（新教材）2022年高中物理（浙江）人教版必修第二册课件：7.4 宇宙航行 .ppt

1、4.宇 宙 航 行 必备知识必备知识自主学习自主学习 一、第一宇宙速度一、第一宇宙速度 【情境思考情境思考】 牛顿说在高山上架起一门大炮牛顿说在高山上架起一门大炮, ,只要这门炮的威力足够大只要这门炮的威力足够大, , 炮弹将不会落到地面炮弹将不会落到地面, ,成为地球的一颗卫星成为地球的一颗卫星, ,是什么力使炮是什么力使炮 弹绕地球运动呢弹绕地球运动呢? ? 提示提示: :炮弹与地球之间的万有引力。炮弹与地球之间的万有引力。 1.1.对第一宇宙速度的理解对第一宇宙速度的理解: :第一宇宙速度是在地面上发射卫星的最小速度第一宇宙速度是在地面上发射卫星的最小速度, ,等等 于卫星围绕地球表面做

2、匀速圆周运动的速度。于卫星围绕地球表面做匀速圆周运动的速度。 2.2.第一宇宙速度数值推导第一宇宙速度数值推导: :物体绕地球运动可视作匀速圆周运动物体绕地球运动可视作匀速圆周运动, ,万有引力充万有引力充 当做匀速圆周运动所需的向心力当做匀速圆周运动所需的向心力, ,即即 (m(m地 地是地球的质量 是地球的质量,r,r是物体是物体 做圆周运动的半径做圆周运动的半径) )。r r近似等于地球半径代入数据得近似等于地球半径代入数据得 v=v= 7.9 km/s7.9 km/s。 2 2 m mv Gm rr 地 Gm r 地 二、第二宇宙速度二、第二宇宙速度 v=11.2 km/sv=11.2

3、 km/s时时, ,使飞行器挣脱地球束缚的最小地面发射速度使飞行器挣脱地球束缚的最小地面发射速度, ,这个速度叫作第这个速度叫作第 二宇宙速度。二宇宙速度。 三、第三宇宙速度三、第三宇宙速度 v=16.7 km/sv=16.7 km/s时时, ,使飞行器挣脱太阳束缚的最小地面发射速度。这个速度叫作第使飞行器挣脱太阳束缚的最小地面发射速度。这个速度叫作第 三宇宙速度。三宇宙速度。 【易错辨析易错辨析】 (1)(1)第一宇宙速度是卫星绕地球做匀速圆周运动的最小速度。第一宇宙速度是卫星绕地球做匀速圆周运动的最小速度。( )( ) (2)(2)第一宇宙速度的大小与地球质量有关。第一宇宙速度的大小与地球

4、质量有关。( ( ) ) (3)(3)月球的第一宇宙速度也是月球的第一宇宙速度也是7.9 km/s7.9 km/s。( ( ) ) (4)(4)若物体的速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度若物体的速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度, ,则物体可绕太阳运则物体可绕太阳运 行。行。( ( ) ) (5)(5)要发射一颗月球卫星要发射一颗月球卫星, ,在地面的发射速度应大于在地面的发射速度应大于16.7 km/s16.7 km/s。( ( ) ) 关键能力关键能力合作学习合作学习 知识点一知识点一 第一宇宙速度第一宇宙速度 角度角度1 1 第一宇宙速度的定性分析第一宇宙速度的定性分析 1.1.

