【物理 】宇宙航行課件-2023-2024學(xué)年高一下學(xué)期物理人教版（2019）必修第二冊

7.4宇宙航行提示：萬有引力提供物體作勻速圓周運動的向心力。這個拋出速度就是做勻速圓周運動的線速度。探究問題：以多大的速度拋出一個物體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？（變成了近地衛(wèi)星）(已知Ｇ=6.67×10-11N·m2/kg2,地球質(zhì)量M=5.98×1024kg,地球半徑R=6400km)

探究問題一

第一宇宙速度的推導(dǎo)且r=R（地球近地衛(wèi)星的線速度）若不知道地球的質(zhì)量M,只知道地球表面重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km，又該如何計算？地球表面附近，物體受到的重力等于地球?qū)ξ矬w的引力，此時重力提供向心力1.第一宇宙速度既是最小的發(fā)射速度，也是最大的環(huán)繞速度。2.不同星體的第一宇宙速度不一樣(1)發(fā)射速度：指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時的初速度.(2)運行速度：也叫環(huán)繞速度，是指衛(wèi)星在進入運行軌道后繞地球做勻速圓周運動的線速度。

B

一、宇宙速度1.第一宇宙速度：v1=7.9km/s．它是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動的線速度．

如果發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛(wèi)星將沿橢圓軌道繞地球運行，地心就成為橢圓軌道的一個焦點．

當(dāng)物體的速度大于或等于11.2km/s時，衛(wèi)星就會脫離地球的引力，不再繞地球運行。我們把這個速度叫第二宇宙速度。達(dá)到第二宇宙速度的物體還受到太陽的引力。

第二宇宙速度

如果物體的速度大于或等于16.7km/s，物體就擺脫了太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙空間去。我們把這個速度叫第三宇宙速度。第三宇宙速度太陽衛(wèi)星指一些自然或人工的在太空中繞行星運動的物體。

在地球上拋出的物體，當(dāng)它的速度足夠大時，物體就永遠(yuǎn)不會落到地面上，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆繞地球運動的人造地球衛(wèi)星,簡稱人造衛(wèi)星。人造地球衛(wèi)星的發(fā)射設(shè)想圖v平拋洲際導(dǎo)彈人造衛(wèi)星增大

發(fā)射速度足夠大才能逃離地面；

發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度有多大呢？發(fā)射速度越大，衛(wèi)星軌道離地表越遠(yuǎn)！是否存在平行于其它緯度面的衛(wèi)星軌道面？二、人造衛(wèi)星O1.所有人造衛(wèi)星均有F萬=F向2.所有人造衛(wèi)星的軌道圓心都是地心FF向F′同步衛(wèi)星軌道地球同步衛(wèi)星1.定義：地球同步衛(wèi)星是保持在地球赤道的地面上空、運行周期與地球的自轉(zhuǎn)周期相同的人造地球衛(wèi)星。rRh始終相對地面靜止，與地球自轉(zhuǎn)“同步”①軌道平面一定：赤道平面②周期一定：地球自轉(zhuǎn)周期24h④角速度、線速度、向心加速度一定③高度一定：⑤繞行方向一定：與地球自轉(zhuǎn)一致同步衛(wèi)星軌道rRh2.特點：同步衛(wèi)星通訊單顆衛(wèi)星信號所能覆蓋的最大面積為地球表面的42%左右。故需要3顆同步衛(wèi)星才能實現(xiàn)全球通訊。同步衛(wèi)星只能分布在赤道正上方的一條圓弧上，為了衛(wèi)星之間不相互干擾，大約3o左右才能放置一顆衛(wèi)星?？臻g位置也是一種資源。三、衛(wèi)星變軌問題VF萬F萬＜F向F萬＞F向衛(wèi)星變軌問題MmA點速度—內(nèi)小外大（在A點看軌跡）在A點萬有引力相同AF萬=F向·人造衛(wèi)星從低軌道高軌道的完整過程在低軌道上加速，使其沿橢圓軌道運行，當(dāng)行至橢圓軌道的遠(yuǎn)點處時再次加速，即可使其沿高軌道運行。衛(wèi)星在橢圓軌道運行近地點---速度大，加速度大遠(yuǎn)地點---速度小，加速度小123QP衛(wèi)星發(fā)射（1軌至3軌）示意圖vp2>vp1vQ3>vQ2v1>v3vp2>vQ2橢圓軌道:第一次變軌：第二次變軌：圓軌道上穩(wěn)定運行：，aP2=aP1，aQ3=aQ2，aP2>aQ2,a1>a3周期呢？P、Q位置實際加速度與向心加速度大小關(guān)系？例2

