比线速度之比v v1 1vv2 2=31=31C.C.向心力之比向心力之比F F1 1FF2 2=19 =19 D.D.向心加速度之比向心加速度之比a a1 1aa2 2=19=19

19、D D练习练习2.2.如图所示，如图所示，a a、b b、c c是在地球大气层外圆形轨道是在地球大气层外圆形轨道上运动的上运动的3 3颗卫星，下列说法正确的是（颗卫星，下列说法正确的是（）A.bA.b、c c的线速度大小相等，且大于的线速度大小相等，且大于a a的线速度的线速度B.bB.b、c c的向心加速度大小相等，且大于的向心加速度大小相等，且大于a a的向心加速度的向心加速度C.cC.c加速可追上同一轨道上的加速可追上同一轨道上的b b，b b减速可等候同一轨道减速可等候同一轨道上的上的c cD.aD.a卫星由于某原因，轨道半径卫星由于某原因，轨道半径 缓慢减小，其线速度将增大缓慢减小，

20、其线速度将增大D D练习练习3.3.根据观察，在土星外层有一个环，根据观察，在土星外层有一个环，为了判断该环是土星的连续物还是小卫星为了判断该环是土星的连续物还是小卫星群，可测出环中各层的线速度群，可测出环中各层的线速度V V与该层到与该层到土星中心的距离土星中心的距离R R之间的关系。下列判断之间的关系。下列判断正确的是（正确的是（）A.A.若若V V与与R R成正比，则环为连续物成正比，则环为连续物B.B.若若V V2 2与与R R成正比，则环为小卫星群成正比，则环为小卫星群C.C.若若V V与与R R成反比，则环为连续物成反比，则环为连续物D.D.若若V V2 2与与R R成反比，则环为小卫星群成反比，则环为小卫星群ADADA AB B 练习练习4.4.如图所示，有如图所示，有A A、B B两个卫星绕地球做圆周两个卫星绕地球做圆周运动，旋转方向相同，运动，旋转方向相同，A A卫星的周期为卫星的周期为T T1 1，B B卫星卫星的周期为的周期为T T2 2，在某一时刻两卫星第一次相遇（即，在某一时刻两卫星第一次相遇（即两卫星相距最近）两卫星相距最近）求：求：1.1.多长时间后两卫星第二次相遇？多长时间后两卫星第二次相遇？2.2.多长时间后两卫星第一次最远多长时间后两卫星第一次最远？