5、第一宇宙速度第一宇宙速度: :第一宇宙速度是卫星近地环绕地球做匀速圆周运动所必须具第一宇宙速度是卫星近地环绕地球做匀速圆周运动所必须具 备的速度备的速度, ,即近地环绕速度。即近地环绕速度。 提醒提醒: :卫星近地环绕地球运动时轨道半径可近似看成地球半径。卫星近地环绕地球运动时轨道半径可近似看成地球半径。 2.2.决定因素决定因素: :由公式由公式v=v= 可得出第一宇宙速度数值由中心天体决定可得出第一宇宙速度数值由中心天体决定, ,大小大小 取决于地球质量取决于地球质量m m地 地和地球半径 和地球半径R R。 提醒提醒: :由由 =mg=mg还可得出第一宇宙速度还可得出第一宇宙速度v=v=

6、 。 3.“3.“最小发射速度”最小发射速度”: :发射人造卫星的速度如果低于第一宇宙速度发射人造卫星的速度如果低于第一宇宙速度, ,由于受到由于受到 地球引力的作用地球引力的作用, ,卫星会落到地球上。所以第一宇宙速度是最小的发射速度。卫星会落到地球上。所以第一宇宙速度是最小的发射速度。 提醒提醒: :发射速度是指卫星与火箭分离时的速度。发射速度是指卫星与火箭分离时的速度。 Gm R 地 2 2 m mv Gm RR 地 gR 4.“4.“最大环绕速度”最大环绕速度”: :在所有的环绕地球做圆周运动的卫星中在所有的环绕地球做圆周运动的卫星中, ,近地卫星的轨近地卫星的轨 道半径最小道半径最小

7、, ,由公式由公式 得得v=v= , ,轨道半径越小轨道半径越小, ,线速度越大线速度越大, , 所以第一宇宙速度是最大的环绕速度。所以第一宇宙速度是最大的环绕速度。 提醒提醒: :环绕速度即运行速度与发射速度概念不同。环绕速度即运行速度与发射速度概念不同。 2 2 m mv Gm rr 地 Gm r 地 【问题探究问题探究】 在离地面在离地面150 km150 km左右飞行的航天器左右飞行的航天器, ,能说在地面附近飞行吗能说在地面附近飞行吗? ?为什么为什么? ? 提示提示: :能能,150 km,150 km相对于地球相对于地球6 400 km6 400 km的半径来说可以忽略。的半径来

8、说可以忽略。 【典例示范典例示范】 【典例典例1 1】( (多选多选) )关于第一宇宙速度关于第一宇宙速度, ,以下叙述正确的是以下叙述正确的是 ( ( ) ) A.A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度 B.B.它是近地圆轨道上人造卫星的运行速度它是近地圆轨道上人造卫星的运行速度 C.C.它是使卫星进入轨道的最小发射速度它是使卫星进入轨道的最小发射速度 D.D.它是人造卫星发射时的最大速度它是人造卫星发射时的最大速度 角度角度2 2 第一宇宙速度的定量计算第一宇宙速度的定量计算 1.1.根据星球表面的重力加速度计算它的第一宇宙速度根据星球表面的重力加速度

9、计算它的第一宇宙速度, ,依据依据 2.2.根据星球近地卫星做匀速圆周运动计算它的第一宇宙速度根据星球近地卫星做匀速圆周运动计算它的第一宇宙速度, ,依据依据 2 Gm m mg R 地 。 2 2 Gm mv m RR 地 。 【典例示范典例示范】 【典例典例2 2】( (多选多选) )已知火星的质量约为地球质量的已知火星的质量约为地球质量的 , ,火星的半径约为地球半径火星的半径约为地球半径 的的 。下列关于火星探测器的说法中正确的是。下列关于火星探测器的说法中正确的是 ( ( ) ) A.A.发射速度只要大于第一宇宙速度即可发射速度只要大于第一宇宙速度即可 B.B.发射速度只有达到第三宇

10、宙速度才可以发射速度只有达到第三宇宙速度才可以 C.C.发射速度应大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度发射速度应大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度 D.D.火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的 1 9 1 2 2 3 【素养训练素养训练】 1.(1.(母题追问母题追问)()(多选多选) )在在【典例典例1 1】的情景中下列说法正确的是的情景中下列说法正确的是 ( ( ) ) A.A.被发射的物体质量越大被发射的物体质量越大, ,第一宇宙速度越大第一宇宙速度越大 B.B.被发射的物体质量越小被发射的物体质量越小, ,第一宇宙速度越

