【課件】宇宙航行 課件 -2022-2023學(xué)年高一下學(xué)期物理人教版（2019）必修第二冊

7.4宇宙航行想一想牛頓猜想：拋出速度很大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面，這個(gè)速度有多大？嫦娥奔月

敦煌飛天的壁畫探究宇宙的奧秘，奔向遙遠(yuǎn)的太空。自古以來就是人類的夢想，怎樣才能實(shí)現(xiàn)這一夢想呢？牛頓的手稿<自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理>牛頓的設(shè)想---發(fā)射人造衛(wèi)星原理牛頓對(duì)發(fā)射人造衛(wèi)星的構(gòu)想：

從高山上用不同的水平速度拋出物體，速度一次比一次大，落點(diǎn)也就一次比一次離山腳遠(yuǎn)。如果沒有空氣阻力，當(dāng)速度足夠大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來，它將繞地球旋轉(zhuǎn)成為一顆繞地球運(yùn)動(dòng)的人造地球衛(wèi)星。1第一宇宙速度牛頓的設(shè)想

第一宇宙速度推導(dǎo)

簡單認(rèn)為衛(wèi)星在地球表面附近（R=r）繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)：方法一：飛行器運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由地球?qū)λ娜f有引力提供，即方法二：黃金代換法

mvr第一宇宙速度數(shù)值

已知地球質(zhì)量或重力加速度g，算出v＝______，這就是物體在地球表面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫作第一宇宙速度。7.9km/s

第一宇宙速度物理意義（1）第一宇宙速度是使人造衛(wèi)星能繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最小發(fā)射速度；（2）第一宇宙速度也是人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大運(yùn)行速度（

）；也就是緊貼地面的運(yùn)行速度。別稱：環(huán)繞速度。建立模型：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)基本思路：衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供。GMmr2=mv2rv=GMr請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算：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(yùn)動(dòng)所必須具有的速度有多大？宇宙速度第一宇宙速度即：衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度——第一宇宙速度

思考：如果不知道地球的質(zhì)量，但知道地球表面的重力加速度g，如何求宇宙第一速度v？由第一宇宙速度的計(jì)算方法二：則思考：地面上的物體如何才能獲得這么大的速度？由此可見：要發(fā)射一顆繞地球半徑運(yùn)行的人造衛(wèi)星，發(fā)射速度必須等于7.9km/s。所以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。即：人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)有何規(guī)律？可見：v、ω、T與r為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系高軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，線速度小、角速度小，周期長。FV思考：衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的線速度、角速度和周期與軌道半徑的關(guān)系呢？

所以7.9km/s是最小發(fā)射速度，也是最大環(huán)繞（運(yùn)行）速度。

發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡不是圓，而是橢圓。等于或大于11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行。

運(yùn)行速度指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時(shí)，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度，當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時(shí)，運(yùn)行速度小于第一宇宙速度。思考：若發(fā)射速度大于7.9km/s，則人造衛(wèi)星將如何運(yùn)動(dòng)？1.極地衛(wèi)星

極地衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)每圈都經(jīng)過南北兩極，由于地球自轉(zhuǎn)，極地衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。2.近地衛(wèi)星

近地衛(wèi)星是在地球表面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星，其運(yùn)行的軌道半徑可近似認(rèn)為等于地球的半徑。3.同步衛(wèi)星衛(wèi)星公轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同的稱為地球同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星的六個(gè)“一定”對(duì)于靠近地面的衛(wèi)星（近地衛(wèi)星），可以認(rèn)為此時(shí)的r近似等于地球半徑R，把r用地球半徑R代入，可以求出這就是人造地球衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)的最大環(huán)繞速度，叫做第一宇宙速度。１.第一宇宙速度（環(huán)繞速度）人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度發(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，并且一旦發(fā)射就再也沒有補(bǔ)充能量，被發(fā)射物僅依靠自身的初動(dòng)能克服地球引力做功上升一定高度，進(jìn)入運(yùn)行軌道。因衛(wèi)星上升過程中要克服引力和空氣阻力(在大氣層中時(shí))做功消耗動(dòng)能，所以衛(wèi)星越高，發(fā)射速度越大。運(yùn)行速度(環(huán)繞速度)是指衛(wèi)星在進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度，根據(jù)可知，衛(wèi)星越高軌道半徑越大,衛(wèi)星運(yùn)行速度(環(huán)繞速度)就越小，近地衛(wèi)星可認(rèn)為v發(fā)=v運(yùn)，其它較高衛(wèi)星的v發(fā)＞v運(yùn)。運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致。周期T=24h角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同軌道平面與赤道平面重合，在赤道正上方離地表高度均為36000km

