2020-2021学年4 宇宙航行示范课ppt课件

这是一份2020-2021学年4 宇宙航行示范课ppt课件，共50页。PPT课件主要包含了课前自主学习，三种宇宙速度，地面附近，课堂互动探究，课堂回眸，周期一定T24h，课堂素养达标等内容，欢迎下载使用。
一、宇宙速度任务驱动　问题:在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中,牛顿设想,抛出速度很大时,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?如果大于这个速度,物体将怎样运动?提示:这个速度是7.9 km/s,大于这个速度,物体将在更高的轨道上运动,或离开地球绕太阳运动甚至飞到太阳系外。
1.地球的第一宇宙速度及推导:第一宇宙速度又叫环绕速度,是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度,也是人造地球卫星的最小发射速度,其大小的推导有两种方法:方法一
二、人造地球卫星任务驱动　通常情况下,人造卫星总是向东发射的,为什么?“天宫一号”目标飞行器在距地面355 km的轨道上做圆周运动,它的线速度比7.9 km/s大还是小?提示:因为地球的自转方向是自西向东,人造卫星向东发射,可获得更多的能量。“天宫一号”的线速度小于7.9 km/s。
1.基本思路:一般行星或卫星的运动可看作匀速圆周运动,所需要的向心力都由中心天体对它的万有引力提供,所以研究天体时可建立牛顿第二定律方程 =ma,式中a是向心加速度。2.常用关系:(1) 万有引力提供行星或卫星做圆周运动的向心力。(2)mg= ,在天体表面上物体的重力等于它受到的引力,可得gR2=GM,该公式称为黄金代换。
【主题一】宇宙速度　【生活情境】
【问题探究】牛顿曾提出过一个著名的思想实验:如图所示,从高山上水平抛出一个物体,当抛出的速度足够大时,物体将环绕地球运动,成为人造地球卫星。(1)当抛出速度较小时,物体做什么运动?提示:平抛运动。(2)当物体刚好不落回地面时,物体做什么运动?提示:物体绕地球表面做匀速圆周运动。
(3)如何推导第一宇宙速度公式?提示:方法一:若已知地球的质量为m地,地球半径为R地,引力常量为G时,物体在地球表面绕地球做匀速圆周运动时,万有引力提供向心力,即 方法二:若已知地球表面附近物体的重力加速度g和地球半径R地时,那么物体绕地球做匀速圆周运动需要的向心力也就等于重力,即
(4)为什么第一宇宙速度既是最大的环绕速度,也是最小的发射速度?提示:第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度,在所有的卫星里其轨道半径最小,根据v= 可知其线速度最大;同时在进行卫星发射时,只有发射速度大于等于第一宇宙速度时,该卫星才能发射成功,所以说第一宇宙速度既是最大的环绕速度,也是最小的发射速度。
【结论生成】1.地球第一宇宙速度的推导:已知地球的质量为m地=5.98×1024 kg,近地卫星的轨道半径等于地球半径R=6.4×106 m,重力加速度g=9.8 m/s2。方法一:万有引力提供向心力由 方法二:重力提供向心力由mg=
2.宇宙速度:(1)第一宇宙速度(环绕速度):是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度,也是人造地球卫星的最小发射速度,v=7.9 km/s。(2)第二宇宙速度(脱离速度):在地面上发射物体,使之能够脱离地球的引力作用,成为绕太阳运动的人造行星或绕其他行星运动的人造卫星所必需的最小发射速度,其大小为11.2 km/s。(3)第三宇宙速度(逃逸速度):在地面上发射物体,使之最后能脱离太阳的引力作用,飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度,其大小为16.7 km/s。
【典例示范】　若取地球的第一宇宙速度为8 km/s,某行星的质量是地球质量的6倍,半径是地球半径的1.5倍,此行星的第一宇宙速度约为(　　)A.16 km/s　　　　　B.32 km/sC.4 km/sD.2 km/s【解析】选A。由 因为行星的质量M′是地球质量M的6倍,半径R′是地球半径R的1.5倍,即M′=6M,R′=1.5R,所以 则v′=2v=16 km/s,A正确。
【规律方法】 第一宇宙速度的计算方法　对于任何天体,计算第一宇宙速度时,都是根据万有引力提供向心力的思路,卫星的轨道半径等于天体的半径,由牛顿第二定律列式计算。(1)如果知道天体的质量和半径,可直接列式计算。(2)如果不知道天体的质量和半径的具体数值,但知道该天体与地球的质量、半径关系,可分别列出天体与地球环绕速度的表达式,用比例法进行计算。
