【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.pptx

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1、7.4 宇宙航行提示：万有引力提供物体作匀速圆周运动的向心力。提示：万有引力提供物体作匀速圆周运动的向心力。这个抛出速度就是做匀速圆周运动的线速度。这个抛出速度就是做匀速圆周运动的线速度。探究问题：以多大的速度抛出一个物体，它才会绕探究问题：以多大的速度抛出一个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？（变成了近地卫星）地球表面运动，不会落下来？（变成了近地卫星）(已知已知=6.6710-11Nm2/kg2,地球质量地球质量M=5.981024kg,地球半径地球半径R=6400km)探究问题一探究问题一 第一宇宙速度的推导第一宇宙速度的推导且且 r=R（地球近地卫星的线速度）（地球近地卫星的线速

2、度）若不知道地球的质量若不知道地球的质量M,只知道地球表面重力加速度只知道地球表面重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km，又该如何计算？，又该如何计算？地球表面附近，物体受到的重力等于地球对物体的引力，地球表面附近，物体受到的重力等于地球对物体的引力，此时重力提供向心力此时重力提供向心力1.第一宇宙速度既是第一宇宙速度既是最小最小的发射速度，也是的发射速度，也是最大最大的环绕速度。的环绕速度。2.不同星体的第一宇宙速度不一样不同星体的第一宇宙速度不一样(1)发射速度：指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度发射速度：指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度.(2)运行速度：也叫环绕

3、速度，是指卫星在进入运行轨道后绕运行速度：也叫环绕速度，是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。地球做匀速圆周运动的线速度。B 一、宇宙速度一、宇宙速度1.第一宇宙速度：第一宇宙速度：v1=7.9km/s它是人造卫星它是人造卫星在地面附近在地面附近绕地球做绕地球做匀速圆周匀速圆周运动的线速运动的线速度度 如果发射速度大于如果发射速度大于7.9km/s，而小于而小于11.2km/s，卫星将沿卫星将沿椭圆轨道绕地球运行，地心椭圆轨道绕地球运行，地心就成为椭圆轨道的一个焦点就成为椭圆轨道的一个焦点 当物体的速度大于或等于当物体的速度大于或等于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引时，

4、卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。我们把这个速度叫第二宇宙速度。达到力，不再绕地球运行。我们把这个速度叫第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。第二宇宙速度第二宇宙速度 如果物体的速度大于或等于如果物体的速度大于或等于16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。我们把这个速度叫第三的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。我们把这个速度叫第三宇宙速度。宇宙速度。第三宇宙速度第三宇宙速度太阳太阳卫星指一些自然或人工的在太空中绕行星运动的物体。卫星指一些自然或人工的在太空中绕行星运动的物体。在地球

5、上抛出的物体，在地球上抛出的物体，当它的速度足够大时，物当它的速度足够大时，物体就永远不会落到地面上，体就永远不会落到地面上，它将围绕地球旋转，成为它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地一颗绕地球运动的人造地球卫星球卫星,简称人造卫星。简称人造卫星。人造地球卫星的人造地球卫星的发射发射设想图设想图v平抛平抛洲际洲际导弹导弹人造人造卫星卫星增大增大 发射速度发射速度足足够大才能逃离地面；够大才能逃离地面；发射发射人造人造地球地球卫星的卫星的最小速度最小速度有多大呢？有多大呢？发射速度越大，发射速度越大，卫星轨道离地表卫星轨道离地表越远！越远！是否存在平行于是否存在平行于其它纬度面的卫其它纬

6、度面的卫星轨道面？星轨道面？二、人造卫星二、人造卫星O1.1.所有人造卫星均有所有人造卫星均有 F F万万=F=F向向2.2.所有人造卫星的所有人造卫星的轨道圆心都是地心轨道圆心都是地心FF向向F同步卫星轨道同步卫星轨道地球同步卫星地球同步卫星 1.1.定义：地球同步卫星是保持在地球定义：地球同步卫星是保持在地球赤道的地面上空、赤道的地面上空、运行周期与地球的自转周期相同运行周期与地球的自转周期相同的人造地球卫星。的人造地球卫星。rRh始终相对地面静止，始终相对地面静止，与地球自转与地球自转“同步同步”轨道平面一定：赤道平面轨道平面一定：赤道平面周期一定：地球自转周期周期一定：地球自转周期24

7、h角速度、线速度、向心加速度一定角速度、线速度、向心加速度一定高度一定：高度一定：绕行方向一定：与地球自转一致绕行方向一定：与地球自转一致同步卫星轨道同步卫星轨道rRh2.2.特点：特点：同步卫星通讯同步卫星通讯 单颗卫星信号所能覆盖的最大面积为地球表面的单颗卫星信号所能覆盖的最大面积为地球表面的单颗卫星信号所能覆盖的最大面积为地球表面的单颗卫星信号所能覆盖的最大面积为地球表面的42%42%左右。左右。左右。左右。故需要故需要故需要故需要3 3颗同步卫星才能实现全球通讯颗同步卫星才能实现全球通讯颗同步卫星才能实现全球通讯颗同步卫星才能实现全球通讯。同步卫星只能分布在赤道正上方的一同步卫星只能分

