人教版高中物理必修二 （宇宙航行）万有引力与宇宙航行教学课件

7.4宇宙航行

1.了解人造卫星的有关知识；2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。学习目标思考：地球上的物体，怎样才能离开地球进行宇宙航行呢？思考：地球上的物体，怎样才能离开地球进行宇宙航行呢？思考：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2,地球质量M=5.89×1024kg,地球半径R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2)法一：万有引力提供物体做圆周运动的向心力法二：在地面附近，重力提供物体做圆周运动的向心力宇宙速度1、第一宇宙速度物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。思考：1.向高轨道发射卫星与发射近地卫星相比,哪个需要的发射速度大？为什么？2.高轨道卫星与近地卫星相比哪个运行速度大？为什么？注意：人造卫星的发射速度与运行速度是两个不同的概念发射速度

指被发射物体离开地面时的速度运行速度

指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度第一宇宙速度（V1=7.9km/s）最小发射速度最大运行速度思考：卫星的的关系

小小小大小近地卫星的周期是多大？2、第二宇宙速度当物体的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2km/s叫做第二宇宙速度。3、第三宇宙速度当物体的速度等于或大于16.7km/s时，物体可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间。我们把16.7km/s叫做第三宇宙速度。梦想成真1957年10月4日，苏联发射第一颗人造地球卫星1961年4月12日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，实现了人进入太空的梦想1969年7月20日，阿波罗11号将人类送上了月球我国的航天成就

1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功2010年10月1日嫦娥二号顺利发射2013年12月2日嫦娥三号探测器进入太空，当月14日成功软着陆于月球2003年10月15日，神舟五号，杨利伟2005年10月12日，神舟六号，费俊龙聂海胜2008年9月25日，神舟七号，翟志刚、刘伯明、景海鹏2011年11月1日，神舟八号顺利升空2012年6月16日，神州九号2013年6月11日，神舟十号，聂海胜、张晓光、王亚平2011年9月29日天宫一号发射升空2011年11月，天宫一号与神舟八号飞船成功对接2012年6月18日神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器自动交会对接2013年6月13日，神舟十号飞船与天宫一号顺利自动交会对接我国的航天成就2016年9月15日22时04分12秒，天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心发射。2016年10月19日凌晨，神州十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。航天员景海鹏、陈东进入天宫二号。2017年9月17日15时29分，地面发送指令，天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室实施分离。2018年9月15日，天宫二号空间实验室已圆满完成2年在轨飞行和各项试验任务，天宫二号平台及装载的应用载荷功能正常、状态良好。为进一步发挥空间应用效益。2019年7月19日21时06分，天宫二号空间实验室受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层，标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。我国的航天成就题组一卫星运行参量的分析与比较常考题型题1[多选］有两颗质量相同的人造卫星A、B，其轨道半径分别为RA、RB，RA∶RB=1∶4，那么下列判断中正确的有（）A.它们的运行周期之比TA∶TB=1∶8 B.它们的运行线速度之比vA∶vB=4∶1C.它们所受的向心力之比FA∶FB=4∶1 D.它们的运行角速度之比ωA∶ωB=8∶1【解析】A对：据=mR，可得T=；两卫星轨道半径之比RA∶RB=1∶4，则它们的运行周期之比TA∶TB=∶:=1∶8。B错：据，可得v=；两卫星轨道半径之比RA∶RB=1∶4，则它们的运行线速度之比vA∶vB=2∶1。C错：向心力Fn=，质量相同的人造卫星A、B，轨道半径之比RA∶RB=1∶4，它们所受的向心力之比FA∶FB=16∶1。D对：据=mRω2，可得ω=，两卫星轨道半径之比RA∶RB=1∶4，则它们的运行角速度之比ωA∶ωB=8∶1。【答案】

AD题2［多选］“土卫5”在距离土星表面高度为h的轨道上做匀速圆周运动。已知土星半径为R，土星表面的重力加速度为g，引力常量为G，则（）A.“土卫5”绕土星运行的周期为B.“土卫5”绕行的速度为C.“土卫5”绕土星运行的角速度为D.“土卫5”轨道处的重力加速度CD题3两颗人造卫星A、B绕地球做圆周运动的周期之比TA∶TB=1∶8，则轨道半径之比和运行速率之比分别为（）rA∶rB=4∶1

vA∶vB=1∶2 B.rA∶rB=4∶1

vA∶vB=2∶1C.rA∶rB=1∶4

vA∶vB=2∶1 D.rA∶rB=1∶4

vA∶vB=1∶2C题4［2019•天津卷第1题改编］2018年12月8日，肩负着亿万中华儿女探月飞天梦想的“嫦娥四号”探测器成功发射，“实现人类航天器首次在月球背面巡视探测，率先在月背刻上了中国足迹”。已知月球的质量为M、半径为R，探测器的质量为m，引力常量为G，“嫦娥四号”探测器围绕月球做半径为r的匀速圆周运动时，探测器的（）

