人教版高中物理必修二 （宇宙航行）萬有引力與宇宙航行教育教學課件

7.4宇宙航行

課堂引入從嫦娥奔月到萬戶飛天，從阿波羅11號登月到天問一號的火星之旅，人類一直都夢想飛往太空，那要怎樣才能實現(xiàn)呢？牛頓的設(shè)想英國科學家牛頓(1643-1727)在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》中，牛頓設(shè)想拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面。如圖所示，在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》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，落地點也就一次比一次遠；拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。牛頓的設(shè)想你知道這個速度究竟有多大嗎？思考：衛(wèi)星需要多大速度才能繞地球做勻速圓周運動？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動。萬有引力提供向心力。物體做圓周運動的軌道半徑為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，遠小于地球半徑。因為，R遠大于h。r=R+h約等于R代入得：第一宇宙速度F引物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動時，可近似認為向心力是由重力提供的，有：一、宇宙速度小結(jié)：如何計算第一宇宙速度衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度——第一宇宙速度

地球?qū)πl(wèi)星的引力提供

衛(wèi)星做勻速圓周運動計算方法一：則地球表面重力提供

向心力計算方法2：則貼著地球表面飛行，軌道半徑r=地球半徑R

地面附近發(fā)射飛行器，如果它的速度大于7.9km/s會怎樣呢？

閱讀書本P60面相關(guān)內(nèi)容一、宇宙速度A理論研究表明，在地面附近的A點，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動。2若：11.2km/s>v>7.9km/s，飛行器沿軌道2(橢圓軌道)運動。3速度v越大，軌道的遠地點離地球越遠。若：速度v=11.2km/s呢？第一宇宙速度（環(huán)繞速度）vA3當速度v=11.2km/s，飛行器將沿軌道4（白色虛線）運動，只是這個橢圓軌道的遠地點在離地球無限遠處，飛行器將脫離地球引力束縛，永遠離開地球。第二宇宙速度（脫離速度）21當速度v=16.7km/s，飛行器將脫離太陽引力束縛，飛到太陽系以外。4第三宇宙速度（逃逸速度）旅行者一號（飛出太陽系）發(fā)射速度v運動情況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，橢圓運動11.2km/s≤v<16.7km/s物體繞太陽運動16.7km/s≤v物體飛出太陽系三個宇宙速度“嫦娥五號”在月球最大的月海風暴洋北緣的呂姆克山附近登陸，采集到月球土壤樣品后，于2020年12月17日成功帶回地球供科學家研究。嫦娥五號從月球返回時，先繞月球做圓周運動，再變軌返回地球。已知地球與月球的半徑之比為4:1，地球表面和月球表面的重力加速度之比為6:1，地球的第一宇宙速度為7.9km/s，則月球第一宇宙速度約為（）A．1.6km/s B．6.4km/s C．7.9km/s D．38km/sA針對訓練二.人造地球衛(wèi)星思考：將各種衛(wèi)星繞地球運動都近似看成勻速圓周運動，你能推出衛(wèi)星環(huán)繞線速度、角速度、周期、向心加速度與軌道半徑的關(guān)系嗎？二.人造地球衛(wèi)星思考：人造衛(wèi)星繞地球運動時受到哪些力？又是哪些力提供向心力？F引地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供向心力

基本思路：將環(huán)繞地球運動的衛(wèi)星視為做勻速圓周運動，由萬有引力充當向心力：F引=Fn

運動規(guī)律二.人造地球衛(wèi)星

在地球表面忽略地球自轉(zhuǎn)：G=F引R為地球半徑r為衛(wèi)星轉(zhuǎn)動半徑二.人造地球衛(wèi)星說明：①只適用衛(wèi)星軌道為圓軌道②r增大an減少v減少ω減少T增大高軌低速長周期只適用衛(wèi)星軌道為圓軌道，且僅由萬有引力提供向心力如圖所示為地球的三個衛(wèi)星，1、2在同一個軌道，3是同步衛(wèi)星，問：v1、v2、v3大小關(guān)系如何？2134若在赤道上有一物體4隨地球一起轉(zhuǎn)動問：v1、v2、v3、v4大小關(guān)系又如何？v1=v2>v3v1=v2>v3>v4思考：向高軌道發(fā)射衛(wèi)星與發(fā)射近地衛(wèi)星相比,哪個需要的發(fā)射速度大？為什么？注意：人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與環(huán)繞速度是兩個不同的概念發(fā)射速度

