宇宙航行高二上學(xué)期物理人教版(2019)必修第二冊

岳陽縣第一中學(xué)——閔佳智新課導(dǎo)入從嫦娥奔月到阿波羅11號登月,從神州十一號的順利發(fā)射到天問一號的火星之旅，人類一直在為“飛天”夢想努力著。新課導(dǎo)入在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)，物體就不會落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。思想實(shí)驗(yàn)這個(gè)速度究竟是多大？01第一宇宙速度算一算：以多大的速度拋出物體，它才會繞地球表面運(yùn)動，不會落下來？（忽略太陽對物體的引力。已知G=6.67×10-11Nm2/kg2，地球質(zhì)量M=6×1024kg，地球半徑R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）建立模型：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動基本思路：向心力由地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供思考與討論有人說，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)動時(shí)，可近似認(rèn)為向心力是由重力提供的，有：

或通過黃金代換式01第一宇宙速度

發(fā)射衛(wèi)星的軌道越高，需要克服萬有引力的阻礙作用越多，所以發(fā)射速度需要增加。1.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)繞速度人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與環(huán)繞速度①發(fā)射速度:指被發(fā)射物體離開地面時(shí)的速度。②環(huán)繞速度：指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動的線速度。02第二宇宙速度衛(wèi)星就會脫離地球的吸引，不再繞地球運(yùn)行。我們把這個(gè)速度叫作第二宇宙速度。達(dá)到第二宇宙速度的物體還受到太陽的引力。物體繞地球運(yùn)行的軌跡就不是圓，而是橢圓。叫作第二宇宙速度（逃逸速度）。03第三宇宙速度在地面附近發(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。達(dá)到第二宇宙速度的飛行器還無法脫離太陽對它的引力。這個(gè)速度叫作第三宇宙速度（脫離速度）宇宙速度★向高軌道發(fā)射衛(wèi)星時(shí),

需要的發(fā)射速度越大。發(fā)射高軌道衛(wèi)星比發(fā)射低軌道衛(wèi)星困難，原因是發(fā)射高軌道衛(wèi)星時(shí)火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龈嗟墓Α⑿l(wèi)星送入低軌道和高軌道所需的發(fā)射速度哪一個(gè)更大？哪一個(gè)更容易？為什么？123幾個(gè)重要的關(guān)系式質(zhì)量為m的天體繞質(zhì)量為M的中心天體做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動高軌低速長周期“越高越慢”宇宙速度數(shù)值意義第一宇宙速度(1)最小發(fā)射速度(2)最大環(huán)繞速度第二宇宙速度使衛(wèi)星掙脫地球引力束縛的最小地面發(fā)射速度第三宇宙速度使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小地面發(fā)射速度人造地球衛(wèi)星牛頓雖然早就預(yù)言了人造地球衛(wèi)星，但因發(fā)射需達(dá)到很大的速度，所以直到多級火箭的研制成功，才為人造地球衛(wèi)星的發(fā)射創(chuàng)造了條件。1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星。開創(chuàng)了人類航天時(shí)代的新紀(jì)元。01衛(wèi)星衛(wèi)星：衛(wèi)星是指在圍繞一顆行星軌道并按閉合軌道做周期性運(yùn)行的天然天體，人造衛(wèi)星一般亦可稱為衛(wèi)星。人造衛(wèi)星是由人類建造，以太空飛行載具如火箭、航天飛機(jī)等發(fā)射到太空中，像天然衛(wèi)星一樣環(huán)繞地球或其它行星的裝置。02衛(wèi)星按軌道分類1.赤道衛(wèi)星（赤道軌道）：衛(wèi)星的軌道與赤道共面，衛(wèi)星始終處于赤道正上方。3.傾斜衛(wèi)星（任意軌道）：衛(wèi)星的軌道與赤道平面成某一角度。2.極地衛(wèi)星（極地軌道）：衛(wèi)星的軌道與赤道平面垂直，衛(wèi)星經(jīng)過兩極上空。衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動時(shí)，由地球?qū)λ娜f有引力充當(dāng)向心力。因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動的圓心必與地心重合，其軌道可分為三類：思考討論F引F1F2赤道平面北南東西人造地球衛(wèi)星的軌道可以像圖中情況一樣嗎軌道一定過地心03近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星：指衛(wèi)星軌道半徑近似等于地球半徑，即貼近地表。04同步衛(wèi)星人造衛(wèi)星跟著地球做勻速圓周運(yùn)動，周期T=24h。同步衛(wèi)星中有一類特殊衛(wèi)星：相對于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星——靜止衛(wèi)星05靜止衛(wèi)星軌道平面一定：赤道平面周期與角速度一定：T=24h軌道半徑一定:r=6.6R線速度大小一定:v=3.08km/s運(yùn)轉(zhuǎn)方向一定:自西向東向心加速度的大小一定:思考討論一顆同步衛(wèi)星能覆蓋地球上多大范圍，要想使同步衛(wèi)星信號能夠覆蓋完整個(gè)赤道，至少需要多少顆同步衛(wèi)星？至少需要3顆。靜止衛(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，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?？臻g位置是一種極其有限的資源。01衛(wèi)星參數(shù)探究：同步衛(wèi)星A、近地衛(wèi)星B、赤道上物體C的比較（v、a、T）赤道靜止衛(wèi)星近地衛(wèi)星赤道上的物體rRABC02衛(wèi)星參數(shù)比較探究：同步衛(wèi)星A、近地衛(wèi)星B、赤道上物體C的比較（v、a、T）三者v的關(guān)系:三者a的關(guān)系:三者T的關(guān)系:三者r的關(guān)系:三者

