2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理必修2 第7章萬有引力與宇宙航行第4節(jié)宇宙航行課件

宇宙航行高一物理

很久以來，人類就有一個(gè)飛天夢,人們向往著，能在天宇之間自由翱翔,為此,進(jìn)行過各種各樣的嘗試，但由于缺乏科學(xué)理論的指導(dǎo)，這些嘗試都?xì)w于失敗。

萬戶（明代）飛天嘗試資料ABCv1687年牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中提出這樣的設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，如果拋出速度一次比一次大，物體的落點(diǎn)會(huì)一次比一次遠(yuǎn)。如果拋出的速度足夠大,會(huì)出現(xiàn)什么情形呢?把物體從高山上水平拋出，如果拋出速度足夠大，物體就不會(huì)落落回地面,成為了人造地球衛(wèi)星。v在這里出現(xiàn)了一個(gè)問題?拋出的速度為多大，物體才能成為人造地球衛(wèi)星呢?伊薩克.牛頓(1643-1727)資料一、宇宙速度物體在地球附近運(yùn)動(dòng)時(shí)，太陽的作用可忽略。物體受到地球的萬有引力，提供物體繞地心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。rR因?yàn)椋琑遠(yuǎn)大于h。r=R+h約等于R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+hh近地衛(wèi)星距地面高度在100km--200km左右，遠(yuǎn)小于地球半徑。代入得：第一宇宙速度物體在地球附近，圍繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫做第一宇宙速度。第一宇宙速度大小等于7.9km/s。

第一宇宙速度結(jié)合剛才的問題，即把物體從高山上水平拋出，如果拋出速度等于第一宇宙速度，物體就不會(huì)落回地面,而成為了人造地球衛(wèi)星。

思考題1通過前面的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道，若不計(jì)地球自轉(zhuǎn)影響，地面上質(zhì)量為m的物體受到的重力，等于地球?qū)ξ矬w的萬有引力，如果已知地球半徑R和地球表面的重力加速度g，你能否用R、g，表示第一宇宙速度v1。分析：物體在地球表面附近，它的重力等于地球?qū)λ娜f有引力。得：代入這里出現(xiàn)了，使我們不禁想起汽車通過拱形橋頂?shù)那樾?，?dāng)汽車通過拱形橋頂?shù)乃俣鹊扔跁r(shí)，汽車將脫離拱形橋。R橋mgv其實(shí)，我們也可以把地球看成為一個(gè)半徑為R的巨型“拱形橋”，物體沿地面運(yùn)動(dòng)，就相當(dāng)于在這個(gè)“拱形橋”頂運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度等于時(shí)，物體就將脫離地面，成為一顆地球的衛(wèi)星。Rmgv1如果物體在地球附近，運(yùn)動(dòng)的速度大于第一宇宙速度，物體還能做勻速圓周運(yùn)動(dòng)嗎？思考題2分析：物體的速度大于第一宇宙速度，它做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，就會(huì)大于地球?qū)λ娜f有引力，物體不會(huì)再做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。物體會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)呢？離心運(yùn)動(dòng)。物體真會(huì)脫離地球一去不返嗎？物體會(huì)被“甩”出去！其實(shí)，物體在遠(yuǎn)離地球的過程中，一直受到萬有引力的作用。Av1F1F2FB逐漸到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)B，然后加速回程。v2F3F4F／在引力作用下物體先逐漸減速，形成一個(gè)橢圓軌跡。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？vA4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)在離地球無限遠(yuǎn)處，飛行器將脫離地球引力束縛，永遠(yuǎn)離開地球。我們把v=11.2km/s稱為第二宇宙速度。我們把v=16.7km/s稱為第三宇宙速度。同理，當(dāng)速度v=16.7km/s，飛行器將脫離太陽引力束縛，飛到太陽系以外。4二、人造地球衛(wèi)星到目前，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了有關(guān)人造衛(wèi)星運(yùn)行的科學(xué)原理。按照牛頓的設(shè)想，發(fā)射一顆人造衛(wèi)星，需要哪些條件呢？（1）一座足夠高的山。資料（2）物體達(dá)到足夠大的速度（第一宇宙速度）。資料但事情遠(yuǎn)非如此簡單!按此方法發(fā)射衛(wèi)星，在實(shí)際操作中卻困難重重。首先地球上并沒有一座合適的高山（海拔為100km以上）,而且即便有這樣的高山，衛(wèi)星在發(fā)射后的運(yùn)行中也很容易撞到山頂。其二，第一宇宙速度很難被達(dá)到。人們?cè)O(shè)想將衛(wèi)星制成炮彈，用大炮發(fā)射，但即便是今天，炮彈的速度也遠(yuǎn)小于第一宇宙速度。兩百多年間，人類進(jìn)行了各種嘗試，但由于缺乏進(jìn)一步科學(xué)理論的指導(dǎo)，這些努力都?xì)w于失敗。直到20世紀(jì)....康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（1857-1935前蘇聯(lián)）

前蘇聯(lián)科學(xué)家，齊奧爾科夫斯基提出多級(jí)火箭理論，使發(fā)射人造衛(wèi)星成為了可能。世界第一顆人造地球衛(wèi)星（前蘇聯(lián)1957年）資料資料