2018年12月12日16時45分嫦娥四號探測器經(jīng)過約110小時的奔月飛行到達(dá)月球附近。假設(shè)“嫦娥四號”在月球上空某高度處做圓周運動，運行速度為v1，為成功實施近月制動，使它進入更靠近月球的預(yù)定圓軌道，設(shè)其運行速度為v2。對這一變軌過程及變軌前后的速度對比正確的是(

)A．發(fā)動機向后噴氣進入低軌道，v1>v2B．發(fā)動機向后噴氣進入低軌道，v1<v2C．發(fā)動機向前噴氣進入低軌道，v1>v2D．發(fā)動機向前噴氣進入低軌道，v1<v2D例3

如圖所示為衛(wèi)星發(fā)射過程的示意圖，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后經(jīng)點火，使其沿橢圓軌道2運行，最后再一次點火，將衛(wèi)星送入同步圓軌道3.軌道1、2相切于Q點，軌道2、3相切于P點，則當(dāng)衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運行時，以下說法中正確的是（）A.衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率B.衛(wèi)星在軌道3上的周期大于在軌道2上的周期C.衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點時的速率大于它在軌道2上經(jīng)過Q點時的速率D.衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點時的加速度小于它在軌道3上經(jīng)過P點時的加速度B例4

我國發(fā)射“中星9A”衛(wèi)星，按預(yù)定計劃，“中星9A”應(yīng)該首先被送入近地點約為200公里，遠(yuǎn)地點約為3.6萬公里的轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ(橢圓)，然后通過在遠(yuǎn)地點變軌，進入最終同步軌道Ⅲ(圓形).但是由于火箭故障，衛(wèi)星實際入軌后初始軌道Ⅰ遠(yuǎn)地點只有1.6萬公里.科技人員沒有放棄，經(jīng)過10次軌道調(diào)整，終于成功定點于預(yù)定軌道，如圖所示.下列正確的是（）A.“中星9A”發(fā)射失利原因可能是發(fā)射速度沒有達(dá)到7.9km/sB.衛(wèi)星在軌道Ⅲ經(jīng)過Q點時和在軌道Ⅱ經(jīng)過Q點時速度相同C.衛(wèi)星在軌道Ⅱ經(jīng)過Q點的加速度大于它經(jīng)過P點時的加速度D.衛(wèi)星從軌道Ⅰ的P點進入軌道Ⅱ后速度增加D四、飛船對接問題宇宙飛船與空間站的對接空間站實際上就是一個載有人的人造衛(wèi)星，那么，地球上的人如何到達(dá)空間站，空間站上的人又如何返回地面？這些活動都需要通過宇宙飛船來完成，這就存在一個宇宙飛船與空間站對接的問題。

思考：能否把宇宙飛船先發(fā)射到空間站的同一軌道上，再通過加速去追上空間站實現(xiàn)對接呢？不行，因為飛船加速后做離心運動會偏離原來的圓軌道而無法與空間站對接。如圖示，飛船首先在比空間站低的軌道運行當(dāng)運行到適當(dāng)位置時，再加速運行到一個橢圓軌道。通過控制軌道使飛船跟空間站恰好同時運行到兩軌道的相切點，此時飛船適當(dāng)減速，便可實現(xiàn)對接。空間站飛船對接方法：從較低軌道加速去追及（對接）例5假設(shè)“天宮二號”與“神舟十一號”都圍繞地球做勻速圓周運動，為了實現(xiàn)飛船與空間實驗室的對接，下列措施可行的是(

)A．使飛船與空間實驗室在同一軌道上運動，然后飛船加速追上空間實驗室實現(xiàn)對接B．使飛船與空間實驗室在同一軌道上運行，然后空間實驗室減速等待飛船實現(xiàn)對接C．飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上加速，加速后飛船逐漸靠近空間實驗室，兩者速度接近時實現(xiàn)對接D．飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上減速，減速后飛船逐漸靠近空間實驗室，兩者速度接近時實現(xiàn)對接

C處理思路：(1)根據(jù)＝mrω2判斷出誰的角速度大。(2)若初始時刻，兩星與天體在同一直線上，則內(nèi)軌道所轉(zhuǎn)過的圓心角與外軌道所轉(zhuǎn)過的圓心角之差為π的整數(shù)倍時就是兩星相距最近或相距最遠(yuǎn)的時刻。(3)在分析衛(wèi)星與地球上的物體的相遇與追及問題時，要根據(jù)地球上物體與同步衛(wèi)星角速度相同的特點進行判斷。

五、天體中的追及、相遇問題例6假設(shè)有一載人宇宙飛船在距地面高度為4200km的赤道上空繞地球做勻速圓周運動，地球半徑