人教版(新教材)高中物理必修2：74-宇宙航行課件

4宇宙航行

第七章萬有引力與宇宙航行4宇宙航行第七章萬有引力與宇宙航行1【新課導(dǎo)入】如圖所示，在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)；拋出速度足夠大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。你知道這個(gè)速度究竟有多大嗎？【新課導(dǎo)入】如圖所示，在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)21、曾經(jīng)的飛天1、曾經(jīng)的飛天32、牛頓的設(shè)想在高山上，平拋一物體，物體會(huì)落地，如果增加平拋初速度，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？v增大2、牛頓的設(shè)想在高山上，v增大4在簡(jiǎn)化之后，在高中物理中有：1、物體只受到指向地心的引力作用；2、物體繞地球的運(yùn)動(dòng)可視作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；3、萬有引力提供物體運(yùn)動(dòng)所需的向心力。物體在地球附近繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，太陽的作用可以忽略。一、宇宙速度在簡(jiǎn)化之后，在高中物理中有：物體在地球附近繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，太陽5設(shè)地球的質(zhì)量為m地，物體的質(zhì)量為m，速度為v，它到地心的距離為r。萬有引力提供物體運(yùn)動(dòng)所需的向心力，所以由此解出設(shè)地球的質(zhì)量為m地，物體的質(zhì)量為m，速度為v，它到地心的距離6已知地球質(zhì)量為5.98×1024kg，近地衛(wèi)星在100~200km的高度飛行，遠(yuǎn)小于地球半徑（6400km），可以近似用地球半徑R代替衛(wèi)星到地心的距離r。把數(shù)據(jù)代入上式后算出這就是物體在地球附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫作第一宇宙速度。已知地球質(zhì)量為5.98×1024kg，近地衛(wèi)星在100~207物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)可近似認(rèn)為向心力是由重力提供的，有思考與討論：有人說，第一宇宙速度也可用（式中g(shù)為重力加速度，R為地球半徑）算出，你認(rèn)為正確嗎？物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)可近似認(rèn)為向心力是由重力8在地面附近發(fā)射飛行器，如果速度等于7.9km/s，這一飛行器只能圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，還不能脫離地球引力的束縛，飛離地球?qū)崿F(xiàn)星際航行。第一宇宙速度v1=7.9km/s在地面附近發(fā)射飛行器，如果速度等于7.9km/s，這一飛9理論研究指出，在地面附近發(fā)射飛行器，如果速度大于7.9km/s，又小于11.2km/s，它繞地球運(yùn)行的軌跡就不是圓，而是橢圓。當(dāng)飛行器的速度等于或大于11.2km/s時(shí)，它就會(huì)克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球。我們把

11.2km/s叫作第二宇宙速度第二宇宙速度v2=11.2km/s理論研究指出，在地面附近發(fā)射飛行器，如果速度大于7.9k10達(dá)到第二宇宙速度的飛行器還無法脫離太陽對(duì)它的引

