宇宙航行（教學(xué)課件）-高中物理人教版（2019）必修第二冊(cè)

第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行第4節(jié)宇宙航行問(wèn)題與目標(biāo)1.通過(guò)了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)，正確理解人造衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，各物理量之間的關(guān)系。

2.通過(guò)對(duì)三個(gè)宇宙速度含義的了解，能推導(dǎo)出第一宇宙速度。中國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)傳輸過(guò)程如今，人們的通信手段越來(lái)越多樣，加強(qiáng)了世界的聯(lián)系。要保證穩(wěn)定通暢的通訊，需要同步衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)的傳遞。手機(jī)等便攜設(shè)備的導(dǎo)航定位功能已經(jīng)非常全面，要實(shí)現(xiàn)精確的導(dǎo)航，需要同步衛(wèi)星發(fā)揮極大的作用。怎么樣才能把物體發(fā)射上天空，且不再落回地面？這節(jié)課我們共同來(lái)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。（一）300多年前牛頓的設(shè)想如圖所示，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？如圖所示，你認(rèn)為四條軌道中可以作為衛(wèi)星軌道的是哪些?A、C、D可能，B不可能。萬(wàn)有引力提供向心力，所以軌道平面一定會(huì)經(jīng)過(guò)地球的中心，衛(wèi)星圍繞地球的中心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。環(huán)繞天體做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道平面的圓心必須是中心天體的球心。（二）宇宙速度人造衛(wèi)星的發(fā)射速度至少達(dá)到多少才能繞地球做穩(wěn)定的圓周運(yùn)動(dòng)?基本思路：衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力提供。已知地球半徑R=6400km，地球質(zhì)量M=6.0×1024kg，衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度有多大？根據(jù)又，地面附近可得為什么拋出速度小于7.9km/s時(shí)，物體會(huì)落到地面上，而不會(huì)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)呢?當(dāng)速度等于7.9km/s時(shí)，地球提供的重力正好等于物體以7.9km/s的速度做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的向心力，物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；當(dāng)速度小于7.9km/s時(shí)，地球提供的重力將大于物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的向心力，所以物體做向心運(yùn)動(dòng)，落向地面。如果拋出速度大于7.9km/s呢？這時(shí)地球提供的重力將小于物體做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，物體將做離心運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離地球，不能再做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)拋出速度v滿足7.9km/s＜v＜11.2km/s時(shí)，物體將圍繞地球做橢圓軌道的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)拋出速度v滿足11.2km/s≤v＜16.7km/s時(shí)，物體將脫離地球的引力，永遠(yuǎn)離開(kāi)地球進(jìn)而進(jìn)入太陽(yáng)的引力范圍，圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)拋出速度v滿足v≥16.7km/s時(shí)，物體將脫離太陽(yáng)的引力，永遠(yuǎn)離開(kāi)太陽(yáng)系。1.第一宇宙速度（1）第一宇宙速度：v=7.9km/s，這是物體在地球附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，也是物體離開(kāi)地球所必須具有的最小速度，故也稱為“最小發(fā)射速度”。（2）意義：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星在地球附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，所必須具有的速度，所以也稱為環(huán)繞速度。根據(jù)“第一宇宙速度”知識(shí)點(diǎn)的方法思路，小組討論交流梳理“第二宇宙速度與第三宇宙速度”的知識(shí)點(diǎn)：知識(shí)梳理2.第二宇宙速度與第三宇宙速度（1）第二宇宙速度：v=11.2km/s，大于此速度，物體會(huì)克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開(kāi)地球。①若發(fā)射速度大于7.9km/s而小于11.2km/s，物體繞地球的運(yùn)動(dòng)軌跡就不是圓，而是橢圓，但還在地球的引力范圍之內(nèi)。②意義：使衛(wèi)星掙脫地球的束縛，成為繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度，也稱為脫離速度。（2）第三宇宙速度：v=16.7km/s，大于此速度，物體會(huì)掙脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系外。①發(fā)射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，衛(wèi)星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，成為太陽(yáng)的一顆人造行星。如果發(fā)射速度大于等于16.7km/s，衛(wèi)星將掙脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系以外的空間。②意義：使衛(wèi)星掙脫太陽(yáng)引力束縛的最小發(fā)射速度，也稱為逃逸速度。（三）人造地球衛(wèi)星與近地軌道相比，外層軌道上的衛(wèi)星的線速度比7.9km/s是大還是小呢？既然外層軌道上衛(wèi)星的線速度比7.9km/s小，那如果要將衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)到外層軌道上，是不是需要的發(fā)射速度會(huì)小點(diǎn)?根據(jù)

