資源簡介

(共22張PPT)
7.4 宇宙航行
1.知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。
2.了解人造衛(wèi)星的相關(guān)知識(shí)和我國衛(wèi)星發(fā)射的情況，認(rèn)識(shí)同步衛(wèi)星的特點(diǎn)。
3.了解人類對(duì)太空的探索歷程。
本節(jié)課，我們從運(yùn)動(dòng)和受力分析入手，用萬有引力定律和牛頓第二定律求解發(fā)射航天器所需要的速度。
知識(shí)點(diǎn)一：宇宙速度
思考：以多大的速度拋出這個(gè)物體，它才會(huì)繞地球表面運(yùn)動(dòng)，不會(huì)落下來？（已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球質(zhì)M=6×1024kg，地球半徑R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）
這就是物體在地球附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度， 叫作第一宇宙速度（環(huán)繞速度）。
1.第一宇宙速度的分析與計(jì)算
思考：有人說，第一宇宙速度也可用（式中g(shù)為重力加速度，R為地球半徑）算出，你認(rèn)為正確嗎？
物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，可近似認(rèn)為向心力是由重力提供的，有：
發(fā)射衛(wèi)星的軌道越高，需要克服萬有引力的阻礙作用越多，所以發(fā)射速度需要增加。
（2）第一宇宙速度是航天器成為衛(wèi)星的最小發(fā)射速度
（3）第一宇宙速度是物體繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度
（1）第一宇宙速度的大小：v=7.9km/s;
思考與討論：若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于 7.9km/s ，會(huì)出現(xiàn)什么情況？
7.9km/s
7.9km/s 橢圓
圓
若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于 7.9km/s，又小于11.2km/s時(shí)，它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡不再是圓，而是橢圓，發(fā)射速度越大，橢圓軌道越“扁”。
2.認(rèn)識(shí)第二宇宙速度
理論研究指出，在地面附近發(fā)射飛行器，如果速度大于 7.9 km/s，又小于 11.2 km/s，它繞地球運(yùn)行的軌跡就不是圓，而是橢圓。當(dāng)飛行器的速度等于或大于 11.2 km/s 時(shí)，它就會(huì)克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球。我們把 11.2 km/s叫作第二宇宙速度（逃逸速度）。
3.認(rèn)識(shí)第三宇宙速度
達(dá)到第二宇宙速度的飛行器還無法脫離太陽對(duì)它的引力。在地面附近發(fā)射飛行器，如果要使其掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外，必須使它的速度等于或大于 16.7 km/s， 這個(gè)速度叫作第三宇宙速度（脫離速度）。
數(shù)值 意義
第一宇宙速度 ___km/s (1)衛(wèi)星在地球表面附近繞地球做___________的速度
(2)人造衛(wèi)星的最小地面發(fā)射速度
第二宇宙速度 ____km/s 使衛(wèi)星掙脫_____引力束縛的最小地面發(fā)射速度
第三宇宙速度 ____km/s 使衛(wèi)星掙脫_____引力束縛的_____地面發(fā)射速度
7.9
勻速圓周運(yùn)動(dòng)
11.2
地球
16.7
太陽
最小
1.人造衛(wèi)星的軌道
地球的萬有引力提供衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，所以衛(wèi)星軌道圓心和地球地心必須重合。
① 赤道軌道：
衛(wèi)星軌道與赤道在同一平面上；
① 赤道軌道
② 極地軌道：
衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直；
③ 傾斜軌道：
衛(wèi)星軌道和赤道成一定角度。
② 極地軌道
③ 傾斜軌道
二、人造地球衛(wèi)星
分析可知，衛(wèi)星軌道半徑越大，運(yùn)行速度越慢，周期越長。
2.人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)參量：
高軌低速長周期
3.人造衛(wèi)星的兩個(gè)速度：
① 發(fā)射速度：
將人造衛(wèi)星送入預(yù)定軌道需要具有的速度。第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度。
② 環(huán)繞速度：
衛(wèi)星在進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度。
三、載人航天與太空探索
人類一直有“飛天”的夢(mèng)想，萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，不僅破解了天上行星的運(yùn)行規(guī)律，也為人類開辟了上天的理論之路。隨著技術(shù)的進(jìn)步，人類邁向太空的腳步越來越大，越來越堅(jiān)實(shí)。
“That’s one small step for man, one giant leap for mankind.”
