《宇宙航行》宇宙航行牛頓的設(shè)想宇宙速度人造衛(wèi)星一.牛頓的設(shè)想牛頓設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)；拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。一.牛頓的設(shè)想牛頓設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)；拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。繼續(xù)增大拋射速度，物體將繞地球做橢圓軌道運(yùn)動，速度越大橢圓長軸越長一.牛頓的設(shè)想第一宇宙速度：物體在地球附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動的速度v1=7.9km/s二.宇宙速度第二宇宙速度：在地面附近發(fā)射飛行器的速度等于或大于這一速度時，它就會克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球v2=11.2km/s二.宇宙速度第三宇宙速度：在地球附近發(fā)射飛行器的速度等于或大于這一速度時，它就會掙脫太陽引力束縛飛到太陽系外v3=16.7km/s二.宇宙速度三.人造衛(wèi)星問題1：如何將衛(wèi)星發(fā)射到任意圓軌道并使衛(wèi)星在圓軌道上做勻速圓周運(yùn)動先將衛(wèi)星發(fā)射到橢圓軌道，在遠(yuǎn)地點(diǎn)使衛(wèi)星加速，進(jìn)入圓軌道三.人造衛(wèi)星步驟1：將衛(wèi)星發(fā)射到近地軌道1步驟2：衛(wèi)星在M點(diǎn)加速進(jìn)入軌道2步驟3：衛(wèi)星在N點(diǎn)再次加速進(jìn)入軌道3三.人造衛(wèi)星三.人造衛(wèi)星三.人造衛(wèi)星三.人造衛(wèi)星問題2：地球周圍不同圓軌道上的衛(wèi)星運(yùn)動的快慢一樣么已知：地球質(zhì)量為M，衛(wèi)星軌道半徑為r，萬有引力常量為G三.人造衛(wèi)星由牛頓第二定律解得設(shè)衛(wèi)星的質(zhì)量為m三.人造衛(wèi)星三.人造衛(wèi)星v1>v2T1<T2ω1>ω2三.人造衛(wèi)星三.人造衛(wèi)星若r1:r2=1:2求：T1:T2=？根據(jù)三.人造衛(wèi)星根據(jù)三.人造衛(wèi)星極軌衛(wèi)星軌道三.人造衛(wèi)星問題3：地球同步衛(wèi)星的軌道有什么要求，軌道距地面的高度是多少？

同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星與地球以相同角速度旋轉(zhuǎn)，相對地球靜止。軌道平面與赤道重合。

同步衛(wèi)星已知地球半徑為R=6400km，同步衛(wèi)星周期為T=24h，萬有引力常量為G=6.67×10-11N?m2/kg2

同步衛(wèi)星由牛頓第二定律h≈36000km設(shè)衛(wèi)星的質(zhì)量為m，距地球表面高度為h

同步衛(wèi)星已知地球半徑為R=6400km，地球質(zhì)量M=5.98×1024kg，萬有引力常量為G=6.67×10-11N?m2/kg2

近地衛(wèi)星v=7.9km/sT≈85min

近地衛(wèi)星

近地衛(wèi)星有人說，第一宇宙速度也可以用算出（式中g(shù)為重力加速度，R為地球半徑），你認(rèn)為正確嗎？忽略地球自轉(zhuǎn)

近地衛(wèi)星有人說，第一宇宙速度也可以用算出（式中g(shù)為重力加速度，R為地球半徑），你認(rèn)為正確嗎？四.我國航天事業(yè)的成就四.我國航天事業(yè)的成就2018年12月8日嫦娥四號衛(wèi)星發(fā)射成功，2019年1月3日實現(xiàn)人類首次在月球背面著陸今年5月我國北斗系統(tǒng)第五十五顆衛(wèi)星進(jìn)入地球靜止軌道，北斗三號全球星座部署全面完成神舟飛船前后將11名宇航員（14人次）送上太空2017年4月22日“天宮二號”與“天舟一號”順利完成首次自動交會對接小結(jié)

近地衛(wèi)星牛頓的設(shè)想宇宙速度極軌衛(wèi)星同步衛(wèi)星人造衛(wèi)星探究一第一宇宙速度的理解與計算情境導(dǎo)引牛頓曾提出過一個著名的理想實驗:如圖所示,從高山上水平拋出一個物體,當(dāng)拋出的速度足夠大時,物體將環(huán)繞地球運(yùn)動,成為人造地球衛(wèi)星。據(jù)此思考并討論以下問題:(1)當(dāng)拋出速度較小時,物體做什么運(yùn)動?當(dāng)物體剛好不落回地面時,物體做什么運(yùn)動?當(dāng)拋出速度非常大時,物體還能落回地球嗎?(2)若地球的質(zhì)量為m地,物體到地心的距離為r,引力常量為G,試推導(dǎo)物體剛好不落回地面時的運(yùn)行速度。若物體緊貼地面飛行,其速度大小為多少?(已知地球半徑R=6400km,地球質(zhì)量m地=5.98×1024kg)要點(diǎn)提示

