【物理】宇宙航行 课件-2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

人教版高一物理必修第二册第二学期第七章7.4宇宙航行第七章万有引力与宇宙航行第4节宇宙航行核心素养目标1、物理观念：知道三个宇宙速度的含义和数值，会计算第一宇宙速度．2、科学思维：掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系．3、科学探究：理解近地卫星、同步卫星的区别．4、科学态度与责任：掌握卫星的变轨问题．教学目标教学重点：知道三个宇宙速度的含义和数值，会计算第一宇宙速度．

掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系．教学难点：

理解近地卫星、同步卫星的区别．

掌握卫星的变轨问题．万有引力:定律自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比。其中G为引力常量，r为两物体的中心距离，m为物体的质量。方向：在两个物体的连线上。引力常量：

G=6.67×10-11

Nm2/kg2回顾旧知两种计算星球引力地面（或某星球表面）的物体的重力近似等于万有引力环绕天体所需的向心力由中心天体对环绕天体的万有引力提供回顾旧知万有引力与重力关系Rrr=R+hh纬度越大，g越大。高度越大，g越小回顾旧知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？情境导入1.登月过程需要解决的问题？（1）如何让嫦娥五号飞出地球？（2）如何让嫦娥五号飞向月球？（3）如何让航天器飞向宇宙？情境导入2、（1）拿一支粉笔水平抛出，粉笔做什么运动？（2）在相同高度使抛出时的速度更大一些，与第一次抛出有什么区别？（3）是否可以一直运动不掉下来？为什么会这样呢？可以看作平抛运动水平飞出的距离更远不可以，因为受到重力作用，粉笔会向下运动。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。情境导入如图所示，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。你知道这个速度究竟有多大吗？情境导入思考：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引任务探究一一、宇宙速度思考：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M=6×1024kg，地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度（环绕速度）。1.第一宇宙速度的分析与计算(1)环绕法：万有引力提供物体作圆周运动的向心力任务探究一一、宇宙速度1.第一宇宙速度的分析与计算思考：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M=6×1024kg，地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）(2)拱桥法：当支持力为0时，重力提供物体作圆周运动的向心力。mgFN任务探究一一、宇宙速度（2）是航天器成为卫星的最小发射速度2.是卫星的最大环绕速度（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与计算发射卫星的轨道越高，需要克服万有引力的阻碍作用越多，所以发射速度需要增加。因此第一宇宙速度也是航天器成为卫星的最小发射速度。

刚好贴着地球表面更高的轨道因此第一宇宙速度也是卫星的最大环绕速度。任务探究一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任务探究一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）任务探究二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任务探究二一、宇宙速度2.认识第二宇宙速度理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大于7.9km/s，又小于11.2km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于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叫作第二宇宙速度（逃逸速度）。任务探究二当速度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）任务探究二3.认识第三宇宙速度达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于

16.7km/s，这个速度叫作第三宇宙速度（脱离速度）。注意：在地面发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹不是圆，而是椭圆；等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，永远离开地球。任务探究二旅行者一号（飞出太阳系）任务探究二发射速度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任务探究二一、宇宙速度数值意义第一宇宙速度___km/s(1)卫星在地球表面附近绕地球做_____________的速度(2)人造卫星的最小地面发射速度第二宇宙速度____km/s使卫星挣脱_____引力束缚的最小地面发射速度第三宇宙速度____km/s使卫星挣脱_____引力束缚的_____地面发射速度7.9匀速圆周运动11.2地球16.7太阳最小任务探究二1970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.人造地球卫星任务探究三

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）任务探究三二、人造卫星任务探究三任务探究三二、人造卫星（一）人造地球卫星的轨道特点1、卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道．(1)卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律．(2)卫星绕地球沿圆轨道运动时，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，而万有引力指向地心，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心．(3)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任一角度，如图所示．任务探究三二、人造卫星任务探究三二、人造卫星二、人造卫星3.人造地球卫星的分类（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。任务探究三二、人造卫星3.人造地球卫星的分类（2）同步卫星的“六个一定”①轨道平面一定：赤道平面②周期与角速度一定：T=24h⑤运转方向一定:自西向东③轨道半径一定:r=6.6R④速度大小一定:v=3.08km/s⑥向心加速度的大小一定:任务探究三任务探究三二、人造卫星（3）同步卫星的用途：主要用于通信，故也称通信卫星。3颗同步卫星可实现全球覆盖,为了使同步卫星之间不相互干扰，大约3°左右才能放置一颗同步卫星，也就是说，地球上空只能放下120颗同步卫星。截止2012年，已发射100多颗。.(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针对训练任务探究三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任务探究三任务探究四三、载人航天与太空探索

1961年4月12日，苏联航天员加加林进入称为第一个进入太空的人类。

1969年阿波罗登月，阿姆斯特朗说了那名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言,却是巨大飞E跃。”课堂小结宇宙航行宇宙速度第一宇宙速度（环绕速度）:第二宇宙速度（逃逸速度）:第三宇宙速度（脱离速度）:v2=11.2km/sv1=7.9km/sv3=16.7km/s人造地球卫星载人航天与太空探索近地卫星极地卫星同步卫星任务探究四任务探究四四、载人航天与太空探索2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将11名(14人次)航天员送入太空，包括两名女航天员。任务探究五1.若取地球的第一宇宙速度为8km/s，某行星质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为(

) A.16km/s B.32km/s C.4km/s D.2km/sA40任务探究五2.如图所示，是同一轨道平面内的三颗人造地球卫星，下列说法正确的是()A.线速度vA＜vB＜vCB.根据万有引力定律，可知FA＞FB＞FCC.角速度ωA＞ωB＞ωCD.向心加速度aA＜aB＜aCC3.设地球的质量为M，半径为R，自转角速度为ω，万有引力常量为G，同步卫星离地心高度为r，地表重力加速度为g，则关于同步卫星的速度v的表达式正确的是（）

A．

B．

C．

D．ACD任务探究五任务探究五4.如图所示，天宫二号在椭圆轨道Ⅰ的远地点开始变轨，变轨后在圆轨道Ⅱ上运行，A点离地面高度约为380km，地球同步卫星离地面高度约为36000km。若天宫二号变轨前后质量不变，则下列说法正确的是（）A．天宫二号在轨道Ⅰ上运行通过近地点B时速度最小B．天宫二号在轨道Ⅰ上的机械能小于在轨道Ⅱ上的机械能C．天宫二号在轨道Ⅱ上运行的周期一定大于24hD．天宫二号在轨道Ⅰ上运行通过点A时的加速度一定小于在轨道ⅡA上运行通过点时的加速度B如图所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造卫星，a和b的质量相等，且小于c的质量，则()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的线速度大小相等，且小于a的线速度ABD任务探究五任务探究五我国“中星11号”商业通信卫星是一颗同步卫星，它定点于东经98.2度的赤道上空，关于这颗卫星的说法正确的是()A．运行速度大于7.9km/sB．离地面高度一定，相对地面静止C．绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大D．向心加速度与