7.4 宇宙航行 課件-高一下學(xué)期物理人教版（2019）必修第二冊(cè)

開普勒第一定律（軌道定律）

所有的行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽處在所有橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。開普勒第二定律（面積定律）

對(duì)于每一個(gè)行星而言，太陽和行星的聯(lián)線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。開普勒第三定律（周期定律）

所有行星的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。開普勒三大定律知識(shí)回顧萬有引力定律1.內(nèi)容：自然界中任何兩個(gè)物體都相互吸引，引力的大小與物體的質(zhì)量m1和m2的乘積成正比，與它們之間距離r的二次方成反比。2.公式：

r：質(zhì)點(diǎn)(球心)間的距離引力常量：G=6.67×10－11

N·m2/kg23.條件:質(zhì)點(diǎn)或均質(zhì)球體m2m1FFr知識(shí)回顧1．重力等于萬有引力2．萬有引力提供向心力代換法和環(huán)繞法1.在地球上(考慮自轉(zhuǎn))

1）在赤道上

2）在緯度線上

3）在極點(diǎn)上重力是引力的一個(gè)分力！向心力遠(yuǎn)小于重力，重力近似等于萬有引力。萬有引力與重力、向心力關(guān)系2.在近地空中（忽略自轉(zhuǎn)）萬有引力=重力提供向心力（衛(wèi)星）ABCDRMGθmωrFnF引【例1】地球表面重力加速度為g,地球半徑為R。忽略地球自轉(zhuǎn)的影響,(1)在距地面高度為h的空中重力加速度是地面上重力加速度的幾倍?(2)在距地面高度2h處呢?(3)若地球上空某處的重力加速度為地球表面重力加速度的1/16,則該處距地面的高度為多少?兩種基本方法1．重力等于萬有引力2．萬有引力提供向心力五、小結(jié)練習(xí)：一物體在地面上受到的重力為160N，將它放置在航天飛機(jī)中，在航天飛機(jī)以a=g/2的加速度隨火箭向上加速升空的過程中，某時(shí)刻測(cè)得物體與航天飛機(jī)中的支持物的相互擠壓力為90N，求此時(shí)航天飛機(jī)距地面的高度。（地球半徑取6.4×106

m，g取10m/s2）

第四節(jié)

宇宙航行2024/10/16嫦娥奔月

敦煌飛天的美麗壁畫

萬戶自制了47個(gè)火箭，然后找來一把椅子綁在椅子上。他控制兩個(gè)蒲扇來控制方向。砰地一聲巨響，火箭巨大的推力把萬戶頂上了天，可是就在人們要為萬戶實(shí)驗(yàn)成功而歡呼時(shí)。第二排的火箭卻發(fā)生了自燃，就聽見了一生巨大的爆炸音，天空出竄出了一個(gè)火球，而萬戶也從椅子上被炸出來，摔倒在萬家山去世了。

