1、第4节宇宙航行学习目标1.理解人造地球卫星的最初构想。2.知道三个宇宙速度的含义,会推导第一宇宙速度。3.了解人造卫星有关知识,正确理解人造卫星做匀速圆周运动时,各物理量之间的关系。自主预习一、宇宙速度填空1.第一宇宙速度(first cosmic velocity):是卫星在附近(hR)绕地球做的速度。2.第二宇宙速度(second cosmic velocity):使物体挣脱的束缚,成为绕太阳运行的人造行星的最发射速度。3.第三宇宙速度(third cosmic velocity):使物体挣脱束缚的最发射速度。二、人造地球卫星填空1.通信卫星(地球同步卫星):相对于地面是的,跟地球自转的卫
2、星,同步卫星也叫卫星。2.特点:定;定;定;定。课堂探究情境设问1通过阅读课本、查阅科普资料,你能说出人造卫星的轨道特点吗?能通过力学分析得出决定这一轨道特点的原因吗?(一)人造卫星的三种轨道观察得出:卫星的轨道平面必须通过分析原因:情境设问2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?(二)宇宙速度定义大小/kms-1第一宇宙速度(环绕速度)是卫星在附近(hR)绕地球做的速度。是在地球上成功发射卫星的发射速度第二宇宙速度(脱离速
3、度)使物体挣脱的束缚,成为绕太阳运行的人造行星的最发射速度,第三宇宙速度(逃逸速度)使物体挣脱束缚的最发射速度科学推理与论证请同学们根据万有引力定律和牛顿第二定律,推导第一宇宙速度的大小。推导依据:定义:轨道半径r地面处提供向心力(设地球质量M,半径R。绕地球做匀速圆周运动飞行器质量m,轨道半径r。重力加速度g)(1)万有引力提供向心力(2)重力提供向心力结论:第一宇宙速度只由决定,与卫星。思考与讨论从得式(1)可以看出:飞行器离地心越远,它运行的速度。靠近地面时,r近似等于多少?将地球半径带入上式,此时飞行器运行速度是多少?例题展示【例题1】人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,其速率是下列的哪
4、种情况:A.一定等于7.9 km/sB.等于或小于7.9 km/sC.一定大于7.9 km/sD.介于7.911.2 km/s注意:该速率是运行速度的大小,不是卫星的发射速度知识窗(1)发射速度:发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度,一旦发射后再无能量补充,要发射一颗人造地球卫星,发射速度不能小于第一宇宙速度。(2)运行速度:运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。当卫星“贴着”地面飞行时,运行速度等于第一宇宙速度,当卫星的轨道半径大于地球半径时,运行速度小于第一宇宙速度。总结:第一宇宙速度的意义:A.是人造地球卫星在绕地球做匀速圆周运动的速度B.是人造地球卫星绕地球
5、做匀速圆周运动的最运行速度C.是在地面附近发射人造地球卫星的最发射速度【变式训练1】通过对以上三种宇宙速度的学习,如右图,请写出图中五种情况下卫星的发射速度范围与轨道特点v:(选填“能”或“不能”)成功发射卫星v:刚好能成功发射近地圆轨道人造卫星v:绕地运行卫星,轨道v:卫星脱离地球引力束缚,成为其他行星的卫星,或v:卫星脱离太阳引力束缚,成为其他星系的卫星,或光滑平面上俯视图情境设问3做圆周运动的物体一旦提供的向心力消失或不足,物体将做远离圆心的运动,这种现象叫离心现象。若卫星运动过程中在某点受到的万有引力与卫星做圆周运动所需向心力不相等时,卫星如何运动?三、通信卫星(地球同步卫星)1.定义
6、:相对于地面的,跟地球自转的卫星,同步卫星也叫卫星。2.特点:定周期,即运行周期等于;定轨道平面,即运行平面在;定高度,即离地面高度;定速度,即运行速度。四、载人航天与太空探索从1961年4月12日,苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船,到1969年7月16日9时32分,运载阿波11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空,拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。再到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,2013年6月,神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接;2016年10月19日,神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。20
7、17年4月20日,我国又发射了货运飞船天舟一号,入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接及多项实验。人类探索太空的步伐从未停止过。人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕,未来的探索之路还很长。人类在月球上留下了自己的足迹中国第一位航天员杨利伟例题展示【例题2】同步卫星是相对于地面静止的与地球具有相同周期的卫星,周期T=24 h同步卫星必位于赤道上方h,且h一定的,已知地球半径R=6 400 km,试计算同步卫星的高度和速率。【变式训练2】用m表示人造地球同步卫星的质量, h表示它离地面的高度,R表示地球的半径,g表示地球表面的重力加速度,表示地球自转的角速度,则同