A.周期为 B.速度为C.角速度为 D.向心加速度为A题组二

宇宙速度题5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的

。下列关于火星探测器的说法正确的是

（）A.发射速度只要高于第一宇宙速度即可B.发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C.发射速度不能低于第二宇宙速度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

【解析】A、B错，C对：火星探测器前往火星，脱离地球引力束缚，还在太阳系内，发射速度应大于第二宇宙速度，可以小于第三宇宙速度。D错：由

=

得，v=

，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的

，可得火星的第一宇宙速度与地球第一宇宙速度之比

=

=

=

。【答案】C

B题7已知地球两极处的重力加速度为g，赤道上的物体随地球做匀速圆周运动的向心加速度为a、周期为T，由此可知地球的第一宇宙速度为（）A. B.C. D.C题组三

同步卫星题8

2015年12月29日，“高分四号”卫星升空。这是我国“高分”专项首颗高轨道、高分辨率的光学遥感卫星，也是世界上空间分辨率很高、幅宽很大的地球同步轨道遥感卫星。下列关于“高分四号”地球同步卫星的说法中正确的是（）A.该卫星定点在北京上空B.该卫星定点在赤道上空C.它的高度和速度是一定的，但周期可以是地球自转周期的整数倍D.它的周期和地球自转周期相同，但高度和速度可以选择，高度增大，速度减小【解析】A错，B对：“高分四号”地球同步卫星相对地面静止不动，所以必须定点在赤道上空。C、D错：因为地球同步卫星要和地球自转同步，即它们的周期T与角速度相同，根据=mω2r=，可知ω一定，则r一定，且v也是确定的。【答案】

B题9如图所示，我国自主研发的北斗卫星导航系统由多颗卫星组成，包括分布于a类型轨道的同步轨道卫星、分布于b类型轨道的倾斜轨道卫星（与同步卫星轨道半径相同，轨道倾角55°）和分布于c类型轨道的中轨道卫星，中轨道卫星在3个互成120°的轨道面上做圆周运动。下列说法正确的是（）

A.a类型轨道上的卫星相对于地面静止且处于平衡状态B.a类型轨道上的卫星运行速率等于b类型轨道上卫星的运行速率C.b类型轨道上的卫星也与地球保持相对静止D.三类卫星相比，c类型轨道上的卫星的向心加速度最小B题10［多选］已知地球赤道上的物体随地球自转的线速度大小为v1、向心加速度大小为a1，近地卫星的线速度大小为v2、向心加速度大小为a2，地球同步卫星的线速度大小为v3、向心加速度大小为a3。设近地卫星距地面的高度不计，同步卫星距地面的高度约为地球半径的6倍，则以下结论正确的是（）A.=

B.=

C.

D.CD题组四卫星变轨问题题11［多选］如图所示，若关闭动力的航天飞机在月球引力作用下向月球靠近，并将与空间站在B处对接，已知空间站绕月球做匀速圆周运动的轨道半径为r，周期为T，万有引力常量为G，下列说法中正确的是（）A.图中航天飞机正加速飞向B处B.航天飞机在B处由椭圆轨道进入空间站轨道时必须点火减速C.根据题中条件可以算出月球质量D.根据题中条件可以算出空间站受到月球引力的大小【解析】A对：航天飞机在飞向B处的过程中，受到的引力方向和飞行方向之间的夹角是锐角，使航天飞机加速。B对：由运动的可逆性知，航天飞机在B处要先减速才能由椭圆轨道进入空间站轨道。C对：设绕月球飞行的空间站质量为m，据=可以算出月球质量M。D错：空间站的质量未知，不能计算出空间站受到的月球引力大小。【答案】

ABC题12［多选］如图所示，某次发射同步卫星时，先进入一个近地的圆轨道，然后在P点经极短时间点火变速后进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P点，远地点为同步轨道上的Q点），到达远地点时再次经极短时间点火变速后，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在P点经极短时间变速后的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在Q点经极短时间变速后进入同步轨道后的速率为v4。下列关系正确的是（）