指被發(fā)射物體離開地面時的速度環(huán)繞速度

指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動的線速度二.人造地球衛(wèi)星說明：③高軌道發(fā)射速度大于低軌道發(fā)射速度，但環(huán)繞速度小于低軌道衛(wèi)星的r越大，需要的v發(fā)射越大，而v環(huán)繞越小思考：想發(fā)射一顆衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動，最小發(fā)射速度是多少？（提示：從衛(wèi)星最小半徑考慮）第一宇宙速度（V1=7.9km/s）最小發(fā)射速度最大環(huán)繞速度二.人造地球衛(wèi)星衛(wèi)星的r越大，需要的v發(fā)射越大，而v環(huán)繞越小1970年4月24日，我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號”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

錢學森，世界著名科學家，空氣動力學家，中國載人航天奠基人，“中國科制之父”和“火箭之王”，由于錢學森回國效力，中國導彈、原子彈的發(fā)射向前推進了至少20年。曾任美國麻省理工學院和加州理工學院教授。1950年錢學森回國受阻，并受美國方面監(jiān)禁，1955年，在毛澤東主席和周恩來總理的爭取下回到中國。中國航天之父中國航天之父：錢學森（1911.12.11－2009.10.31）.(多選)三顆人造地球衛(wèi)星A、B、C繞地球做勻速圓周運動，如圖所示，已知mA＝mB=mC，則對于三顆衛(wèi)星，正確的是(

)ABD針對訓練針對訓練書本P64面第2題人造衛(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)星做圓周運動的向心力必須指向地心衛(wèi)星運動軌道特點：萬有引力提供向心力，所以軌道平面一定經(jīng)過地球中心，衛(wèi)星圍繞地球的中心做勻速圓周運動。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)星軌道一定過地心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。三、人造地球衛(wèi)星的分類思考：近地衛(wèi)星周期是多少？思考：若地球質(zhì)量M未知如何求？=84.6min思考：人造衛(wèi)星的周期能否為24小時？2.同步衛(wèi)星：指相對于地面靜止的人造衛(wèi)星，它跟著地球做勻速圓周運動，周期T=24h（1）所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道正上方的一個確定軌道，即同步衛(wèi)星軌道平面與赤道平面重合。人造地球衛(wèi)星的分類三、人造地球衛(wèi)星的分類三、人造地球衛(wèi)星的分類思考：同步衛(wèi)星離地面高度是多少？hR2.同步衛(wèi)星：同步衛(wèi)星軌道半徑：r=思考：若地球質(zhì)量M未知如何求？黃金代換：GM=gR2≈6.6R三、人造地球衛(wèi)星的分類思考：同步衛(wèi)星速度多少？hR2.同步衛(wèi)星：思考：為何小于第一宇宙速度？高軌低速長周期思考：每個國家發(fā)射的同步衛(wèi)星是不是在同一個軌道？在同一軌道，都在赤道平面內(nèi)（2）同步衛(wèi)星的“六個一定”②定軌道平面：赤道平面①定周期：T=24h⑤定位置:赤道上空高36000km的圓周上某點③定軌道半徑:r=6.6R④定速率:v=3.08km/s⑥定向心加速度:三、人造地球衛(wèi)星的分類（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。三、人造地球衛(wèi)星的分類針對訓練書本P71面B組第4題1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員加加林進入了東方一號載人飛船?；鸺c火起飛，飛船繞地球飛行一圈，歷時108min，然后重返大氣層，安全降落在地面，鑄就了人類首次進入太空的豐碑。四、載人航天與太空探索1969年7月16日9時32分，運載阿波羅11號飛船的土星5號火箭在美國卡納維拉爾角點火升空，拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷幕。7月20日下午10時56分，指揮長阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并說出了那句載入史冊的名言：“對個人來說，這不過是小小的一步，但對人類而言，卻是巨大的飛躍?！彼摹⑤d人航天與太空探索2003年10月15日9時，我國神舟五號宇宙飛船把中國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。這標志著中國成為世界上能夠獨立開展載人航天活動的國家。在載人航天方面，繼神舟五號之后，截至2017年底，我國已經(jīng)將11名(14人次)航天員送入太空，包括兩名女航天員。四、載人航天與太空探索課堂小結(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（脫離速度）:第三宇宙速度（逃逸速度）:v2=11.2km/sv1=7.9km/sv3=16.7km/s同步衛(wèi)星第一宇宙速度物理意義是人造地球衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度是在地面附近發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度是人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最大運行速度定義：相對于地面靜止的，跟地球自轉(zhuǎn)同步的衛(wèi)星，