他不僅給中國人帶來了飛天的實(shí)踐，他所利用的火箭助推升空遠(yuǎn)離，也是世界上的第一人，前蘇聯(lián)的宇航員不僅把中國人看作是火箭的發(fā)明者，更是開啟利用火箭技術(shù)飛天的人，后來世界科學(xué)家把世界科學(xué)家將月球上的一座環(huán)形火山命名為“萬戶山”。1957年10月4日，前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼克”號(hào)。1958月1月30日，美國發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星“丘比特-C”。1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員加加林乘坐東方1號(hào)宇宙飛船從拜科努爾發(fā)射場(chǎng)起航。在最大高度為301公里的軌道上繞地球一周，歷時(shí)1小時(shí)48分鐘，降落在薩拉托夫州斯梅洛夫卡村地區(qū)，完成了世界上首次載人宇宙飛行，實(shí)現(xiàn)了人類進(jìn)入太空的愿望。我國在1970年4月20日發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星2003年10月15日，神州五號(hào)載人宇宙飛船發(fā)射升空，楊利偉成功登上太空并安全歸來，成為了我國航天第一人。人類什么時(shí)候?qū)崿F(xiàn)飛天夢(mèng)？中國什么時(shí)候?qū)崿F(xiàn)飛天夢(mèng)？希望研究什么問題？任務(wù)一：建立模型推導(dǎo)第一宇宙速度在一座高山上平拋一個(gè)物體，請(qǐng)畫出物體的運(yùn)動(dòng)軌跡？物體做什么運(yùn)動(dòng)？現(xiàn)在增大速度，落點(diǎn)怎么變化？還是平拋運(yùn)動(dòng)嗎？這圖上的四條軌跡什么意思？牛頓設(shè)想把物體從高山上水平拋出的速度足夠大就成為人造地球衛(wèi)星，你認(rèn)為可能嗎？牛頓１６８７年在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中設(shè)想：拋出速度很大時(shí)，物體不會(huì)落回地面人造衛(wèi)星的發(fā)射原理近地衛(wèi)星（在100-200km的高度飛行），空氣阻力是否可以忽略，可以近似計(jì)算它的運(yùn)行速度嗎？1970年4月24日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。東方紅一號(hào)衛(wèi)星重173千克，由長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭送入近地點(diǎn)441千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)2368千米的橢圓軌道。衛(wèi)星進(jìn)行了軌道測(cè)控和《東方紅》樂曲的播送。東方紅設(shè)計(jì)壽命20天。東方紅一號(hào)發(fā)射成功，開創(chuàng)了中國航天史的新紀(jì)元，使中國成為繼蘇、美、法、日之后世界上第五個(gè)獨(dú)立研制并發(fā)射人造地球衛(wèi)星的國家。2021年6月24日，中國首顆人造衛(wèi)星東方紅一號(hào)，仍在軌運(yùn)行。1.第一宇宙速度：(環(huán)繞速度）

V1=7.9km/s地球11.2km/s>v>7.9km/s2.第二宇宙速度：

(脫離速度)V2=11.2km/sV3=16.7km/s3.第三宇宙速度：（逃逸速度）→人造行星→人造恒星人造衛(wèi)星用離心運(yùn)動(dòng)理解橢圓運(yùn)動(dòng)和第二、第三宇宙速度任務(wù)二：探究人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律用圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)分析4個(gè)軌道中哪幾個(gè)是可能的？這些可能的軌道圓心或焦點(diǎn)有什么共同特點(diǎn)？1.軌道特點(diǎn)“高軌低速長(zhǎng)周期”人造衛(wèi)星的軌道極地軌道一般軌道赤道軌道所有衛(wèi)星都在以地心為圓心的軌道上(原因？）平面立體赤道平面人造衛(wèi)星的軌道人造衛(wèi)星的軌道平面你能寫出它們的動(dòng)力學(xué)方程嗎？用這個(gè)方程可以得到它們之間的運(yùn)行速度、角速度、周期、向心加速度的關(guān)系嗎？2.人造衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律設(shè)地球質(zhì)量為M，衛(wèi)星質(zhì)量為m，衛(wèi)星的繞行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a與軌道半徑r的關(guān)系r(a、V、ω、T

)思路：萬有引力提供向心力(1)由r越大,衛(wèi)星的v越小。(2)由r越大,衛(wèi)星的ω越小。(3)由r越大,衛(wèi)星的T越大。(4)由r越大,衛(wèi)星的an越小。以上結(jié)論可總結(jié)為“一定四定,越遠(yuǎn)越慢”。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)情況(a、V、ω、T

)是由r

唯一決定1234v1>v2=v3>v4T1<T2=T3<T4ω1>ω2=ω3>ω4衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)情況(a、V、ω、T