8、步卫星所受地球对它引力大小是()A.0B.C.D.mg参考答案自主预习一、1.地面匀速圆周运动2.地球小3.太阳小二、1.静止同步通信2.周期轨道平面高度速度【例题1】答案:B例题分析:人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,该速率是运行速度的大小,不是卫星的发射速度,由天体运动受到万有引力提供向心力,G=m,可得v=,卫星的轨道半径r越大,做圆周运动的速度v就越小。因此选B。【变式训练1】v7.9 km/s不能成功发射卫星卫星落地v=7.9 km/s刚好能成功发射近地圆轨道人造卫星7.9 km/sv11.2 km/s绕地运行卫星,轨道为椭圆11.2 km/svF向,铅球会如何运动?4.如果F万F向
9、,铅球会如何运动?5.在什么情况下铅球才会稳定地围绕地球做圆周运动?此时铅球的速度应该多大呢?科学推理与论证(算一算):若已知G=6.6710-11 Nm2/ kg2,地球质量M=5.981024 kg,地球半径R=6 400 km,铅球以多大的速度才能绕地球表面运动成为地球的一颗卫星?(算一算)若地球质量未知,而知道地球表面处的重力加速度和地球半径,如何求得这个速度?思考讨论1若发射速度大于7.9 km/s,卫星的运动将会怎样呢?阅读课本P60完成知识点一相关表格填写。思考讨论2通过查阅资料,自学课件,归纳总结人造卫星的轨道特点。思考讨论3通过阅读课本P61,自学课件,归纳总结人造地球卫星的
10、应用通信卫星(地球同步卫星)的相关特点。思考讨论4同步卫星距地面h=5.6R,怎样发射同步卫星?知识点总结一、宇宙速度1.第一宇宙速度:v=。注意:上式对其他天体也适用,R为天体半径,M为天体质量, g为天体表面的重力加度,G为引力常量。(1)第一宇宙速度的物理意义:a.是人造地球卫星在绕地球做的速度。b.是在地面附近发射人造地球卫星的最发射速度。c.是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的最运行速度。(2)区分人造卫星的发射速度与运行速度发射速度:是指被发射物体在地面附近离开发射装置时的速度。运行速度:是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。定义大小第一宇宙速度(环绕速度)是卫星在附近
11、(hR)绕在球做的速度。是在地球上成功发射卫星的发射速度第二宇宙速度(脱离速度)使物体挣脱的束缚,成为绕太阳运行的最发射速度第三宇宙速度(逃逸速度)使物体挣脱束缚的最发射速度二、人造卫星的轨道特点1.卫星绕地球做运动。2.提供向心力:所有卫星都在以地心为圆心的圆(或椭圆)轨道上运动。三、人造地球卫星的应用通信卫星(地球同步卫星)1.定义:相对于地面是的,跟地球自转的卫星,同步卫星也叫通信卫星。2.特点:五个一定四、卫星变轨内轨变外轨,;外轨变内轨,。所以,远地圆轨道卫星,是由轨道变轨而来的。五、载人航天与太空探索广阔的宇宙,有着许许多多这样炫目的场面!但这些都应该是可以被我们人类所认知的。一定
12、会有那样的一天,人类真正地翱翔于茫茫宇宙之中!相信你们一定会为人类的航天事业作出应有的贡献。核心素养专练1.人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,其速率是下列的哪种情况:A.一定等于7.9 km/sB.等于或小于7.9 km/sC.一定大于7.9 km/sD.介于7.911.2 km/s2.问题:a、b、c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条?3.卫星在轨道2上经过P点的加速度与卫星在轨道3上经过P点的加速度大小关系?卫星在轨道1上经过Q点的速度与卫星在轨道2上经过P点的速度大小关系?课后探究作业1.阅读教材中的“科学漫步”和“STSE”材料。2.上网查阅:人造卫星的种类、同步卫星的含义及特点。3.
13、上中国探月网。4.思考发射卫星的最佳地点与最佳方向。参考答案课前练习CD历史足迹1.匀速圆周运动2.地球对铅球的万有引力3.向心运动4.离心运动5.万有引力等于向心力铅球的速度为7.9 km/s。科学推理与论证G=mv=代入数据得:v=7.9 km/smg=mv=代入数据得:v=7.9 km/s知识点总结一、宇宙速度1.7.9 km/s(1)a.地面附近匀速圆周运动b.小c.大定义大小第一宇宙速度(环绕速度)是卫星在地面附近(hR)绕地球做匀速圆周运动的速度。是在地球上成功发射卫星的最小发射速度7.9 km/s第二宇宙速度(脱离速度)使物体挣脱地球的束缚,成为绕太阳运行的最小发射速度11.2 km/s第三宇宙速度(逃逸速度)使物体挣脱太阳束缚的最小发射速度16.7 km/s二、人造卫星的轨道特点1.圆周2.地球对卫星的万有引力三、人造地球卫星的应用通信卫星(地球同步卫星)1.静止同步2.定周期,即运行周期等于地球自转周期(24 h);定角速度,即运行角速度与地球自转的角速度相同;定轨道平面,即运行平面在赤道平面内;定高度,即离地面高度一定(h=3.6104 km);定速度,即运行速度一定。四、卫星变轨点火加速点火减速椭圆
