【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(cè)

人教版高一物理必修第二冊(cè)第二學(xué)期第七章7.4宇宙航行第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行第4節(jié)宇宙航行核心素養(yǎng)目標(biāo)1、物理觀念：知道三個(gè)宇宙速度的含義和數(shù)值，會(huì)計(jì)算第一宇宙速度．2、科學(xué)思維：掌握人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系．3、科學(xué)探究：理解近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的區(qū)別．4、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：掌握衛(wèi)星的變軌問題．教學(xué)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)：知道三個(gè)宇宙速度的含義和數(shù)值，會(huì)計(jì)算第一宇宙速度．

掌握人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系．教學(xué)難點(diǎn)：

理解近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的區(qū)別．

掌握衛(wèi)星的變軌問題．萬(wàn)有引力:定律自然界中任何兩個(gè)物體都相互吸引，引力的大小跟這兩個(gè)物體的質(zhì)量的乘積成正比，跟它們的距離的平方成反比。其中G為引力常量，r為兩物體的中心距離，m為物體的質(zhì)量。方向：在兩個(gè)物體的連線上。引力常量：

G=6.67×10-11

Nm2/kg2回顧舊知兩種計(jì)算星球引力地面（或某星球表面）的物體的重力近似等于萬(wàn)有引力環(huán)繞天體所需的向心力由中心天體對(duì)環(huán)繞天體的萬(wàn)有引力提供回顧舊知萬(wàn)有引力與重力關(guān)系Rrr=R+hh緯度越大，g越大。高度越大，g越小回顧舊知從嫦娥奔月到萬(wàn)戶飛天，從阿波羅11號(hào)登月到天問一號(hào)的火星之旅，人類一直都?jí)粝腼w往太空，那要怎樣才能實(shí)現(xiàn)呢？情境導(dǎo)入1.登月過(guò)程需要解決的問題？（1）如何讓嫦娥五號(hào)飛出地球？（2）如何讓嫦娥五號(hào)飛向月球？（3）如何讓航天器飛向宇宙？情境導(dǎo)入2、（1）拿一支粉筆水平拋出，粉筆做什么運(yùn)動(dòng)？（2）在相同高度使拋出時(shí)的速度更大一些，與第一次拋出有什么區(qū)別？（3）是否可以一直運(yùn)動(dòng)不掉下來(lái)？為什么會(huì)這樣呢？可以看作平拋運(yùn)動(dòng)水平飛出的距離更遠(yuǎn)不可以，因?yàn)槭艿街亓ψ饔?，粉筆會(huì)向下運(yùn)動(dòng)。牛頓的設(shè)想英國(guó)科學(xué)家牛頓(1643-1727)在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想拋出速度足夠大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面。情境導(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？情境導(dǎo)入思考：衛(wèi)星需要多大速度才能繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)？又是什么力提供向心力呢？

衛(wèi)星繞地球近似可以看做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。萬(wàn)有引力提供向心力。物體做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為r、地球半徑為R、物體距地面高度h。r=R+hrR近地衛(wèi)星距地面高度在100km--200km左右，遠(yuǎn)小于地球半徑。因?yàn)?，R遠(yuǎn)大于h。r=R+h約等于R代入得：第一宇宙速度F引任務(wù)探究一一、宇宙速度思考：以多大的速度拋出這個(gè)物體，它才會(huì)繞地球表面運(yùn)動(dòng)，不會(huì)落下來(lái)？（已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球質(zhì)M=6×1024kg，地球半徑R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）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（環(huán)繞速度）。1.第一宇宙速度的分析與計(jì)算(1)環(huán)繞法：萬(wàn)有引力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力任務(wù)探究一一、宇宙速度1.第一宇宙速度的分析與計(jì)算思考：以多大的速度拋出這個(gè)物體，它才會(huì)繞地球表面運(yùn)動(dòng)，不會(huì)落下來(lái)？（已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球質(zhì)M=6×1024kg，地球半徑R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）(2)拱橋法：當(dāng)支持力為0時(shí)，重力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。mgFN任務(wù)探究一一、宇宙速度（2）是航天器成為衛(wèi)星的最小發(fā)射速度2.是衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度（1）第一宇宙速度的大小：v=7.9×103km/s;1.第一宇宙速度的分析與計(jì)算發(fā)射衛(wèi)星的軌道越高，需要克服萬(wàn)有引力的阻礙作用越多，所以發(fā)射速度需要增加。因此第一宇宙速度也是航天器成為衛(wèi)星的最小發(fā)射速度。

剛好貼著地球表面更高的軌道因此第一宇宙速度也是衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度。任務(wù)探究一如何計(jì)算第一宇宙速度衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度——第一宇宙速度