8、布在赤道正上方的一同步卫星只能分布在赤道正上方的一同步卫星只能分布在赤道正上方的一条圆弧上，为了卫星之间不相互干扰，大约条圆弧上，为了卫星之间不相互干扰，大约条圆弧上，为了卫星之间不相互干扰，大约条圆弧上，为了卫星之间不相互干扰，大约3 3o o左右才能放置一颗卫星。左右才能放置一颗卫星。左右才能放置一颗卫星。左右才能放置一颗卫星。空间位置也是一种资源。空间位置也是一种资源。空间位置也是一种资源。空间位置也是一种资源。三、卫星变轨问题三、卫星变轨问题VF万F万万F向向F万万F向向卫星变轨问题卫星变轨问题MmA点速度点速度内小外大内小外大（在（在A点看轨迹）点看轨迹）在在A点万有引力点万有引力相

9、同相同AF万万=F向向人造卫星从人造卫星从低轨道低轨道 高轨道高轨道的完整过程的完整过程在在低轨道上加速低轨道上加速，使其沿，使其沿椭圆轨椭圆轨道道运行，当行至椭圆轨道的运行，当行至椭圆轨道的远点远点处时再次处时再次加速加速，即可使其沿，即可使其沿高轨高轨道运行道运行。卫星在卫星在椭圆轨道椭圆轨道运行运行近地点近地点-速度速度大大，加速度，加速度大大远地点远地点-速度速度小小，加速度，加速度小小1 12 23 3QP P卫星发射（卫星发射（1轨至轨至3轨）示意图轨）示意图vp2vp1vQ3vQ2v1v3vp2vQ2椭圆轨道椭圆轨道:第一次变轨：第一次变轨：第二次变轨：第二次变轨：圆轨道上圆轨道

10、上稳定稳定运行：运行：，aP2=aP1，aQ3=aQ2，aP2 aQ2,a1 a3周期呢？周期呢？P、Q位置实际加速度与向心加速度大小关系位置实际加速度与向心加速度大小关系？例例2 2 20182018年年1212月月1212日日1616时时4545分嫦娥四号探测器经过约分嫦娥四号探测器经过约110110小时的奔月飞行到达月球附近。假设小时的奔月飞行到达月球附近。假设“嫦娥四号嫦娥四号”在在月球上空某高度处做圆周运动，运行速度为月球上空某高度处做圆周运动，运行速度为v v1 1，为成功，为成功实施近月制动，使它进入更靠近月球的预定圆轨道，设实施近月制动，使它进入更靠近月球的预定圆轨道，设其运行

11、速度为其运行速度为v v2 2。对这一变轨过程及变轨前后的速度对。对这一变轨过程及变轨前后的速度对比正确的是比正确的是()A A发动机向后喷气进入低轨道，发动机向后喷气进入低轨道，v v1 1 v v2 2B B发动机向后喷气进入低轨道，发动机向后喷气进入低轨道，v v1 1 v v2 2D D发动机向前喷气进入低轨道，发动机向前喷气进入低轨道，v v1 1 v v2 2D例例3 如如图图所所示示为为卫卫星星发发射射过过程程的的示示意意图图，先先将将卫卫星星发发射射至至近近地地圆圆轨轨道道1，然然后后经经点点火火，使使其其沿沿椭椭圆圆轨轨道道2运运行行，最最后后再再一一次次点点火火，将将卫卫星

12、星送送入入同同步步圆圆轨轨道道3.轨轨道道1、2相相切切于于Q点点，轨轨道道2、3相相切切于于P点点，则则当当卫卫星星分别在分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法中正确的是（轨道上正常运行时，以下说法中正确的是（）A.卫星在轨道卫星在轨道3上的速率大于在轨道上的速率大于在轨道1上的速率上的速率B.卫星在轨道卫星在轨道3上的周期大于在轨道上的周期大于在轨道2上的周期上的周期C.卫星在轨道卫星在轨道1上经过上经过Q点时的速率大于它在轨道点时的速率大于它在轨道2上上经过经过Q点时的速率点时的速率D.卫星在轨道卫星在轨道2上经过上经过P点时的加速度小于它在轨道点时的加速度小于它在轨道3上经过上经过