11、大第一宇宙速度越大 C.C.第一宇宙速度与被发射物体的质量无关第一宇宙速度与被发射物体的质量无关 D.D.第一宇宙速度与地球的质量有关第一宇宙速度与地球的质量有关 2.(2.(教材二次开发教材二次开发教材教材P64P64【练习与应用练习与应用】T4T4变式变式) )金星的半径是地球半径的金星的半径是地球半径的 95%,95%,质量为地球质量的质量为地球质量的82%,82%,近地卫星与环绕金星表面卫星的周期之比是多少近地卫星与环绕金星表面卫星的周期之比是多少? ? 向心加速度之比是多少向心加速度之比是多少? ? 【加固训练加固训练】 某人在一星球表面上以速度某人在一星球表面上以速度v v0 0竖

12、直上抛一物体竖直上抛一物体, ,经过时间经过时间t t后物体落回手中。后物体落回手中。 已知星球半径为已知星球半径为R,R,那么沿星球表面将物体抛出那么沿星球表面将物体抛出, ,要使物体不再落回星球表面要使物体不再落回星球表面, ,抛抛 射速度至少为射速度至少为 ( ( ) ) 0000 v t2v Rv Rv A. B. C. D. RttRt 知识点二知识点二 人造地球卫星人造地球卫星 角度角度1 1 人造地球卫星轨道特点人造地球卫星轨道特点 1.1.卫星运动遵循的规律卫星运动遵循的规律: :卫星绕地球沿椭圆轨道运动时卫星绕地球沿椭圆轨道运动时, ,地心在椭圆的一个地心在椭圆的一个 焦点上

13、焦点上, ,卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。 2.2.卫星轨道的圆心卫星轨道的圆心: :卫星绕地球沿圆形轨道运动时卫星绕地球沿圆形轨道运动时, ,因为地球对卫星的万有引力因为地球对卫星的万有引力 提供了卫星绕地球运动的向心力提供了卫星绕地球运动的向心力, ,而万有引力指向地心而万有引力指向地心, ,所以地心是卫星圆轨道所以地心是卫星圆轨道 的圆心。的圆心。 3.3.卫星的轨道卫星的轨道: :卫星的轨道平面可以在赤道平面内卫星的轨道平面可以在赤道平面内( (如同步卫星如同步卫星),),可以通过两极可以通过两极 上空上空( (极地卫星极地卫星

14、),),也可以和赤道平面成任意角度。也可以和赤道平面成任意角度。 【问题探究问题探究】 地球的周围地球的周围, ,有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动, ,这些这些 卫星运动所需的向心力都是什么力提供的卫星运动所需的向心力都是什么力提供的? ? 提示提示: :地球对卫星的万有引力提供向心力。地球对卫星的万有引力提供向心力。 【典例示范典例示范】 【典例典例1 1】( (多选多选) )如图所示的三颗人造地球卫星如图所示的三颗人造地球卫星, ,则下列说法正确的是则下列说法正确的是( ( ) ) A.A.卫星可能的轨道为卫星可能的轨道为a a、b b、c c B.

15、B.卫星可能的轨道为卫星可能的轨道为a a、c c C.C.同步卫星可能的轨道为同步卫星可能的轨道为a a、c c D.D.同步卫星可能的轨道为同步卫星可能的轨道为a a 角度角度2 2 地球同步卫星地球同步卫星 1.1.地球同步卫星地球同步卫星: :位于地球赤道上空位于地球赤道上空, ,相对于地面静止不动相对于地面静止不动, ,它的角速度跟地球它的角速度跟地球 的自转角速度相同的自转角速度相同, ,广泛应用于通信广泛应用于通信, ,又叫作同步通信卫星。又叫作同步通信卫星。 2.2.地球同步通信卫星的特点地球同步通信卫星的特点 特点特点 内容内容 周期一定周期一定 与地球自转周期相同与地球自转

