7.4 宇宙航行 课件-高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

开普勒第一定律（轨道定律）

所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律（面积定律）

对于每一个行星而言，太阳和行星的联线在相等的时间内扫过相等的面积。开普勒第三定律（周期定律）

所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。开普勒三大定律知识回顾万有引力定律1.内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比，与它们之间距离r的二次方成反比。2.公式：

r：质点(球心)间的距离引力常量：G=6.67×10－11

N·m2/kg23.条件:质点或均质球体m2m1FFr知识回顾1．重力等于万有引力2．万有引力提供向心力代换法和环绕法1.在地球上(考虑自转)

1）在赤道上

2）在纬度线上

3）在极点上重力是引力的一个分力！向心力远小于重力，重力近似等于万有引力。万有引力与重力、向心力关系2.在近地空中（忽略自转）万有引力=重力提供向心力（卫星）ABCDRMGθmωrFnF引【例1】地球表面重力加速度为g,地球半径为R。忽略地球自转的影响,(1)在距地面高度为h的空中重力加速度是地面上重力加速度的几倍?(2)在距地面高度2h处呢?(3)若地球上空某处的重力加速度为地球表面重力加速度的1/16,则该处距地面的高度为多少?两种基本方法1．重力等于万有引力2．万有引力提供向心力五、小结练习：一物体在地面上受到的重力为160N，将它放置在航天飞机中，在航天飞机以a=g/2的加速度随火箭向上加速升空的过程中，某时刻测得物体与航天飞机中的支持物的相互挤压力为90N，求此时航天飞机距地面的高度。（地球半径取6.4×106

m，g取10m/s2）

第四节

宇宙航行2024/10/16嫦娥奔月

敦煌飞天的美丽壁画

万户自制了47个火箭，然后找来一把椅子绑在椅子上。他控制两个蒲扇来控制方向。砰地一声巨响，火箭巨大的推力把万户顶上了天，可是就在人们要为万户实验成功而欢呼时。第二排的火箭却发生了自燃，就听见了一生巨大的爆炸音，天空出窜出了一个火球，而万户也从椅子上被炸出来，摔倒在万家山去世了。

他不仅给中国人带来了飞天的实践，他所利用的火箭助推升空远离，也是世界上的第一人，前苏联的宇航员不仅把中国人看作是火箭的发明者，更是开启利用火箭技术飞天的人，后来世界科学家把世界科学家将月球上的一座环形火山命名为“万户山”。1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克”号。1958月1月30日，美国发射第一颗人造卫星“丘比特-C”。1961年4月12日，苏联航天员加加林乘坐东方1号宇宙飞船从拜科努尔发射场起航。在最大高度为301公里的轨道上绕地球一周，历时1小时48分钟，降落在萨拉托夫州斯梅洛夫卡村地区，完成了世界上首次载人宇宙飞行，实现了人类进入太空的愿望。我国在1970年4月20日发射了第一颗人造地球卫星2003年10月15日，神州五号载人宇宙飞船发射升空，杨利伟成功登上太空并安全归来，成为了我国航天第一人。人类什么时候实现飞天梦？中国什么时候实现飞天梦？希望研究什么问题？任务一：建立模型推导第一宇宙速度在一座高山上平抛一个物体，请画出物体的运动轨迹？物体做什么运动？现在增大速度，落点怎么变化？还是平抛运动吗？这图上的四条轨迹什么意思？牛顿设想把物体从高山上水平抛出的速度足够大就成为人造地球卫星，你认为可能吗？牛顿１６８７年在《自然哲学的数学原理》中设想：抛出速度很大时，物体不会落回地面人造卫星的发射原理近地卫星（在100-200km的高度飞行），空气阻力是否可以忽略，可以近似计算它的运行速度吗？1970年4月24日在酒泉卫星发射中心成功发射。东方红一号卫星重173千克，由长征一号运载火箭送入近地点441千米、远地点2368千米的椭圆轨道。卫星进行了轨道测控和《东方红》乐曲的播送。东方红设计寿命20天。东方红一号发射成功，开创了中国航天史的新纪元，使中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。2021年6月24日，中国首颗人造卫星东方红一号，仍在轨运行。1.第一宇宙速度：(环绕速度）