【素养训练】1.(多选)下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是(　　)A.第一宇宙速度v1=7.9 km/s,第二宇宙速度v2=11.2 km/s,则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1,小于v2B.美国发射的凤凰号火星探测卫星,其发射速度大于第三宇宙速度C.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚,成为绕太阳运行的人造小行星的最小发射速度D.第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度
【解析】选C、D。根据v= 可知,卫星的轨道半径r越大,即距离地面越远,卫星的环绕速度越小,v1=7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度,选项D正确;实际上,由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径,故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度,选项A错误;美国发射的凤凰号火星探测卫星,仍在太阳系内,所以其发射速度小于第三宇宙速度,选项B错误;第二宇宙速度是使物体挣脱地球束缚而成为太阳的一颗人造小行星的最小发射速度,选项C正确。
2.已知地球赤道处的重力加速度为g,赤道上的物体随地球做匀速圆周运动的向心加速度为an,周期为T,由此可知地球的第一宇宙速度为(　　) 【解析】选C。根据an=rω2得an= R,地球的半径R= ,则地球的第一宇宙速度为 故选项C正确。
【补偿训练】　　某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体,经时间t后,物体以速率v落回手中。已知该星球的半径为R,求该星球上的第一宇宙速度。【解析】根据匀变速运动的规律可得,该星球表面的重力加速度为g= ,该星球的第一宇宙速度,即为卫星在其表面附近绕它做匀速圆周运动的线速度,该星球对卫星的引力(重力)提供卫星做圆周运动的向心力,则mg=m ,该星球表面的第一宇宙速度为v1=
【主题二】人造地球卫星　【生活情境】
【问题探究】情景1:卫星种类主要有侦察卫星、通信卫星、气象卫星、地球资源卫星等,不同种类的卫星轨道半径不同。情景2:地球同步卫星是相对于地面静止的、和地球自转具有相同的周期的卫星。(1)不同种类的卫星,轨道不同,轨道的中心是否相同?提示:无论卫星沿什么轨道运动,轨道的中心都是地心。
(2)同一轨道上的两颗卫星,所受的向心力大小是否相同?提示:根据v= 知,同一轨道上的卫星线速度相同,由Fn= 知,由于卫星的质量不一定相同,故向心力不一定相同。(3)根据地球同步卫星的特点,判断地球同步卫星的轨道平面的特点。提示:由于地球同步卫星相对于地面静止,且轨道的中心在地心,故地球同步卫星应在赤道的正上方,其轨道平面与赤道平面重合。(4)不同国家发射的地球同步卫星离地面高度是否相同?提示:地球同步卫星的周期都是24 h,根据T= 知T相等,r也相等,故所有的地球同步卫星离地面高度相同。
【结论生成】1.人造地球卫星绕地球运行的动力学原理:人造地球卫星在绕地球运行时,只受到地球对它的万有引力作用,人造地球卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供。天体运动的加速度、线速度、角速度和周期与轨道半径的关系
2.卫星的轨道:(1)卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆轨道。(2)卫星绕地球沿椭圆轨道运行时,地心是椭圆的一个焦点,其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。(3)卫星绕地球沿圆轨道运行时,由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,而万有引力指向地心,所以地心一定是卫星圆轨道的圆心。
(4)三类人造地球卫星轨道①赤道轨道:卫星轨道在赤道所在平面上,卫星始终处于赤道上空;②极地轨道:卫星轨道平面与赤道平面垂直,卫星经过两极上空;③一般轨道:卫星轨道和赤道成一定角度,如图所示。
3.地球同步卫星:(1)定义:相对于地面静止的卫星,也称静止卫星。(2)六个“一定”。①地球同步卫星的运行方向与地球自转方向一致。②地球同步卫星的运转周期与地球自转周期相同,T=24 h。③地球同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度。④地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面上,即所有的地球同步卫星都在赤道的正上方。