)是由r

唯一決定

越遠(yuǎn)越慢！我們能否發(fā)射一顆周期為80min的衛(wèi)星？近地衛(wèi)星方法一：方法二：3.地球同步衛(wèi)星（1）定義所謂地球同步衛(wèi)星，是相對(duì)于地面靜止的和地球具有相同周期的衛(wèi)星，同步衛(wèi)星必須位于赤道平面內(nèi)，且到地面的高度一定。rvωTa“全部固定”（2）地球同步衛(wèi)星的運(yùn)行特征可概括為四個(gè)一定①定軌道平面,其運(yùn)行軌道平面在赤道平面內(nèi)；②定周期,即運(yùn)行周期等于地球自轉(zhuǎn)周期（24h）③定高度，即離地面高度一定（h=36000km，約6.6R地）④定速度，即運(yùn)行速度一定（v≈3.1km/s）（3）同步衛(wèi)星的應(yīng)用：主要用于通信3顆同步衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋所以也叫通信衛(wèi)星16十月2024

為了衛(wèi)星之間不互相干擾，大約3°左右才能放置1顆，這樣地球的同步衛(wèi)星只能有120顆。可見，空間位置也是一種資源。練習(xí)、甲、乙為兩顆地球衛(wèi)星，其中甲為地球同步衛(wèi)星，乙的運(yùn)行高度低于甲的運(yùn)行高度，兩衛(wèi)星軌道均可視為圓軌道。以下判斷正確的是()A．甲的周期大于乙的周期B．乙的速度大于第一宇宙速度C．甲的加速度小于乙的加速度D．甲在運(yùn)行時(shí)能經(jīng)過北極的正上方AC任務(wù)三：發(fā)射速度、運(yùn)行速度、宇宙速度辨析1.發(fā)射速度：是指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時(shí)的速度（一次需要達(dá)到的速度，不考慮多次加速）。2.運(yùn)行速度：是指衛(wèi)星進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度。r↗

v↘①宇宙速度均指發(fā)射速度②第一宇宙速度是在地面發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，也是環(huán)繞地球運(yùn)行的最大速度了解：一、人造衛(wèi)星的超重和失重1.發(fā)射和回收階段發(fā)射加速上升超重回收減速下降超重

人在承受16g的重力加速度必將死亡，訓(xùn)練有素的飛行員能承受9G的重力，但會(huì)產(chǎn)生黑視現(xiàn)象，很危險(xiǎn)。F1車手能承受6個(gè)G的重力，普通人3、4個(gè)G的重力就會(huì)感到極其難受，甚至昏厥

一、人造衛(wèi)星的超重和失重2.沿圓軌道正常運(yùn)行只受重力a=g完全失重與重力有關(guān)的現(xiàn)象全部消失天平彈簧秤測(cè)重力液體壓強(qiáng)計(jì)“嫦娥奔月”圖VF引F引＜F向F引＞F向衛(wèi)星變軌原理MmA點(diǎn)速度—內(nèi)小外大（在A點(diǎn)看軌跡）在A點(diǎn)萬有引力相同A·思考：人造衛(wèi)星在低軌道上運(yùn)行，要想讓其在高軌道上運(yùn)行，應(yīng)采取什么措施？在低軌道上加速，使其沿橢圓軌道運(yùn)行，當(dāng)行至橢圓軌道的遠(yuǎn)點(diǎn)處時(shí)再次加速，即可使其沿高軌道運(yùn)行。衛(wèi)星變軌原理1、衛(wèi)星在二軌道相切點(diǎn)萬有引力相同速度—內(nèi)小外大（切點(diǎn)看軌跡）2、衛(wèi)星在橢圓軌道運(yùn)行近地點(diǎn)---速度大，動(dòng)能大遠(yuǎn)地點(diǎn)---速度小，動(dòng)能小vF引12R衛(wèi)星在圓軌道運(yùn)行速度V1V2θ＞900減小衛(wèi)星變軌原理v3F引L衛(wèi)星變軌原理使衛(wèi)星進(jìn)入更高軌道做圓周運(yùn)動(dòng)v3v4衛(wèi)星的回收