地球?qū)πl(wèi)星的引力提供

衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法一：則地球表面重力提供

向心力計(jì)算方法2：則貼著地球表面飛行，軌道半徑r=地球半徑R任務(wù)探究一A理論研究表明，在地面附近的A點(diǎn)，以速度v發(fā)射飛行器。v1若：v=7.9km/s，飛行器沿圓形軌道1在地面附近繞地心勻速圓周運(yùn)動(dòng)。2若：11.2km/s>v>7.9km/s，飛行器沿軌道2(橢圓軌道)運(yùn)動(dòng)。3速度v越大，軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)離地球越遠(yuǎn)。若：速度v=11.2km/s呢？第一宇宙速度（環(huán)繞速度）任務(wù)探究二vA3當(dāng)速度v=11.2km/s，飛行器將沿軌道4（白色虛線）運(yùn)動(dòng)，只是這個(gè)橢圓軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)在離地球無(wú)限遠(yuǎn)處，飛行器將脫離地球引力束縛，永遠(yuǎn)離開地球。第二宇宙速度（脫離速度）21任務(wù)探究二一、宇宙速度2.認(rèn)識(shí)第二宇宙速度理論研究指出，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（逃逸速度）。任務(wù)探究二當(dāng)速度v=16.7km/s，飛行器將脫離太陽(yáng)引力束縛，飛到太陽(yáng)系以外。4第三宇宙速度（逃逸速度）任務(wù)探究二3.認(rèn)識(shí)第三宇宙速度達(dá)到第二宇宙速度的飛行器還無(wú)法脫離太陽(yáng)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(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)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（脫離速度）。注意：在地面發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡不是圓，而是橢圓；等于或大于11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球。任務(wù)探究二旅行者一號(hào)（飛出太陽(yáng)系）任務(wù)探究二發(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繞地球表面，勻速圓周7.9km/s<v<11.2km/s繞地球，橢圓運(yùn)動(dòng)11.2km/s≤v<16.7km/s物體繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)16.7km/s≤v物體飛出太陽(yáng)系三個(gè)宇宙速度任務(wù)探究二一、宇宙速度數(shù)值意義第一宇宙速度___km/s(1)衛(wèi)星在地球表面附近繞地球做_____________的速度(2)人造衛(wèi)星的最小地面發(fā)射速度第二宇宙速度____km/s使衛(wèi)星掙脫_____引力束縛的最小地面發(fā)射速度第三宇宙速度____km/s使衛(wèi)星掙脫_____引力束縛的_____地面發(fā)射速度7.9勻速圓周運(yùn)動(dòng)11.2地球16.7太陽(yáng)最小任務(wù)探究二1970年4月24日，我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號(hào)”發(fā)射成功。二、人造衛(wèi)星1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功。二.人造地球衛(wèi)星任務(wù)探究三

錢學(xué)森，世界著名科學(xué)家，空氣動(dòng)力學(xué)家，中國(guó)載人航天奠基人，“中國(guó)科制之父”和“火箭之王”，由于錢學(xué)森回國(guó)效力，中國(guó)導(dǎo)彈、原子彈的發(fā)射向前推進(jìn)了至少20年。曾任美國(guó)麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院教授。1950年錢學(xué)森回國(guó)受阻，并受美國(guó)方面監(jiān)禁，1955年，在毛澤東主席和周恩來(lái)總理的爭(zhēng)取下回到中國(guó)。中國(guó)航天之父中國(guó)航天之父：錢學(xué)森（1911.12.11－2009.10.31）任務(wù)探究三二、人造衛(wèi)星任務(wù)探究三任務(wù)探究三二、人造衛(wèi)星（一）人造地球衛(wèi)星的軌道特點(diǎn)1、衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道可以是橢圓軌道，也可以是圓軌道．(1)衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，地心是橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)，衛(wèi)星的周期和半長(zhǎng)軸的關(guān)系遵循開普勒第三定律．(2)衛(wèi)星繞地球沿圓軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)榈厍驅(qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力提供了衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的向心力，而萬(wàn)有引力指向地心，所以地心必定是衛(wèi)星圓軌道的圓心．(3)衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)(如同步衛(wèi)星)，可以通過(guò)兩極上空(極地軌道)，也可以和赤道平面成任一角度，如圖所示．任務(wù)探究三二、人造衛(wèi)星任務(wù)探究三二、人造衛(wèi)星二、人造衛(wèi)星3.人造地球衛(wèi)星的分類（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。任務(wù)探究三二、人造衛(wèi)星3.人造地球衛(wèi)星的分類（2）同步衛(wèi)星的“六個(gè)一定”①軌道平面一定：赤道平面②周期與角速度一定：T=24h⑤運(yùn)轉(zhuǎn)方向一定:自西向東③軌道半徑一定:r=6.6R④速度大小一定:v=3.08km/s⑥向心加速度的大小一定:任務(wù)探究三任務(wù)探究三二、人造衛(wèi)星（3）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,為了使同步衛(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(shuō)，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。.(多選)三顆人造地球衛(wèi)星A、B、C繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖所示，已知mA＝mB=mC，則對(duì)于三顆衛(wèi)星，正確的是(