⑤地球同步卫星的高度固定不变。由 由于T一定,故r一定,而r=R+h,h为地球同步卫星离地面的高度,h= -R。又因GM=gR2,代入数据T=24 h=86 400 s,g取9.8 m/s2,R=6.38×106 m,得h≈3.6×104 km。⑥地球同步卫星的环绕速度大小一定:设其运行速度为v,由于
【典例示范】如图所示,a、b、c是大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星,a、b质量相同且小于c的质量,下列说法中正确的是(　　)A.b、c的线速度大小相等且大于a的线速度B.b、c的向心加速度相等且大于a的向心加速度C.b、c的周期相等且大于a的周期D.b、c的向心力相等且大于a的向心力
【解析】选C。a、b、c三颗人造地球卫星做圆周运动所需的向心力都是由地球对它们的万有引力提供。由牛顿第二定律得 (M为地球的质量,m为卫星的质量),所以v= 与卫星质量无关,由图知rb=rc>ra,则vb=vcra,得ab=acra得Tb=Tc>Ta,C正确;Fn= 与质量m和半径r有关,由ma=mbra知 即Fna>Fnb, 即FnbωB>ωCD.向心加速度aAωC,C正确;aA>aB>aC,D错误;而F∝ ,由于三个卫星的质量关系不知道,故无法比较FA、FB、FC的大小,B错误。
【补偿训练】　　1.如图所示,若两颗人造卫星a和b均绕地球做匀速圆周运动,a、b到地心O的距离分别为r1、r2,线速度大小分别为v1、v2,则(　　)
【解析】选A。对人造卫星,根据万有引力提供向心力 可得v= 。所以对于a、b两颗人造卫星有 ,故选项A正确。
2.“静止”在赤道上空的地球同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面,为天气预报提供准确、全面和及时的气象资料。设地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍,下列说法正确的是(　　)A.同步卫星的运行速度是第一宇宙速度的 B.同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转获得速度的 C.同步卫星的运行速度是第一宇宙速度的 D.同步卫星的向心加速度是地球表面重力加速度的
　【解析】选C。同步卫星绕地球做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力,则 得同步卫星的运行速度v= ,又第一宇宙速度v1= 所以 故选项A错误,C正确;an= ,g= ,所以 故选项D错误;同步卫星与地球自转的角速度相同,v=ωr,v自=ωR,所以 =n,故选项B错误。
1.关于宇宙速度的说法,正确的是(　　)A.第一宇宙速度是人造地球卫星运行时的最大速度B.第一宇宙速度是地球同步卫星的发射速度C.人造地球卫星运行时的速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间D.第三宇宙速度是物体逃离地球的最小速度【解析】选A。第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度,同时也是人造地球卫星的最大运行速度,也是近地卫星环绕地球做匀速圆周运动的速度,而地球同步卫星高度大于近地卫星,发射速度大于第一宇宙速度,故A正确,B、C错误;第二宇宙速度是物体逃离地球的最小速度,D错误。
2.(多选)下面关于同步卫星的说法中正确的是(　　)A.所有的地球同步卫星都位于地球的赤道平面内B.所有的地球同步卫星的质量都相等C.它运行的线速度一定小于第一宇宙速度D.它可以定位在北京的正上空
【解析】选A、C。同步卫星运行轨道只能位于地球赤道平面内,故选项A正确,D错误;根据 可知,卫星的质量m在等式两边约去了,同步卫星的质量可以不相等,故选项B错误;第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度,也是最大的环绕速度,而同步卫星的轨道半径要大于近地卫星的轨道半径,则同步卫星运行的线速度一定小于第一宇宙速度,故选项C正确。
3.(2020·菏泽高一检测)2019年12月16日我国以“一箭双星”方式成功发射第52、53颗北斗导航卫星。至此,北斗三号全球系统所有中圆地球轨道卫星全部发射完毕,标志着北斗三号全球系统核心星座部署完成。已知此次发射的“MEO卫星”的周期为12小时,而北斗里面的“GEO”卫星是地球的同步卫星。它们的运行轨道均视为圆周,则下列说法错误的是(　　)A.“MEO卫星”比“GEO卫星”速度大B.“MEO卫星”比“GEO卫星”半径大C.“MEO卫星”比“GEO卫星”角速度大D.“MEO卫星”比“GEO卫星”加速度大
【解析】选B。由于TMEO