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

(脱离速度)V2=11.2km/sV3=16.7km/s3.第三宇宙速度：（逃逸速度）→人造行星→人造恒星人造卫星用离心运动理解椭圆运动和第二、第三宇宙速度任务二：探究人造卫星的运行规律用圆周运动的知识分析4个轨道中哪几个是可能的？这些可能的轨道圆心或焦点有什么共同特点？1.轨道特点“高轨低速长周期”人造卫星的轨道极地轨道一般轨道赤道轨道所有卫星都在以地心为圆心的轨道上(原因？）平面立体赤道平面人造卫星的轨道人造卫星的轨道平面你能写出它们的动力学方程吗？用这个方程可以得到它们之间的运行速度、角速度、周期、向心加速度的关系吗？2.人造卫星运行规律设地球质量为M，卫星质量为m，卫星的绕行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a与轨道半径r的关系r(a、V、ω、T

)思路：万有引力提供向心力(1)由r越大,卫星的v越小。(2)由r越大,卫星的ω越小。(3)由r越大,卫星的T越大。(4)由r越大,卫星的an越小。以上结论可总结为“一定四定,越远越慢”。卫星运动情况(a、V、ω、T

)是由r

唯一决定1234v1>v2=v3>v4T1<T2=T3<T4ω1>ω2=ω3>ω4卫星运动情况(a、V、ω、T

)是由r

唯一决定

越远越慢！我们能否发射一颗周期为80min的卫星？近地卫星方法一：方法二：3.地球同步卫星（1）定义所谓地球同步卫星，是相对于地面静止的和地球具有相同周期的卫星，同步卫星必须位于赤道平面内，且到地面的高度一定。rvωTa“全部固定”（2）地球同步卫星的运行特征可概括为四个一定①定轨道平面,其运行轨道平面在赤道平面内；②定周期,即运行周期等于地球自转周期（24h）③定高度，即离地面高度一定（h=36000km，约6.6R地）④定速度，即运行速度一定（v≈3.1km/s）（3）同步卫星的应用：主要用于通信3颗同步卫星可实现全球覆盖所以也叫通信卫星16十月2024

为了卫星之间不互相干扰，大约3°左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。练习、甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是()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．甲在运行时能经过北极的正上方AC任务三：发射速度、运行速度、宇宙速度辨析1.发射速度：是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度（一次需要达到的速度，不考虑多次加速）。2.运行速度：是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。r↗

v↘①宇宙速度均指发射速度②第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度了解：一、人造卫星的超重和失重1.发射和回收阶段发射加速上升超重回收减速下降超重

人在承受16g的重力加速度必将死亡，训练有素的飞行员能承受9G的重力，但会产生黑视现象，很危险。F1车手能承受6个G的重力，普通人3、4个G的重力就会感到极其难受，甚至昏厥

一、人造卫星的超重和失重2.沿圆轨道正常运行只受重力a=g完全失重与重力有关的现象全部消失天平弹簧秤测重力液体压强计“嫦娥奔月”图VF引F引＜F向F引＞F向卫星变轨原理MmA点速度—内小外大（在A点看轨迹）在A点万有引力相同A·思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其在高轨道上运行，应采取什么措施？在低轨道上加速，使其沿椭圆轨道运行，当行至椭圆轨道的远点处时再次加速，即可使其沿高轨道运行。卫星变轨原理1、卫星在二轨道相切点万有引力相同速度—内小外大（切点看轨迹）2、卫星在椭圆轨道运行近地点---速度大，动能大远地点---速度小，动能小vF引12R卫星在圆轨道运行速度V1V2θ＞900减小卫星变轨原理v3F引L卫星变轨原理使卫星进入更高轨道做圆周运动v3v4卫星的回收

1.如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点，2、3相切于Q点。当卫星分别在1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是（）

A.在轨道3上的速率大于1上的速率

B.在轨道3上的角速度小于1上的角速度

C.在轨道2上经过Q点时的速率等于在轨道3上经过Q点时的速率

D.在轨道1上经过P点时的加速度等于在轨道2上经过P点时的加速度QP2·31BD2.如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将卫星发射至距地面高度为h1的近地轨道Ⅰ上．在卫星经过A点时点火实施变轨，进入远地点为B的椭圆轨道Ⅱ上，最后在B点再次点火，将卫星送入同步轨道Ⅲ.已知地球表面重力加速度为g，地球自转周期为T，地球的半径为R．求：（1）近地轨道Ⅰ上的速度大小；（2）远地点B距地面的高度。解：嫦娥奔月发射、变轨、运行

2.2007年10月24日“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧，如图所示（）

A.“嫦娥一号”由⑤到⑥需加速、由⑦到⑧需减速

B.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度

C.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关

D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比

E.在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力①②③近地变轨轨道修正转移轨道④⑤⑥⑦⑧发射D

3.2007年10月24日，“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧，如图所示。若月球半径为R，试写出月球表面重力加速度的表达式①②③近地变轨轨道修正转移轨道④⑤⑥⑦⑧发射三、对接问题：宇宙飞船与空间站的对接空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人