力。在地面附近發(fā)射飛行器，如果要使其掙脫太陽引力的

束縛，飛到太陽系外，必須使它的速度等于或大于

16.7km/s，

這個(gè)速度叫作第三宇宙速度.第三宇宙速度v3=16.7km/s達(dá)到第二宇宙速度的飛行器還無法脫離太陽對(duì)它的引力。在地面附11總結(jié)：發(fā)射速度v運(yùn)動(dòng)情況v<7.9km/s物體落回地面v=7.9km/s物體在地面附近做勻速圓周運(yùn)動(dòng)7.9km/s<v<11.2km/s物體繞地球運(yùn)動(dòng)，軌跡為橢圓11.2km/s≤v<16.7km/s物體繞太陽運(yùn)動(dòng)16.7km/s≤v物體飛出太陽系總結(jié)：發(fā)射速度v運(yùn)動(dòng)情況v<7.9km/s物體落回地面v=712二、人造地球衛(wèi)星二、人造地球衛(wèi)星131、人造地球衛(wèi)星的軌道人造衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)：萬有引力提供向心力軌道中心：地心1、人造地球衛(wèi)星的軌道人造衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)：萬有引力提供向142.衛(wèi)星的繞行速度、角速度、周期和軌道半徑的關(guān)系（1）線速度隨軌道半徑的關(guān)系：可見：衛(wèi)星繞行軌道半徑越大，繞行速度越小。（2）角速度隨軌道半徑的關(guān)系：可見：衛(wèi)星繞行的角速度隨軌道半徑增大而減小。（3）周期隨軌道半徑的關(guān)系：可見：衛(wèi)星繞行的周期隨軌道半徑增大而增大。2.衛(wèi)星的繞行速度、角速度、周期和軌道半徑的關(guān)系（1）線速度15由⑴、⑵、⑶式可以看出衛(wèi)星的線速度隨高度增大而減小，角速度隨高度增大而減小，周期隨高度增大而增大。在周期、角速度、線速度和軌道半徑四個(gè)物理量中，一個(gè)量發(fā)生變化時(shí)，另外三個(gè)量一定同時(shí)變化。由⑴、⑵、⑶式可以看出衛(wèi)星的線速度隨高度增大而減小，角速度隨16F赤道平面北南東西F思考：衛(wèi)星的軌道F赤道平面北南東西F思考：衛(wèi)星的軌道173.人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行軌道衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，是地球的引力提供向心力，衛(wèi)星受到地球的引力方向指向地心，而做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力方向始終指向圓心，所以衛(wèi)星圓周運(yùn)動(dòng)的圓心和地球的地心重合。這樣就存在三類人造地球衛(wèi)星軌道：①赤道軌道，衛(wèi)星軌道在赤道平面，衛(wèi)星始終處于赤道上方；②極地軌道，衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直，衛(wèi)星通過兩極上空；③一般軌道，衛(wèi)星軌道和赤道成一定角度。3.人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行軌道衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，是地18思考：眾多人造地球衛(wèi)星中，哪些衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)最快？R越小，v越大（1）近地衛(wèi)星：指衛(wèi)星軌道半徑近似等于地球半徑，即貼近地表=7.9km/s所有人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，與最大環(huán)繞速度4.人造地球衛(wèi)星的分類思考：眾多人造地球衛(wèi)星中，哪些衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)最快？R越小，v越大（19（2）同步衛(wèi)星：指相對(duì)于地面靜止的人造衛(wèi)星，它跟著地球轉(zhuǎn)，同步地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其周期T=24h.A、所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道正上方的一個(gè)確定軌道，即同步衛(wèi)星軌道平面與赤道平面重合。（2）同步衛(wèi)星：指相對(duì)于地面靜止的人造衛(wèi)星，它跟著地球轉(zhuǎn)，同20B、關(guān)于同步衛(wèi)星的六個(gè)“一定”①軌道平面一定②周期與角速度一定⑥運(yùn)轉(zhuǎn)方向一定③軌道半徑一定⑤向心加速度的大小一定④速度大小一定赤道平面24h6.6R3.08km/s自西向東

B、關(guān)于同步衛(wèi)星的六個(gè)“一定”①軌道平面一定②周期與角速度一21C、同步衛(wèi)星的用途：主要用于通信，故也稱通信衛(wèi)星。3顆同步衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋為了同步衛(wèi)星之間不相互干擾，大約3°左右才能放置一顆同步衛(wèi)星，也就是說，地球上空只能放下120顆同步衛(wèi)星。截止2012年，已發(fā)射100多顆。C、同步衛(wèi)星的用途：主要用于通信，故也稱通信衛(wèi)星。3顆同步衛(wèi)22h=3.6×107mr=4.2×107mv=3km/sT=24hh=3.8×108mr≈3.8×108mv=1km/sT=27天h≈0r=6.4×106mv=7.9km/sT=84分鐘同步衛(wèi)星近地衛(wèi)星月球近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、月球三者比較h=3.6×107mr=4.2×107mv=3km/sT=2234.人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度（1）發(fā)射速度是指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時(shí)的速度,并且一旦發(fā)射就再也沒有補(bǔ)充能量,被發(fā)射物僅依靠自身的初動(dòng)能克服地球引力做功上升一定高度,進(jìn)入運(yùn)行軌道.因衛(wèi)星上升過程中要克服引力和空氣阻力(在大氣層中時(shí))做功消耗動(dòng)能,所以衛(wèi)星越高,發(fā)射速度越大。4.人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度（1）發(fā)射速度是指被發(fā)射物在24（2）運(yùn)行速度是指衛(wèi)星在進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度,根據(jù)可知,衛(wèi)星越高軌道半徑越大,衛(wèi)星運(yùn)行速度(環(huán)繞速度)就越小,近地衛(wèi)星可認(rèn)為v發(fā)=v運(yùn)