16、周期相同, ,即即T=24 h=86 400 sT=24 h=86 400 s 角速度一定角速度一定 与地球自转的角速度相同与地球自转的角速度相同 高度一定高度一定 卫星离地面高度卫星离地面高度h=rh=r- -R6R(R6R(为恒量为恒量) ) 向心加速度大向心加速度大 小一定小一定 a an n=0.23 m/s=0.23 m/s2 2 轨道平面一定轨道平面一定 轨道平面与赤道平面共面轨道平面与赤道平面共面 【典例示范典例示范】 【典例典例2 2】(2020(2020天津等级考天津等级考) )北斗问天北斗问天, ,国之夙愿。我国北斗三号系统的收官国之夙愿。我国北斗三号系统的收官 之星是地球

17、静止轨道卫星之星是地球静止轨道卫星, ,其轨道半径约为地球半径的其轨道半径约为地球半径的7 7倍。与近地轨道卫星相倍。与近地轨道卫星相 比比, ,地球静止轨道卫星地球静止轨道卫星( ( ) ) A.A.周期大周期大 B.B.线速度大线速度大 C.C.角速度大角速度大 D.D.加速度大加速度大 【素养训练素养训练】 ( (多选多选)(2020)(2020滨州高一检测滨州高一检测) )同步卫星与地心的距离为同步卫星与地心的距离为r,r,运行速率为运行速率为v v1 1, ,向心加向心加 速度为速度为a a1 1, ,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a

18、 a2 2, ,第一宇宙速度为第一宇宙速度为v v2 2, , 地球半径为地球半径为R,R,则下列关系式正确的是则下列关系式正确的是 ( ( ) ) 2 1111 2222 aavvrRrR A. B.() C. D. aRarvRvr 【拓展例题拓展例题】考查内容考查内容: :三个处于不同位置的做圆周运动物体的比较三个处于不同位置的做圆周运动物体的比较 【典例典例】( (多选多选) )如图所示如图所示, ,赤道上随地球自转的物体赤道上随地球自转的物体A A、赤道上空的近地卫星、赤道上空的近地卫星B B、 地球同步卫星地球同步卫星C,C,它们的运动都可视为匀速圆周运动它们的运动都可视为匀速圆周

19、运动, ,比较三个物体的运动情况比较三个物体的运动情况, , 以下判断正确的是以下判断正确的是 ( ( ) ) A.A.三者的周期关系为三者的周期关系为T TA ATTB BTaaB BaaC C C.C.三者角速度的大小关系为三者角速度的大小关系为 A A= =C C B B D.D.三者线速度的大小关系为三者线速度的大小关系为v vA AvvC CvvB B 【生活情境生活情境】 我国的“北斗”导航系统我国的“北斗”导航系统, ,在交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测等领在交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测等领 域发挥巨大的作用。该系统有域发挥巨大的作用。该系统有5 5颗静止轨道卫星

20、颗静止轨道卫星,27,27颗中轨道卫星颗中轨道卫星( (离地高度约离地高度约 21 000 km),21 000 km),以及其他轨道卫星共以及其他轨道卫星共3535颗。颗。 探究探究: : (1)(1)静止轨道卫星能定位在北京上空吗静止轨道卫星能定位在北京上空吗? ? (2)(2)中轨道卫星与同步卫星谁的线速度大中轨道卫星与同步卫星谁的线速度大? ? 情境模型素养 【生产情境生产情境】 我国的空间站有望在我国的空间站有望在20222022年投入运转年投入运转, ,支持在轨实施空间支持在轨实施空间 天文、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空天文、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空 间材料科学等学科领域的科学研究与应用项目。间材料科学等学科领域的科学研究与应用项目。 探究探究: : (1)(1)为什么宇宙飞船与空间站对接前不在同一轨道为什么宇宙飞船与空间站对接前不在同一轨道? ? (2)(2)宇宙飞船与空间站对接后宇宙飞船与空间站对接后, ,空间站的周期会变化吗空间站的周期会变化吗?