A.v1<v3 B.v4<v1 C.v3<v4 D.v4<v2BCD题13［多选］某人造地球卫星发射时，先进入椭圆轨道Ⅰ，在远地点A加速变轨进入圆轨道Ⅱ。已知轨道Ⅰ的近地点B到地心的距离近似等于地球半径R，远地点A到地心的距离为3R，则下列说法正确的是（）A.卫星在B点的加速度是在A点加速度的3倍B.在B点地球对卫星的万有引力是在A点地球对卫星万有引力的9倍C.卫星在轨道Ⅱ上的运行周期是在轨道Ⅰ上运行周期的

倍D.卫星在轨道I上B点的线速度小于第一宇宙速度BC题组五双星及多星问题题14经长期观测，人们在宇宙中已经发现了“双星系统”，“双星系统”由两颗相距较近的恒星组成，每颗恒星的直径远小于两个星体之间的距离，而且双星系统一般远离其他天体。如图所示，两颗星球组成的双星，在相互之间的万有引力作用下，绕连线上的O点做周期相同的匀速圆周运动。观测得两颗星之间的距离为L，质量之比为m1∶m2=3∶2。则可知（）

A.m1、m2做圆周运动的角速度之比为2∶3B.m1、m2做圆周运动的线速度之比为3∶2C.m1做圆周运动的半径为D.m2做圆周运动的半径为【解析】A错：双星靠相互间的万有引力提供向心力，具有相同的角速度。C对、D错：设双星的角速度为ω，对m1：=m1r1ω2，对m2，=m2r2ω2，得m1r1=m2r2，

。所以r1=，r2=。B错：由v=rω，可知线速度之比。

【答案】

C题15［多选］天文观测中观测到有三颗星球位于边长为l的等边三角形三个顶点上（如图6-5-7所示），并沿等边三角形的外接圆做周期为T的匀速圆周运动。已知引力常量为G，不计其他星球对它们的影响，关于这个三星系统，下列说法正确的是（）

A.三颗星的质量可能不相等B.某颗星的质量为C.它们的线速度大小均为D.它们两两之间的万有引力大小为BD题16现代观测表明，由于引力的作用，恒星有“聚焦”的特点，众多的恒星组成不同层次的恒星系统，最简单的恒星系统是两颗互相绕转的双星。它们以两者连线上的某点为圆心做匀速圆周运动，这样就不至于由于万有引力的作用而吸引在一起。如图所示，设某双星系统中的两星S1、S2的质量分别为m和2m，两星间距为L，在相互间万有引力的作用下，绕它们连线上的某点O转动。已知引力常量为G。求：（1）S1、S2两星之间的万有引力大小；（2）S2星到O点的距离；（3）它们运动的周期。

内容小结三个宇宙速度1.第一宇宙速度v1=7.9km/s2.第二宇宙速度v2=11.2km/s3.第三宇宙速度v3=16.7km/s7.4宇宙航行

课堂引入从嫦娥奔月到万户飞天，从阿波罗11号登月到天问一号的火星之旅，人类一直都梦想飞往太空，那要怎样才能实现呢？牛顿的设想英国科学家牛顿(1643-1727)在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想抛出速度足够大时，物体就不会落回地面。如图所示，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。牛顿的设想你知道这个速度究竟有多大吗？思考：卫星需要多大速度才能绕地球做匀速圆周运动？又是什么力提供向心力呢？

卫星绕地球近似可以看做匀速圆周运动。万有引力提供向心力。物体做圆周运动的轨道半径为r、地球半径为R、物体距地面高度h。r=R+hrR近地卫星距地面高度在100km--200km左右，远小于地球半径。因为，R远大于h。r=R+h约等于R代入得：第一宇宙速度F引物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时，可近似认为向心力是由重力提供的，有：一、宇宙速度小结：如何计算第一宇宙速度卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度——第一宇宙速度