,其它較高衛(wèi)星的v發(fā)＞v運(yùn).（2）運(yùn)行速度是指衛(wèi)星在進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速25（1）嫦娥探月軌道圖5.衛(wèi)星變軌（1）嫦娥探月軌道圖5.衛(wèi)星變軌26（2）衛(wèi)星變軌原理MmF引vF引=F向F引<F向F引>F向升入高軌降入低軌（2）衛(wèi)星變軌原理MmF引vF引=F向F引<F向F引>F向升27(3)衛(wèi)星發(fā)射12衛(wèi)星在圓形軌道運(yùn)行速度為v1

v2r

F引v

減小(3)衛(wèi)星發(fā)射12衛(wèi)星在圓形軌道運(yùn)行速度為v1

v2r

F28

32v3

v4

32v3

v429（4）衛(wèi)星回收32

1（4）衛(wèi)星回收32

13032

1

（5）小結(jié)A、在軌道相切點(diǎn)，萬有引力相同，加速度相同B、橢圓軌道上：近地點(diǎn)：速度大，加速度大遠(yuǎn)地點(diǎn)：速度小，加速度小32

1

（5）小結(jié)A、在軌道相切點(diǎn)，萬有引力相同，加速度相31321

v2>v1>v4>v3v4v3v2v1C、速度關(guān)系321

v2>v1>v4>v3v4v3v2v1C32人類航天始祖----萬戶人類航天的始祖是我國(guó)明朝的萬戶。在15世紀(jì)的我國(guó)明朝早期，一位名叫“萬戶”的官員，在一把椅子的背后裝上47支火箭。當(dāng)然，那是當(dāng)時(shí)能買到的最大的火箭。他自己坐在椅子上，并用繩子綁緊。兩手則各拿一個(gè)大風(fēng)箏。然后他要仆人將47支火箭同時(shí)點(diǎn)燃，想借用火箭的力量把他推向空中。這是美國(guó)人羅伯特·吉姆在1945年出版的《火箭與噴射》一書中的敘述。英國(guó)、德國(guó)和前蘇聯(lián)的一些火箭專家，在他們的著作中也提到或引用了這件事。可見，萬戶是世界上公認(rèn)的“第一個(gè)嘗試?yán)没鸺M(jìn)行飛行的人”。為表彰他的功績(jī)，國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)將月球上的一座環(huán)形山命名為“萬戶”。三、載人航天與太空探索人類航天始祖----萬戶人類航天的始祖是我國(guó)明朝的萬戶。在1331957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星。1961年4月12日蘇聯(lián)空軍少校加加林乘坐東方一號(hào)載人飛船進(jìn)入太空，實(shí)現(xiàn)了人類進(jìn)入太空的夢(mèng)想。1969年7月20日，阿波羅11號(hào)將人類送上了月球。四、夢(mèng)想成真1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星。1961年4月34誰為人類邁向太空提供科學(xué)思想19世紀(jì)中葉俄羅斯學(xué)者齊奧爾科夫斯基（噴氣推進(jìn)的多級(jí)火箭）第一顆人造地球衛(wèi)星何時(shí)何地發(fā)射成功1957年10月4日蘇聯(lián)第一艘載人飛船何時(shí)何地發(fā)射成功1961年4月12日蘇聯(lián)加加林東方一號(hào)載人飛船誰為人類邁向太空提供科學(xué)思想19世紀(jì)中葉俄羅斯學(xué)者齊奧爾科夫35人類何時(shí)登上月球1969年7月16日9時(shí)32分，美國(guó)阿波羅11號(hào)升空，19日進(jìn)入月球軌道，20日下午4時(shí)17分著陸，10時(shí)56分阿姆斯特朗踏上月面。對(duì)個(gè)人來說，這不過是小小的一步，但對(duì)人類而言，卻是巨大飛躍。人類何時(shí)登上月球1969年7月16日9時(shí)32分，美國(guó)阿波羅36人類遨游太空回顧蒂托2001年4月30日，第一位太空游客、美國(guó)人蒂托（中）快樂地進(jìn)入國(guó)際空間站，開始了他為期一周的太空觀光生活。太空旅游的開辟使得普通人也能夠像宇航員一樣暢游星際之間。人類遨游太空回顧蒂托371970年4月24日我國(guó)