知軌道半徑越大，線速度越小，所以外層軌道上衛(wèi)星的線速度比7.9km/s小。1.發(fā)射速度：（1）發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開(kāi)發(fā)射裝置的初速度，一旦發(fā)射后再無(wú)能量補(bǔ)充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動(dòng)能克服地球引力上升一定的高度，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)軌道。（2）要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。2.運(yùn)行速度(或環(huán)繞速度）：（1）運(yùn)行速度是指衛(wèi)星在進(jìn)人運(yùn)行軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。（2）當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時(shí)，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度，當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時(shí)，運(yùn)行速度小于第一宇宙速度。（3）在所有環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星中，近地衛(wèi)星的軌道半徑最小，由

可得

，軌道半徑越小，線速度越大。所以在這些衛(wèi)星中，近地衛(wèi)星的線速度即第一宇宙速度是最大環(huán)繞速度。3.衛(wèi)星變軌如圖所示，四顆衛(wèi)星均繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，方向均為逆時(shí)針?lè)较?。如果衛(wèi)星3想追上衛(wèi)星1，應(yīng)該如何操作？不能直接加速或減速，如果加速，則衛(wèi)星做離心運(yùn)動(dòng)，會(huì)進(jìn)入外層軌道；如果減速，則衛(wèi)星做向心運(yùn)動(dòng)，會(huì)進(jìn)入內(nèi)層軌道。故可以先加速后減速或先減速后加速的辦法。問(wèn)題（2）：假設(shè)某衛(wèi)星正在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速度是7.9km/s?，F(xiàn)要讓該衛(wèi)星進(jìn)人外層軌道，該如何操作?在某點(diǎn)瞬間加速，衛(wèi)星將做離心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入外層軌道后，再減速使衛(wèi)星在該軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。問(wèn)題（3）：在牛頓拋物設(shè)想中，當(dāng)拋出速度v滿足7.9km/s<v<11.2km/s時(shí)，物體做什么運(yùn)動(dòng)？物體將圍繞地球做橢圓軌道的運(yùn)動(dòng)。從上面的分析，我們知道，要想將衛(wèi)星發(fā)射到外層軌道，速度必須大于7.9km/s。

總結(jié)：人造衛(wèi)星的發(fā)射過(guò)程要經(jīng)過(guò)多次變軌方可到達(dá)預(yù)定軌道，如圖所示。（1）為了節(jié)省能量，在赤道上先順著地球自轉(zhuǎn)方向發(fā)射衛(wèi)星到圓軌道I上。（2）在A點(diǎn)點(diǎn)火加速，由于速度變大，萬(wàn)有引力不足以提供向心力，衛(wèi)星做離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入橢圓軌道Ⅱ。（3）在B點(diǎn)(遠(yuǎn)地點(diǎn)）再次點(diǎn)火加速進(jìn)入圓形軌道Ⅲ牢記：第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度，同時(shí)也是最小的發(fā)射速度。火星探測(cè)器—天問(wèn)一號(hào)天問(wèn)一號(hào)發(fā)射過(guò)程4.地球同步衛(wèi)星接著我們來(lái)認(rèn)識(shí)一種非常重要的人造衛(wèi)星——地球同步衛(wèi)星。所謂地球同步衛(wèi)星，是指衛(wèi)星相對(duì)于地面靜止，即與地球具有相同自轉(zhuǎn)周期的衛(wèi)星，T=24h。地球同步衛(wèi)星必須位于赤道上方距地面高h(yuǎn)處，并且h是一定的。那請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算總結(jié)一下同步衛(wèi)星有哪些特點(diǎn)。（1）同步衛(wèi)星一定在赤道平面上。（2）同步衛(wèi)星離地面的高度是確定的。學(xué)生通過(guò)計(jì)算求出這個(gè)確定的高度：由得：

（T為地球自轉(zhuǎn)周期，M、R分別為地球的質(zhì)量，半徑）代入數(shù)值解得h=3.6×107m。（3）三顆同步衛(wèi)星基本可以覆蓋全球。（四）載人航天與太空探索1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功。1961年4月12日，蘇聯(lián)空軍少校加加林進(jìn)人了東方一號(hào)載人飛船，火箭點(diǎn)火起飛，繞地球飛行一圈，歷時(shí)108min，然后重返大氣層，安全降落在地面上，鑄就了人類進(jìn)入太空的豐碑。1969年7月16日9時(shí)32分，“阿波羅11號(hào)”成功登臨月球，載人航天技術(shù)迅速發(fā)展。1992年，中國(guó)載人航天工程正式啟動(dòng)，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(kāi)展載人航天活動(dòng)的國(guó)家，為我國(guó)進(jìn)一步的空間科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。伴隨著神舟五號(hào)的發(fā)射成功，我國(guó)已正式啟動(dòng)嫦娥工程，開(kāi)始了宇宙探索的新征程，截至2017年底，我國(guó)已經(jīng)將11名(14人次）航天員送人太空