(1)當(dāng)拋出速度較小時,物體做平拋運(yùn)動。當(dāng)物體剛好不落回地面時,物體做勻速圓周運(yùn)動。當(dāng)拋出速度非常大時,物體不能落回地球。(2)物體不落回地面,應(yīng)圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動,向心力由萬有引力提知識歸納對第一宇宙速度的理解和推導(dǎo)1.認(rèn)識第一宇宙速度:第一宇宙速度是在地面發(fā)射衛(wèi)星的最小速度,等于人造衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動的運(yùn)行速度,即近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度。2.推導(dǎo):對于近地人造衛(wèi)星,軌道半徑r近似等于地球半徑R=6400km,衛(wèi)星在軌道處所受的萬有引力近似等于衛(wèi)星在地面上所受的重力(g取9.8m/s2),則3.其他星球的第一宇宙速度

(2)第一宇宙速度之值由中心星球決定。

畫龍點(diǎn)睛對發(fā)射速度和環(huán)繞速度的理解(1)“最小發(fā)射速度”:向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難,因為發(fā)射衛(wèi)星要克服地球引力做功。近地軌道是人造衛(wèi)星的最低運(yùn)行軌道,而近地軌道的發(fā)射速度就是第一宇宙速度,所以第一宇宙速度是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度。(2)“最大環(huán)繞速度”:在所有環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動的衛(wèi)星中,近地衛(wèi)星的遷移應(yīng)用A.0.4km/s B.1.8km/sC.11km/s D.36km/s答案

B變式訓(xùn)練1某人在一星球上以速率v豎直上拋一物體,經(jīng)時間t后,物體以速率v落回手中。已知該星球的半徑為R,求該星球上的第一宇宙速度。探究二人造衛(wèi)星問題的分析思路情境導(dǎo)引在地球的周圍,有許多衛(wèi)星在不同的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動。請思考:(1)這些衛(wèi)星運(yùn)動的向心力都是由什么力提供的?這些衛(wèi)星的軌道平面有什么特點(diǎn)?(2)這些衛(wèi)星的線速度、角速度、周期跟什么因素有關(guān)?知識歸納1.軌道及特點(diǎn)(1)軌道:赤道軌道、極地軌道及其他軌道。如圖所示。(2)特點(diǎn):所有的軌道圓心都在地心。

2.處理思路及規(guī)律衛(wèi)星離地面高度越高,其線速度越小,角速度越小,周期越大,向心加速度越小?？梢愿爬椤霸竭h(yuǎn)越慢、越遠(yuǎn)越小”。遷移應(yīng)用例2a、b、c、d是在地球大氣層外的圓形軌道上運(yùn)行的四顆人造衛(wèi)星。其中a、c的軌道相交于P,b、d在同一個圓軌道上,b、c軌道在同一平面上。某時刻四顆衛(wèi)星的運(yùn)行方向及位置如圖所示,下列說法正確的是(

)A.a、c的加速度大小相等,且大于b的加速度B.b、c的角速度大小相等,且小于a的角速度C.a、c的線速度大小相等,且小于d的線速度D.a、c有在P點(diǎn)相撞的危險答案

A變式訓(xùn)練2(多選)人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動,設(shè)地球半徑為R,地面處的重力加速度為g,則人造地球衛(wèi)星(

)答案

AC探究三地球同步衛(wèi)星問題情境導(dǎo)引地球上空分布著許多同步衛(wèi)星,在地面上的人看來,它們始終靜止不動。請思考:(1)這些同步衛(wèi)星是否真的靜止不動呢?(2)這些同步衛(wèi)星有什么共同的特點(diǎn)呢?要點(diǎn)提示

(1)這些同步衛(wèi)星都在繞地心做勻速圓周運(yùn)動,地球與衛(wèi)星的萬有引力提供向心力。(2)衛(wèi)星相對于地球靜止,因此衛(wèi)星繞地球運(yùn)動的周期等于地球自轉(zhuǎn)的周期。知識歸納1.概念相對于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星叫地球同步衛(wèi)星。2.特點(diǎn):同步衛(wèi)星的六個“一定”畫龍點(diǎn)睛

(1)所有同步衛(wèi)星的周期T、軌道半徑r、環(huán)繞速度v、角速度ω及向心加速度a的大小均相同。(2)所有國家發(fā)射的同步衛(wèi)星的軌道都與赤道為同心圓,它們都在同一軌道上運(yùn)動且都相對靜止。遷移應(yīng)用例3(多選)已知地球質(zhì)量為m地,半徑為R,自轉(zhuǎn)周期為T,地球同步衛(wèi)星質(zhì)量為m,引力常量為G。有關(guān)同步衛(wèi)星,下列表述正確的是(

)答案

BD規(guī)律方法

解決同步衛(wèi)星問題的技巧(1)同步衛(wèi)星與一般的衛(wèi)星遵循同樣的規(guī)律,所以解決一般衛(wèi)星問題的思路、公式均可運(yùn)用在同步衛(wèi)星問題的解答中。(2)同步衛(wèi)星同時又具備自身的特殊性,即有確定的周期、角速度、加速度、線速度、高度、軌道半徑、軌道平面。變式訓(xùn)練3地球同步衛(wèi)星相對地面靜止不動,猶如懸在高空中,下列說法正確