地球同步衛(wèi)星（通訊衛(wèi)星、通信衛(wèi)星）hRMm注意：同步衛(wèi)星質(zhì)量可以不同,相對(duì)地球靜止同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、赤道上的物體赤道上的物體：①角速度與地球自轉(zhuǎn)相同；②萬有引力提供向心力同步衛(wèi)星：②萬有引力提供向心力①角速度與地球自轉(zhuǎn)相同②萬有引力和地表支持力的合力提供向心力近地衛(wèi)星：①同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、赤道上的物體赤道上的物體=同步衛(wèi)星<近地衛(wèi)星3、角速度:1、向心加速度：近地衛(wèi)星：赤道上的物體：同步衛(wèi)星：2、線速度：同步衛(wèi)星：近地衛(wèi)星：赤道上的物體：2013年6月11日，“神舟十號(hào)”飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，航天員王亞平進(jìn)行了首次太空授課。在飛船進(jìn)入圓形軌道環(huán)繞地球飛行時(shí)，它的線速度大小(

)A．等于7.9km/sB．介于7.9km/s和11.2km/s之間C．小于7.9km/sD．介于7.9km/s和16.7km/s之間C木星的衛(wèi)星之一叫艾奧，它上面的珞珈火山噴出的巖塊初速度為18m/s時(shí)，上升高度可達(dá)90m。已知艾奧的半徑為R＝1800km，引力常量G＝6.67×10－11

N·m2/kg2，忽略艾奧的自轉(zhuǎn)及巖塊運(yùn)動(dòng)過程中受到稀薄氣體的阻力，求：(1)艾奧的質(zhì)量；(2)艾奧的第一宇宙速度。

不同軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，軌道半徑

，線速度

、角速度

、周期

。越大越小越小越長衛(wèi)星公轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期

的稱為地球同步衛(wèi)星。相同第一宇宙速度V1=

。第三宇宙速度V3=

。第二宇宙速度V2=

。7.9km/s11.2km/s16.7km/s由于某種原因，人造地球衛(wèi)星的軌道半徑減小了，那么衛(wèi)星的（） A．速率變大，周期變小 B．速率變小，周期變大C．速率變大，周期變大 D．速率變小，周期變小一個(gè)人造天體飛臨某個(gè)行星，并進(jìn)入行星表面的圓軌道，已經(jīng)測出該天體環(huán)繞行星一周所用的時(shí)間為T，那么這顆行星的密度是__________。同步衛(wèi)星離地心距離為r，運(yùn)行速度為v1，加速度為a1．地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的加速度為a2，第一宇宙速度為v2，地球半徑為R．則以下正確的是（

）【答案】AD有a、b、c、d四顆地球衛(wèi)星，a還未發(fā)射，在地球赤道上隨地球表面一起轉(zhuǎn)動(dòng)，b處于地面附近近地軌道上正常運(yùn)動(dòng)，c是地球同步衛(wèi)星，d是高空探測衛(wèi)星，各衛(wèi)星排列位置如圖，則下列說法正確的是A．d的運(yùn)動(dòng)周期有可能是23hB．c在4h內(nèi)轉(zhuǎn)過的圓心角是C．b在相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的弧長最長

D．a(chǎn)的向心加速度等于重力加速度g【答案】C“玉兔號(hào)”登月車在月球表面成