同步衛(wèi)星也叫通訊衛(wèi)星。特點：①定周期；②定軌道平面；③定高度；④定速度人造地球衛(wèi)星運行的規(guī)律宇宙航行

萬有引力:定律自然界中任何兩個物體都相互吸引，引力的大小跟這兩個物體的質(zhì)量的乘積成正比，跟它們的距離的平方成反比。上節(jié)回顧其中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：在兩個物體的連線上。引力常量：

G=6.67×10-11Nm2/kg2上節(jié)回顧兩種計算星球引力地面（或某星球表面）的物體的重力近似等于萬有引力環(huán)繞天體所需的向心力由中心天體對環(huán)繞天體的萬有引力提供上節(jié)回顧萬有引力與重力關(guān)系Rrr=R+hh緯度越大，g越大。高度越大，g越小宇宙速度衛(wèi)星需要多大速度才能繞地球做勻速圓周運動？

衛(wèi)星繞地球近似可以看做勻速圓周運動衛(wèi)星繞地球做圓周運動的向心力由地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供。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)繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度有多大？用圓周運動解釋某人用速度v飛速奔跑，當他速度足夠快時，重力等于向心力，地球?qū)θ说闹С至?，可以得到G=9.8N/kg,R=6371kmv≈7900m/s因此要發(fā)射一顆繞地球半徑運行的人造衛(wèi)星，發(fā)射速度必須等于7.9km/s。宇宙第一速度是最小的發(fā)射速度。所謂發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射火箭的初速度。要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，其發(fā)射速度就不能小于第一宇宙速度。7.9km/s是最小發(fā)射速度，也是最大環(huán)繞（運行）速度。當衛(wèi)星“貼著”地面飛行時，運行速度等于第一宇宙速度，當衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時，運行速度小于第一宇宙速度。第一宇宙速度：7.9km/s衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度——第一宇宙速度地球?qū)πl(wèi)星的引力提供

衛(wèi)星做勻速圓周運動計算方法一：地球表面重力提供

向心力計算方法2：人造衛(wèi)星的運動有何規(guī)律？根據(jù)萬有引力等于向心力可以計算：三顆人造地球衛(wèi)星A、B、C處于不同的軌道上做勻速圓周運動，如圖所示．下列說法正確的是()A.

三顆衛(wèi)星的線速度大小va<vb<vcB.

三顆衛(wèi)星所受地球引力的大小一定是FA>FB>FCC.

三顆衛(wèi)星的向心加速度大小aA>aB>aCD.

三顆衛(wèi)星的運動周期TA>TB>TCC第二宇宙速度：11.2km/s發(fā)射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，衛(wèi)星繞太陽作橢圓運動，成為一顆人造行星。如果發(fā)射速度大于等于16.7km/s，衛(wèi)星將掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的空間。以這個速度發(fā)射，物體剛好能克服地球的引力作用，永遠的離開地球而繞太陽運動。第三宇宙速度：16.7km/s以這個速度發(fā)射，物體剛好能擺脫太陽引力的束縛而飛到太陽系以外。近地衛(wèi)星人造衛(wèi)星在地球表面做圓周運動的周期最小是多少？=84.6min或：思考：人造衛(wèi)星的周期能否為24小時？人造衛(wèi)星的周期能否為24小時？同步衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星：相對于地心靜止的人造衛(wèi)星，它在軌道上跟著地球自轉(zhuǎn)，同步地做勻速圓周運動，它的周期：T＝24h同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個確定軌道上，即同步衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星離地面高度為定值。對同步衛(wèi)星：其r、v、ω、T、a均為定值同步衛(wèi)星的高度由萬有引力提供向心力同步通訊衛(wèi)星軌道半徑：同步衛(wèi)星的速度將地球質(zhì)量M及軌道半徑r代入，可得同步通訊衛(wèi)星的速率由此解出:由萬有引力提供向心力小于第一宇宙速度7.9km/s衛(wèi)星的發(fā)射若發(fā)射速度大于7.9km/s，則衛(wèi)星將會做離心