我國科學(xué)家錢學(xué)森，領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過艱苦攻關(guān)，于1970年4月24日發(fā)射了我國第一顆人造衛(wèi)星。

目前我國擁有幾十種，200余顆在軌衛(wèi)星，在軌衛(wèi)星數(shù)量，居世界第二位，成為了名副其實(shí)的航天大國。錢學(xué)森（1911－2009）長征一號(hào)火箭東方紅一號(hào)衛(wèi)星資料資料資料思考題從衛(wèi)星環(huán)繞速度的推論式：

可以看出，衛(wèi)星軌道半徑r越大，衛(wèi)星的環(huán)繞速度就越小，是否說明，發(fā)射高空衛(wèi)星比發(fā)射低空衛(wèi)星更容易呢？其實(shí)，發(fā)射高空衛(wèi)星要消耗更多的能量，比發(fā)射低空衛(wèi)星更加困難。那么，在航天工程中，如何發(fā)射衛(wèi)星呢？1正如牛頓的設(shè)想，需要一座高山，只是這座“高山”我們用火箭來制造。PA用火箭把衛(wèi)星送到“山頂”A點(diǎn)。v1將衛(wèi)星以v1速度水平射出。這個(gè)射出過程叫軌道發(fā)射。之后衛(wèi)星進(jìn)入軌道1。如果要把衛(wèi)星發(fā)射到近地軌道上，發(fā)射速度v1應(yīng)為第一宇宙速度。13如果發(fā)射高軌道衛(wèi)星呢？（預(yù)定軌道3）在A點(diǎn)將衛(wèi)星以更大速度v2（v2>v1)沿水平射出。（軌道發(fā)射）v2>v1AP2進(jìn)入橢圓軌道2。2aB使軌道2與預(yù)定軌道3相切于B點(diǎn)，在B點(diǎn)加速，進(jìn)入預(yù)定軌道3。到這里，我們不僅成功地發(fā)射了衛(wèi)星，而且對(duì)第一宇宙速度，又有了新的理解。你的理解是什么呢？（1）從公式：可知，第一宇宙速度對(duì)應(yīng)的軌道半徑最小。在所有能使物體圍繞地心作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度中，第一宇宙速度最大，它是人造地球衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度。（2）從剛才的分析中發(fā)現(xiàn)，在所有的軌道發(fā)射速度中，第一宇宙速度最小。很久以來，人類就有一個(gè)飛天夢，隨著科技的進(jìn)步，載人航天，成為了可能。1961年4月2日蘇聯(lián)宇航員尤里.加加林首次進(jìn)入太空1969年7月20日美國宇航員阿姆斯特朗首次登月2003年10月15日我國宇航員楊利偉首次遨游太空三、載人航天與太空探索資料資料資料我國載人航天事業(yè)起步較晚，但發(fā)展很快。進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，先后有11位宇航員進(jìn)入太空，完成了飛船與空間實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對(duì)接、宇航員太空行走等高難動(dòng)作，2022年我國將建成首個(gè)大型空間站。神舟飛船與天宮實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對(duì)接中國宇航員太空行走中國未來空間站資料資料資料2019年。我國嫦娥四號(hào)飛船成功登陸月球背面，開創(chuàng)了人類飛船登陸并考察月球背面的新紀(jì)元。隨著科技的進(jìn)步，我們相信，人類探索太空，開發(fā)宇宙的明天會(huì)更加美好。嫦娥4號(hào)飛船月球著陸器玉兔號(hào)月球車資料資料課堂練習(xí)例題：人造地球衛(wèi)星繞地心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)（

）A．衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)周期與地球質(zhì)量無關(guān)B．衛(wèi)星上的物體不再受到重力的作用C．衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行的線速度應(yīng)大于第一宇宙速度D．衛(wèi)星的軌道平面一定過地心分析：人造衛(wèi)星周期所以A錯(cuò)。衛(wèi)星上的物體，都以重力提供的向心力，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。所以B錯(cuò)。衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，第一宇宙速度，是最大環(huán)繞速度。所以C錯(cuò)。衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，向心力指向地心，地心是圓周軌跡的圓心。所以選D。例題：如圖所示，在發(fā)射某衛(wèi)星的過程中，衛(wèi)星首先在P點(diǎn)進(jìn)入橢圓軌道I，然后在Q點(diǎn)通過改變衛(wèi)星速度，使衛(wèi)星進(jìn)人預(yù)定圓周軌道Ⅱ，則下列說法正確的是（）A．該衛(wèi)星的發(fā)射速度必定大于11.2km/sB．衛(wèi)星在軌道II上的運(yùn)行速度大于7.9km/sC．在軌道I上，衛(wèi)星在P點(diǎn)的速度大于在Q點(diǎn)的速度D．衛(wèi)星在Q點(diǎn)通過減速實(shí)現(xiàn)由軌道I進(jìn)人軌道IIIⅡQP分析：這是一個(gè)發(fā)射高空衛(wèi)星的問題，衛(wèi)星由近地點(diǎn)進(jìn)入橢圓軌道的速度，7.9km/s<v<11.2km/s，A錯(cuò)。軌道II是圓形軌道，衛(wèi)星在其上運(yùn)行速度小于第一宇宙速