1.如圖所示，發(fā)射同步衛(wèi)星時(shí)，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后經(jīng)點(diǎn)火使其沿橢圓軌道2運(yùn)行；最后再次點(diǎn)火將其送入同步圓軌道3。軌道1、2相切于P點(diǎn)，2、3相切于Q點(diǎn)。當(dāng)衛(wèi)星分別在1、2、3上正常運(yùn)行時(shí)，以下說法正確的是（）

A.在軌道3上的速率大于1上的速率

B.在軌道3上的角速度小于1上的角速度

C.在軌道2上經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)的速率等于在軌道3上經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)的速率

D.在軌道1上經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的加速度等于在軌道2上經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的加速度QP2·31BD2.如圖是發(fā)射地球同步衛(wèi)星的簡(jiǎn)化軌道示意圖，先將衛(wèi)星發(fā)射至距地面高度為h1的近地軌道Ⅰ上．在衛(wèi)星經(jīng)過A點(diǎn)時(shí)點(diǎn)火實(shí)施變軌，進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)為B的橢圓軌道Ⅱ上，最后在B點(diǎn)再次點(diǎn)火，將衛(wèi)星送入同步軌道Ⅲ.已知地球表面重力加速度為g，地球自轉(zhuǎn)周期為T，地球的半徑為R．求：（1）近地軌道Ⅰ上的速度大??；（2）遠(yuǎn)地點(diǎn)B距地面的高度。解：嫦娥奔月發(fā)射、變軌、運(yùn)行

2.2007年10月24日“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星星箭分離，衛(wèi)星進(jìn)入繞地軌道。在繞地運(yùn)行時(shí)，要經(jīng)過三次近地變軌：12小時(shí)橢圓軌道①→24小時(shí)橢圓軌道②→48小時(shí)橢圓軌道③→修正軌道④→地月轉(zhuǎn)移軌道⑤。11月5日11時(shí)，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過距月球表面高度為h的A點(diǎn)時(shí)，再經(jīng)三次變軌：12小時(shí)橢圓軌道⑥→3.5小時(shí)橢圓軌道⑦→最后進(jìn)入周期為T的極月圓軌道⑧，如圖所示（）

A.“嫦娥一號(hào)”由⑤到⑥需加速、由⑦到⑧需減速

B.發(fā)射“嫦娥一號(hào)”的速度必須達(dá)到第三宇宙速度

C.在繞月圓軌道上,衛(wèi)星周期與衛(wèi)星質(zhì)量有關(guān)

D.衛(wèi)星受月球的引力與它到月球中心距離的平方成反比

E.在繞月圓軌道上,衛(wèi)星受地球的引力大于受月球的引力①②③近地變軌軌道修正轉(zhuǎn)移軌道④⑤⑥⑦⑧發(fā)射D

3.2007年10月24日，“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星星箭分離，衛(wèi)星進(jìn)入繞地軌道。在繞地運(yùn)行時(shí)，要經(jīng)過三次近地變軌：12小時(shí)橢圓軌道①→24小時(shí)橢圓軌道②→48小時(shí)橢圓軌道③→修正軌道④→地月轉(zhuǎn)移軌道⑤。11月5日11時(shí)，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過距月球表面高度為h的A點(diǎn)時(shí)，再經(jīng)三次變軌：12小時(shí)橢圓軌道⑥→3.5小時(shí)橢圓軌道⑦→最后進(jìn)入周期為T的極月圓軌道⑧，如圖所示。若月球半徑為R，試寫出月球表面重力加速度的表達(dá)式①②③近地變軌軌道修正轉(zhuǎn)移軌道④⑤⑥⑦⑧發(fā)射三、對(duì)接問題：宇宙飛船與空間站的對(duì)接空間站實(shí)際上就是一個(gè)載有人的人造衛(wèi)星，那么，地球上的人