地球对卫星的引力提供

卫星做匀速圆周运动计算方法一：则地球表面重力提供

向心力计算方法2：则贴着地球表面飞行，轨道半径r=地球半径R

地面附近发射飞行器，如果它的速度大于7.9km/s会怎样呢？

阅读书本P60面相关内容一、宇宙速度A理论研究表明，在地面附近的A点，以速度v发射飞行器。v1若：v=7.9km/s，飞行器沿圆形轨道1在地面附近绕地心匀速圆周运动。2若：11.2km/s>v>7.9km/s，飞行器沿轨道2(椭圆轨道)运动。3速度v越大，轨道的远地点离地球越远。若：速度v=11.2km/s呢？第一宇宙速度（环绕速度）vA3当速度v=11.2km/s，飞行器将沿轨道4（白色虚线）运动，只是这个椭圆轨道的远地点在离地球无限远处，飞行器将脱离地球引力束缚，永远离开地球。第二宇宙速度（脱离速度）21当速度v=16.7km/s，飞行器将脱离太阳引力束缚，飞到太阳系以外。4第三宇宙速度（逃逸速度）旅行者一号（飞出太阳系）发射速度v运动情况v<7.9km/s物体落回地面v=7.9km/s绕地球表面，匀速圆周7.9km/s<v<11.2km/s绕地球，椭圆运动11.2km/s≤v<16.7km/s物体绕太阳运动16.7km/s≤v物体飞出太阳系三个宇宙速度“嫦娥五号”在月球最大的月海风暴洋北缘的吕姆克山附近登陆，采集到月球土壤样品后，于2020年12月17日成功带回地球供科学家研究。嫦娥五号从月球返回时，先绕月球做圆周运动，再变轨返回地球。已知地球与月球的半径之比为4:1，地球表面和月球表面的重力加速度之比为6:1，地球的第一宇宙速度为7.9km/s，则月球第一宇宙速度约为（）A．1.6km/s B．6.4km/s C．7.9km/s D．38km/sA针对训练二.人造地球卫星思考：将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动，你能推出卫星环绕线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系吗？二.人造地球卫星思考：人造卫星绕地球运动时受到哪些力？又是哪些力提供向心力？F引地球对卫星的万有引力提供向心力

基本思路：将环绕地球运动的卫星视为做匀速圆周运动，由万有引力充当向心力：F引=Fn

运动规律二.人造地球卫星

在地球表面忽略地球自转：G=F引R为地球半径r为卫星转动半径二.人造地球卫星说明：①只适用卫星轨道为圆轨道②r增大an减少v减少ω减少T增大高轨低速长周期只适用卫星轨道为圆轨道，且仅由万有引力提供向心力如图所示为地球的三个卫星，1、2在同一个轨道，3是同步卫星，问：v1、v2、v3大小关系如何？2134若在赤道上有一物体4随地球一起转动问：v1、v2、v3、v4大小关系又如何？v1=v2>v3v1=v2>v3>v4思考：向高轨道发射卫星与发射近地卫星相比,哪个需要的发射速度大？为什么？注意：人造卫星的发射速度与环绕速度是两个不同的概念发射速度

指被发射物体离开地面时的速度环绕速度

指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度二.人造地球卫星说明：③高轨道发射速度大于低轨道发射速度，但环绕速度小于低轨道卫星的r越大，需要的v发射越大，而v环绕越小思考：想发射一颗卫星绕地球做匀速圆周运动，最小发射速度是多少？（提示：从卫星最小半径考虑）第一宇宙速度（V1=7.9km/s）最小发射速度最大环绕速度二.人造地球卫星卫星的r越大，需要的v发射越大，而v环绕越小1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功。二、人造卫星1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。二.人造地球卫星

钱学森，世界著名科学家，空气动力学家，中国载人航天奠基人，“中国科制之父”和“火箭之王”，由于钱学森回国效力，中国导弹、原子弹的发射向前推进了至少20年。曾任美国麻省理工学院和加州理工学院教授。1950年钱学森回国受阻，并受美国方面监禁，1955年，在毛泽东主席和周恩来总理的争取下回到中国。中国航天之父中国航天之父：钱学森（1911.12.11－2009.10.31）.(多选)三颗人造地球卫星A、B、C绕地球做匀速圆周运动，如图所示，已知mA＝mB=mC，则对于三颗卫星，正确的是(

)ABD针对训练针对训练书本P64面第2题人造卫星轨道如图所示，A、B、C、D四条轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条？ABCD根据：卫星做圆周运动的向心力必须指向地心卫星运动轨道特点：万有引力提供向心力，所以轨道平面一定经过地球中心，卫星围绕地球的中心做匀速圆周运动。问题：卫星绕地球做匀速圆周？可以有哪些轨道？注：所有卫星轨道一定过地心1、近地卫星：指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。三、人造地球卫星的分类思考：近地卫星周期是多少？思考：若地球质量M未知如何求？=84.6min思考：人造卫星的周期能否为24小时？2.同步卫星：指相对于地面静止的人造卫星，它跟着地球做匀速圆周运动，周期T=24h（1）所有的同步卫星只能分布在赤道正上方的一个确定轨道，即同步卫星轨道平面与赤道平面重合。人造地球卫星的分类三、人造地球卫星的分类三、人造地球卫星的分类思考：同步卫星离地面高度是多少？hR2.同步卫星：同步卫星轨道半径：r=思考：若地球质量M未知如何求？黄金代换：GM=gR2≈6.6R三、人造地球卫星的分类思考：同步卫星速度多少？hR2.同步卫星：思考：为何小于第一宇宙