的關(guān)系:課堂小結(jié)一、宇宙速度三、人造衛(wèi)星參數(shù)比較1.赤道衛(wèi)星（赤道軌道）3.傾斜衛(wèi)星（任意軌道）2.極地衛(wèi)星（極地軌道）同步衛(wèi)星靜止衛(wèi)星二、人造衛(wèi)星01發(fā)射衛(wèi)星的方式直線發(fā)射（即高軌發(fā)射）：在整個(gè)發(fā)射過程中，運(yùn)載火箭在入軌前始終處于動力飛行狀態(tài)，要消耗大量燃料。如果發(fā)射同步衛(wèi)星，還必須在赤道上建立發(fā)射場，有一定局限性。變軌發(fā)射（即近地發(fā)射）：運(yùn)載火箭消耗的燃料少，發(fā)射場的位置也不受限制。目前，各國發(fā)射同步衛(wèi)星都采用第二種方法，但這種方法在操作和控制上都比較復(fù)雜。發(fā)射人造地球衛(wèi)星的運(yùn)載火箭一般分為三級，其發(fā)射后的飛行過程大致包括垂直起飛、轉(zhuǎn)彎飛行、進(jìn)入軌道這樣三個(gè)階段。02衛(wèi)星變軌由于技術(shù)上的需要，有時(shí)要在適當(dāng)?shù)奈恢枚虝r(shí)間啟動衛(wèi)星上的發(fā)動機(jī)，使衛(wèi)星的速度發(fā)生突變，讓其運(yùn)行軌道發(fā)生改變，最終到達(dá)預(yù)定的目標(biāo)。03變軌發(fā)射的原因：節(jié)能

直接飛到月球可能是最快的方式，但目前的科技很難做到。目前的方案是首先進(jìn)入地球軌道，然后通過點(diǎn)燃三級火箭逐級將飛船推入地月轉(zhuǎn)移軌道，飛船與三級火箭脫離，依靠月球的引力飛向月球。這樣利用地球、月球引力不斷加速變軌的措施，可以使飛船節(jié)省大量燃料，也更利于登月艙著陸。03變軌發(fā)射的原因：技術(shù)正如汽車爬山一樣，為了克服阻力需要汽車發(fā)動機(jī)持續(xù)大功率輸出。持續(xù)高功率輸出會加重汽車發(fā)動機(jī)的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時(shí)甚至損毀。所以人們用盤山公路來解決汽車爬坡問題。03變軌發(fā)射的原因：測控發(fā)射火箭不僅要有足夠的燃料，還要能對火箭的飛行過程進(jìn)行有效的測量和控制。有效測控點(diǎn)越多，測控精度就越高，發(fā)射過程也就越可控。比如前期的入軌精度，真可謂差之毫厘謬之千里。03變軌發(fā)射的原因：發(fā)射窗口發(fā)射窗口是指比較合適運(yùn)載火箭發(fā)射的一個(gè)時(shí)間范圍（即允許運(yùn)載火箭發(fā)射的時(shí)間范圍）。這個(gè)范圍的大小也叫發(fā)射窗口的寬度。窗口寬度有寬有窄，寬的以小時(shí)計(jì)，甚至以天計(jì)算，窄的只有幾十秒鐘，甚至為零。01衛(wèi)星變軌離心運(yùn)動無動力運(yùn)行向后點(diǎn)火加速勻速圓周運(yùn)動向前點(diǎn)火減速近心運(yùn)動從供需關(guān)系來看02低軌變高軌·v2v3v4v1ⅠⅡⅢ離心運(yùn)動離心運(yùn)動低圓軌道(Ⅰ)——P點(diǎn)加速橢圓轉(zhuǎn)移軌道(Ⅱ)——Q點(diǎn)加速高圓軌道(Ⅲ)02低軌變高軌v3v41v1v2減速，v3<v223θ＞900vF引加速v2>v1加速v4>v3切點(diǎn)P切點(diǎn)Q03高軌變低軌近心運(yùn)動近心運(yùn)動高圓軌道(Ⅲ)——Q點(diǎn)減速橢圓轉(zhuǎn)移軌道(Ⅱ)——P點(diǎn)減速低圓軌道(Ⅰ)·v2v3v4v1ⅠⅡⅢ03高軌變低軌衛(wèi)星的回收演示04變軌過程的加速度設(shè)衛(wèi)星在軌道Ⅰ通過P的加速度是a1，Ⅱ軌道通過P的加速度是a2,Ⅱ軌道通過Q的加速度為a3，Ⅲ軌道通過Q的速度為a4·v2v3v4v1ⅠⅡⅢ05變軌過程周期