- Neil Armstrong (20 July,1969)
2003年10月15日9時(shí)，我國神舟五號(hào)宇宙飛船把中國第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后安全降落。這標(biāo)志著中國成為世界上能夠獨(dú)立開展載人航天活動(dòng)的國家。在載人航天方面，繼神舟五號(hào)之后，截至2017年底，我國已經(jīng)將11名(14人次)航天員送入太空，包括兩名女航天員。
除了載人航天工程，我國還在許多方面進(jìn)行著太空探索。
自2013年6月起，神舟飛船先后與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器、天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室成功完成交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。2021年4月29日，具備長期自主飛行能力的天和核心艙成功發(fā)射。2022年12月2日，中國航天員乘組完成首次在軌交接，中國空間站正式開啟長期有人駐留模式。中國空間站作為中國人的太空家園，在為人類的太空探索和空間技術(shù)進(jìn)步貢獻(xiàn)著中國力量。
在我國的探月工程與深空探測(cè)任務(wù)中，嫦娥四號(hào)于2019年1月3日實(shí)現(xiàn)了人類航天器首次月球背面軟著陸與巡視探測(cè)。嫦娥五號(hào)于2020年12月1日著陸于月球的天船基地，共獲取月球樣品1731 g，成為人類歷史上無人自動(dòng)采集月球樣品最多的一次。2021年5月15日，天問一號(hào)探測(cè)器著陸火星，祝融號(hào)火星車隨后開展了探測(cè)火星巡視區(qū)形貌和地質(zhì)構(gòu)造等任務(wù)，并傳回科學(xué)影像圖，這標(biāo)志著我國首次火星探測(cè)任務(wù)取得圓滿成功。
1.(多選)物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度叫作第一宇宙速度。關(guān)于第一宇宙速度,下列說法正確的是( )
A.第一宇宙速度大小約為11.2 km/s
B.第一宇宙速度是使人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)所需的最小發(fā)射速度
C.第一宇宙速度是人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的最小運(yùn)行速度
D.若已知地球的半徑和地球表面的重力加速度,即可求出第一宇宙速度
BD
2.在地球上以速度v發(fā)射一顆衛(wèi)星,其剛好在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。關(guān)于該衛(wèi)星,下列說法正確的是( )
A.發(fā)射速度v的大小可能是9 km/s
B.若發(fā)射速度v提高到10 km/s,該衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的軌跡為橢圓
C.若發(fā)射速度提高到2v,該衛(wèi)星將繞地球在更高的橢圓軌道上運(yùn)行
D.若發(fā)射速度提高到2v,該衛(wèi)星將掙脫太陽引力的束縛
B
3.(多選)關(guān)于環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星,下列說法正確的是( )。
A.分別沿圓軌道和橢圓軌道運(yùn)行的兩顆衛(wèi)星,可能具有相同的周期
B.沿橢圓軌道運(yùn)行的一顆衛(wèi)星,在軌道不同位置可能具有相同的速率
C.在赤道上空運(yùn)行的兩顆地球同步衛(wèi)星,它們的軌道半徑有可能不同
D.沿不同軌道經(jīng)過北京上空的兩顆衛(wèi)星,它們的軌道平面一定會(huì)重合
AB
4.(多選)極地衛(wèi)星是一種特殊的人造地球衛(wèi)星,其軌道平面與赤道平面的夾角為90°,極地衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)能到達(dá)地球南極和北極區(qū)域的上空。若某極地衛(wèi)星從北極正上方運(yùn)行至赤道正上方的最短時(shí)間為3 h,認(rèn)為衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),已知地球表面的重力加速度g=9.8 m/s2,下列說法正確的是( )
A.該衛(wèi)星的加速度小于9.8 m/s2
B.該衛(wèi)星的環(huán)繞速度大于7.9 km/s
C.該衛(wèi)星每隔12 h經(jīng)過北極的正上方一次
D.該衛(wèi)星軌道半徑與地球同步衛(wèi)星軌道半徑相等
AC
宇宙航行
宇宙速度
第一宇宙速度（環(huán)繞速度）:
第二宇宙速度（逃逸速度）:
第三宇宙速度（脫離速度）:
v2=11.2km/s
v1=7.9km/s
v3=16.7km/s
人造地球衛(wèi)星
載人航天與太空探索
人造衛(wèi)星的軌道
人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)參量
人造衛(wèi)星的兩個(gè)速度

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