【物理】宇宙航行 課件-2023-2024學年高一下學期物理人教版（2019）必修第二冊

人教版高一物理必修第二冊第二學期第七章7.4宇宙航行第七章萬有引力與宇宙航行第4節(jié)宇宙航行核心素養(yǎng)目標1、物理觀念：知道三個宇宙速度的含義和數(shù)值，會計算第一宇宙速度．2、科學思維：掌握人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關系．3、科學探究：理解近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的區(qū)別．4、科學態(tài)度與責任：掌握衛(wèi)星的變軌問題．教學目標教學重點：知道三個宇宙速度的含義和數(shù)值，會計算第一宇宙速度．

掌握人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關系．教學難點：

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為物體的質量。方向：在兩個物體的連線上。引力常量：

G=6.67×10-11

Nm2/kg2回顧舊知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回顧舊知萬有引力與重力關系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？情境導入1.登月過程需要解決的問題？（1）如何讓嫦娥五號飛出地球？（2）如何讓嫦娥五號飛向月球？（3）如何讓航天器飛向宇宙？情境導入2、（1）拿一支粉筆水平拋出，粉筆做什么運動？（2）在相同高度使拋出時的速度更大一些，與第一次拋出有什么區(qū)別？（3）是否可以一直運動不掉下來？為什么會這樣呢？可以看作平拋運動水平飛出的距離更遠不可以，因為受到重力作用，粉筆會向下運動。牛頓的設想英國科學家牛頓(1643-1727)在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》中，牛頓設想拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面。情境導入如圖所示，在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》中，牛頓設想：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。你知道這個速度究竟有多大嗎？情境導入思考：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引任務探究一一、宇宙速度思考：以多大的速度拋出這個物體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？（已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球質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動的速度，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算(1)環(huán)繞法：萬有引力提供物體作圓周運動的向心力任務探究一一、宇宙速度1.第一宇宙速度的分析與計算思考：以多大的速度拋出這個物體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？（已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球質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：當支持力為0時，重力提供物體作圓周運動的向心力。mgFN任務探究一一、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算發(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。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。任務探究一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

地球對衛(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任務探究一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）任務探究二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任務探究二一、宇宙速度2.認識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，它繞地球運行的軌跡就不是圓，而是橢圓。當飛行器的速度等于或大于11.2km/s時，它就會克服地球的引力，永遠離開地球。我們把

11.2km/s叫作第二宇宙速度（逃逸速度）。任務探究二當速度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）任務探究二3.認識第三宇宙速度達到第二宇宙速度的飛行器還無法脫離太陽對它的引力。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，這個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)星繞地球運動的軌跡不是圓，而是橢圓；等于或大于11.2km/s時，衛(wèi)星就會脫離地球的引力，永遠離開地球。任務探究二旅行者一號（飛出太陽系）任務探究二發(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任務探究二一、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勻速圓周運動11.2地球16.7太陽最小任務探究二1970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)星任務探究三

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）任務探究三二、人造衛(wèi)星任務探究三任務探究三二、人造衛(wèi)星（一）人造地球衛(wèi)星的軌道特點1、衛(wèi)星繞地球運動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動時，地心是橢圓的一個焦點，衛(wèi)星的周期和半長軸的關系遵循開普勒第三定律．(2)衛(wèi)星繞地球沿圓軌道運動時，因為地球對衛(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球運動的向心力，而萬有引力指向地心，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．任務探究三二、人造衛(wèi)星任務探究三二、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運轉方向一定: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:任務探究三任務探究三二、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。.(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針對訓練任務探究三人造衛(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)星軌道一定過地心任務探究三任務探究四三、載人航天與太空探索

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

1969年阿波羅登月，阿姆斯特朗說了那名言：“對個人來說，這不過是小小的一步，但對人類而言,卻是巨大飛E躍?！闭n堂小結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)星任務探究四任務探究四四、載人航天與太空探索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。任務探究五1.若取地球的第一宇宙速度為8km/s，某行星質量是地球的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，下列說法正確的是()A.線速度vA＜vB＜vCB.根據(jù)萬有引力定律，可知FA＞FB＞FCC.角速度ωA＞ωB＞ωCD.向心加速度aA＜aB＜aCC3.設地球的質量為M，半徑為R，自轉角速度為ω，萬有引力常量為G，同步衛(wèi)星離地心高度為r，地表重力加速度為g，則關于同步衛(wèi)星的速度v的表達式正確的是（）

A．

B．

C．

D．ACD任務探究五任務探究五4.如圖所示，天宮二號在橢圓軌道Ⅰ的遠地點開始變軌，變軌后在圓軌道Ⅱ上運行，A點離地面高度約為380km，地球同步衛(wèi)星離地面高度約為36000km。若天宮二號變軌前后質量不變，則下列說法正確的是（）A．天宮二號在軌道Ⅰ上運行通過近地點B時速度最小B．天宮二號在軌道Ⅰ上的機械能小于在軌道Ⅱ上的機械能C．天宮二號在軌道Ⅱ上運行的周期一定大于24hD．天宮二號在軌道Ⅰ上運行通過點A時的加速度一定小于在軌道ⅡA上運行通過點時的加速度B如圖所示，a、b、c是地球大氣層外圓形軌道上運行的三顆人造衛(wèi)星，a和b的質量相等，且小于c的質量，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任務探究五任務探究五我國“中星11號”商業(yè)通信衛(wèi)星是一顆同步衛(wèi)星，它定點于東經(jīng)98.2度的赤道上空，關于這顆衛(wèi)星的說法正確的是()A．運行速度大于7.9km/sB．離地面高度一定，相對地面靜止C．繞地球運行的角速度比月球繞地球運行的角速度大D．向心加速度與