13、P点时的加速度点时的加速度B例例4我我国国发发射射“中中星星9A”卫卫星星，按按预预定定计计划划，“中中星星9A”应应该该首首先先被被送送入入近近地地点点约约为为200公公里里，远远地地点点约约为为3.6万万公公里里的的转转移移轨轨道道(椭椭圆圆)，然然后后通通过过在在远远地地点点变变轨轨，进进入入最最终终同同步步轨轨道道(圆圆形形).但但是是由由于于火火箭箭故故障障，卫卫星星实实际际入入轨轨后后初初始始轨轨道道远远地地点点只只有有1.6万万公公里里.科科技技人人员员没没有有放放弃弃，经经过过10次次轨轨道道调整，终于成功定点于预定轨道，如图所示调整，终于成功定点于预定轨道，如图所示.下列正确

14、的是（下列正确的是（）A.“中星中星9A”发射失利原因可能是发射速度没有发射失利原因可能是发射速度没有达到达到7.9 km/sB.卫星在轨道卫星在轨道经过经过Q点时和在轨道点时和在轨道经过经过Q点时点时速度相同速度相同C.卫星在轨道卫星在轨道经过经过Q点的加速度大于它经过点的加速度大于它经过P点点时的加速度时的加速度D.卫星从轨道卫星从轨道的的P点进入轨道点进入轨道后速度增加后速度增加D 四、飞船对接问题四、飞船对接问题宇宙飞船与空间站的对接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，地球上的人如何到空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何到达空间站，空

15、间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙达空间站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。思考：思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？通过加速去追上空间站实现对接呢？不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间站对接。站对接。如图示，飞船首先在比空间站低的轨道运行如图示，飞船首先在比空间站低的轨道运行当运行到适当

16、位置时，再当运行到适当位置时，再加速加速运行到一个椭运行到一个椭圆轨道。圆轨道。通过控制轨道使飞船跟空间站通过控制轨道使飞船跟空间站恰好恰好同时运行同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，便到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对接。可实现对接。空间站空间站空间站空间站飞船飞船对接方法：对接方法：从较低轨道加速去追及（对接）从较低轨道加速去追及（对接）例例5 5假设假设“天宫二号天宫二号”与与“神舟十一号神舟十一号”都围绕地球做匀速圆周都围绕地球做匀速圆周运动，为了实现飞船与空间实验室的对接，下列措施可行的是运动，为了实现飞船与空间实验室的对接，下列措施可行的是()A A使使飞飞船船

17、与与空空间间实实验验室室在在同同一一轨轨道道上上运运动动，然然后后飞飞船船加加速速追追上空间实验室实现对接上空间实验室实现对接B B使使飞飞船船与与空空间间实实验验室室在在同同一一轨轨道道上上运运行行，然然后后空空间间实实验验室室减速等待飞船实现对接减速等待飞船实现对接C C飞飞船船先先在在比比空空间间实实验验室室半半径径小小的的轨轨道道上上加加速速，加加速速后后飞飞船船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接D D飞飞船船先先在在比比空空间间实实验验室室半半径径小小的的轨轨道道上上减减速速，减减速速后后飞飞船船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现

18、对接逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接C处理思路处理思路：(1)(1)根据根据mrmr2 2判断出谁的角速度大。判断出谁的角速度大。(2)(2)若若初初始始时时刻刻，两两星星与与天天体体在在同同一一直直线线上上，则则内内轨轨道道所所转转过过的的圆圆心心角角与与外外轨轨道道所所转转过过的的圆圆心心角角之之差差为为的的整整数数倍时就是两星相距最近或相距最远的时刻。倍时就是两星相距最近或相距最远的时刻。(3)(3)在在分分析析卫卫星星与与地地球球上上的的物物体体的的相相遇遇与与追追及及问问题题时时，要根据地球上物体与同步卫星角速度相同的特点进行判断。要根据地球上物体与同步卫星角速度相同的特点

19、进行判断。五、五、天体中的追及、相遇问题天体中的追及、相遇问题例例6 6假假设设有有一一载载人人宇宇宙宙飞飞船船在在距距地地面面高高度度为为4200 4200 kmkm的的赤赤道道上上空空绕绕地地球球做做匀匀速速圆圆周周运运动动，地地球球半半径径约约为为6400 6400 kmkm，地地球球同同步步卫卫星星距距地地面面高高为为36000 36000 kmkm，宇宇宙宙飞飞船船和和一一地地球球同同步步卫卫星星绕绕地地球球同同向向运运动动，每每当当两两者者相相距距最最近近时时，宇宇宙宙飞飞船船就就向向同同步步卫卫星星发发射射信信号号，然然后后再再由由同同步步卫卫星星将将信信号号发发送送到到地地面面接接收收站站，某某时时刻刻两两者者相相距距最最远远，从从此此刻刻开开始始，在在一一昼昼夜夜的的时时间间内内，接接收站共接收到信号的次数为收站共接收到信号的次数为()A A4 4次次 B B6 6次次C C7 7次次 D D8 8次次C