)ABD針對(duì)訓(xùn)練任務(wù)探究三人造衛(wèi)星軌道如圖所示，A、B、C、D四條軌道中可以作為衛(wèi)星軌道的是哪一條？ABCD根據(jù)：衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力必須指向地心衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道特點(diǎn)：萬(wàn)有引力提供向心力，所以軌道平面一定經(jīng)過(guò)地球中心，衛(wèi)星圍繞地球的中心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。問題：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周？可以有哪些軌道？注：所有衛(wèi)星軌道一定過(guò)地心任務(wù)探究三任務(wù)探究四三、載人航天與太空探索

1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員加加林進(jìn)入稱為第一個(gè)進(jìn)入太空的人類。

1969年阿波羅登月，阿姆斯特朗說(shuō)了那名言：“對(duì)個(gè)人來(lái)說(shuō)，這不過(guò)是小小的一步，但對(duì)人類而言,卻是巨大飛E躍?！闭n堂小結(jié)宇宙航行宇宙速度第一宇宙速度（環(huán)繞速度）:第二宇宙速度（逃逸速度）:第三宇宙速度（脫離速度）:v2=11.2km/sv1=7.9km/sv3=16.7km/s人造地球衛(wèi)星載人航天與太空探索近地衛(wèi)星極地衛(wèi)星同步衛(wèi)星任務(wù)探究四任務(wù)探究四四、載人航天與太空探索2003年10月15日9時(shí)，我國(guó)神舟五號(hào)宇宙飛船把中國(guó)第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后安全降落。這標(biāo)志著中國(guó)成為世界上能夠獨(dú)立開展載人航天活動(dòng)的國(guó)家。在載人航天方面，繼神舟五號(hào)之后，截至2017年底，我國(guó)已經(jīng)將11名(14人次)航天員送入太空，包括兩名女航天員。任務(wù)探究五1.若取地球的第一宇宙速度為8km/s，某行星質(zhì)量是地球的6倍，半徑是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度約為(

) A.16km/s B.32km/s C.4km/s D.2km/sA40任務(wù)探究五2.如圖所示，是同一軌道平面內(nèi)的三顆人造地球衛(wèi)星，下列說(shuō)法正確的是()A.線速度vA＜vB＜vCB.根據(jù)萬(wàn)有引力定律，可知FA＞FB＞FCC.角速度ωA＞ωB＞ωCD.向心加速度aA＜aB＜aCC3.設(shè)地球的質(zhì)量為M，半徑為R，自轉(zhuǎn)角速度為ω，萬(wàn)有引力常量為G，同步衛(wèi)星離地心高度為r，地表重力加速度為g，則關(guān)于同步衛(wèi)星的速度v的表達(dá)式正確的是（）

A．

B．

C．

D．ACD任務(wù)探究五任務(wù)探究五4.如圖所示，天宮二號(hào)在橢圓軌道Ⅰ的遠(yuǎn)地點(diǎn)開始變軌，變軌后在圓軌道Ⅱ上運(yùn)行，A點(diǎn)離地面高度約為380km，地球同步衛(wèi)星離地面高度約為36000km。若天宮二號(hào)變軌前后質(zhì)量不變，則下列說(shuō)法正確的是（）A．天宮二號(hào)在軌道Ⅰ上運(yùn)行通過(guò)近地點(diǎn)B時(shí)速度最小B．天宮二號(hào)在軌道Ⅰ上的機(jī)械能小于在軌道Ⅱ上的機(jī)械能C．天宮二號(hào)在軌道Ⅱ上運(yùn)行的周期一定大于24hD．天宮二號(hào)在軌道Ⅰ上運(yùn)行通過(guò)點(diǎn)A時(shí)的加速度一定小于在軌道ⅡA上運(yùn)行通過(guò)點(diǎn)時(shí)的加速度B如圖所示，a、b、c是地球大氣層外圓形軌道上運(yùn)行的三顆人造衛(wèi)星，a和b的質(zhì)量相等，且小于c的質(zhì)量，則()A．b所需向心力最小B．b、c的周期相等且大于a的周期C．b、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度D．b、c的線速度大小相等，且小于a的線速度ABD任務(wù)探究五任務(wù)探究五我國(guó)“中星11號(hào)”商業(yè)通信衛(wèi)星是一顆同步衛(wèi)星，它定點(diǎn)于東經(jīng)98.2度的赤道上空，關(guān)于這顆衛(wèi)星的說(shuō)法正確的是()A．運(yùn)行速度大于7.9km/sB．離地面高度一定，相對(duì)地面靜止C．繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球運(yùn)行的角速度大D．向心加速度與