粤教版必修二 第三章 第三节 飞向太空 课件（46张）.ppt

第三章 第三节飞向太空 学习目标1 了解火箭的基本原理 了解万有引力定律对航天技术发展的重大贡献 2 了解人造卫星的轨道和同步卫星的知识 3 会分析人造卫星的变轨问题 内容索引 自主预习梳理 重点知识探究 当堂达标检测 自主预习梳理 一 火箭1 火箭的原理利用火药燃烧向后急速喷出的气体产生的 使火箭射出 2 火箭的组成 主要有和两部分 3 多级火箭 多级火箭是用几个火箭连接而成的火箭组合 一般用三级 火箭起飞时 第一级火箭的发动机 点火 推动各级火箭一起前进 当这一级的燃料燃尽后 第二级火箭开始工作 并自动脱掉 第二级火箭在第一级火箭基础上进一步加速 以此类推 最终达到所需要的 反作用力 向前 壳体 燃料 第一级火箭的外壳 速度 二 航天技术的发展历程1 遨游太空1957年10月4日 苏联发射了人造地球卫星 1961年4月12日 世界第一艘载人宇宙飞船 东方1号 带着苏联宇航员环绕地球一圈 1969年7月20日 美国的 阿波罗11号 宇宙飞船将两名宇航员送上 1971年4月9日 苏联发射了 礼炮1号 1973年 美国将 天空实验室 空间站送入太空 实现了人类无法在地面上进行的各种 1981年4月12日 美国 哥伦比亚号 首次载人航天飞行试验成功 2003年10月15日 我国首次航天飞行取得圆满成功 第一颗 加加林 月球 空间站 科学实验 航天飞机 载人 2 空间探测器1962年美国的 水手2号 探测器第一次对进行了近距离考察 1989年美国宇航局发射的 伽利略号 探测器飞行6年到达 对木星进行了长达7年的考察 2003年美国的 勇气号 与 机遇号 分别发射成功 经过七个多月的旅行后 勇气号 于2004年1月登陆火星 2007年中国的 嫦娥一号 月球探测器发射成功 2010年中国的 嫦娥二号 月球探测器发射成功 2013年中国的 嫦娥三号 月球探测器成功登月 木星 火星探测器 金星 1 判断下列说法的正误 1 在地面上发射人造卫星的最小速度是7 9km s 2 如果在地面发射卫星的速度大于11 2km s 卫星会永远离开地球 3 要发射一颗人造月球卫星 在地面的发射速度应大于16 7km s 4 使火箭向前射出的力是它利用火药燃烧向后急速喷出的气体产生的作用力 2 恒星演化发展到一定阶段 可能成为恒星世界的 侏儒 中子星 中子星的半径较小 一般在7 20km 但它的密度大得惊人 若某中子星的半径为10km 密度为1 2 1017kg m3 那么该中子星上的第一宇宙速度约为 km s 5 8 104 解析 答案 解析中子星上的第一宇宙速度即为它表面处的卫星的环绕速度 此时卫星的轨道半径近似地认为是该中子星的半径 且中子星对卫星的万有引力充当向心力 重点知识探究 一 火箭与人造卫星的发射 1 人造卫星 人造卫星要进入飞行轨道必须有足够大的速度 发射速度大于7 9km s可进入绕地球飞行的轨道 成为人造地球卫星 发射速度大于或等于11 2km s可成为太阳的人造行星或飞到其他行星上去 2 三级火箭 1 一级火箭的最终速度达不到发射人造卫星所需要的速度 发射卫星要用多级火箭 2 三级火箭的工作过程 火箭起飞时 第一级火箭的发动机 点火 燃料燃尽后 第二级火箭开始工作 并且自动脱掉第一级火箭的外壳 以此类推 由于各级火箭的连接部位需大量附属设备 这些附属设备具有一定的质量 并且级数越多 连接部位的附属设备质量越大 并且所需的技术要求也相当精密 因此 火箭的级数并不是越多越好 一般用三级火箭 例1 多选 一颗人造地球卫星以初速度v发射后 可绕地球做匀速圆周运动 若使发射速度增大为2v 则该卫星可能a 绕地球做匀速圆周运动b 绕地球运动 轨道变为椭圆c 不绕地球运动 成为太阳的人造行星d 挣脱太阳引力的束缚 飞到太阳系以外的宇宙 解析 答案 解析以初速度v发射后能成为人造地球卫星 可知发射速度v一定大于第一宇宙速度7 9km s 当以2v速度发射时 发射速度一定大于15 8km s 已超过了第二宇宙速度11 2km s 也可能超过第三宇宙速度16 7km s 所以此卫星不再绕地球运行 可能绕太阳运行 或者飞到太阳系以外的宇宙 故选项c d正确 二 人造卫星轨道与同步卫星 1 如图1所示 圆a b c的圆心均在地球的自转轴线上 b c的圆心与地心重合 d为椭圆轨道 且地心为椭圆的一个焦点 四条轨道中哪些可以作为卫星轨道 为什么 答案 图1 答案b c d轨道都可以 因为卫星绕地球做匀速圆周运动 万有引力提供向心力 而万有引力是始终指向地心的 故卫星做匀速圆周运动的向心力必须指向地心 因此b c轨道都可以 a轨道不可以 卫星也可在椭圆轨道运行 故d轨道也可以 2 地球同步卫星的轨道在哪个面上 周期是多大 同步卫星的高度和轨道面可以任意选择吗 答案同步卫星是相对地面静止的卫星 必须和地球自转同步 也就是说必须在赤道面上 周期是24h 由于周期一定 故同步卫星离地面的高度也是一定的 即同步卫星不可以任意选择高度和轨道面 答案 1 人造地球卫星的轨道 卫星绕地球做匀速圆周运动时 由地球对它的万有引力充当向心力 因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合 而这样的轨道有多种 其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极上空的极地轨道 当然也存在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道 如图2所示 图2 2 地球同步卫星 1 定义 相对于地面静止的卫星 又叫静止卫星 2 特点 确定的转动方向 和地球自转方向一致 确定的周期 和地球自转周期相同 即t 24h 确定的角速度 等于地球自转的角速度 确定的轨道平面 所有的同步卫星都在赤道的正上方 其轨道平面必须与赤道平面重合 确定的高度 离地面高度固定不变 3 6 104km 确定的环绕速率 线速度大小一定 3 1 103m s 例2 多选 可以发射一颗这样的人造卫星 使其圆轨道a 与地球表面上某一纬线 非赤道 是共面的同心圆b 与地球表面上某一经线所决定的圆是共面的同心圆c 与地球表面上的赤道线是共面的同心圆 但卫星相对地面是静止的d 与地球表面上的赤道线是共面的同心圆 但卫星相对地面是运动的 解析 答案 解析人造卫星飞行时 由于地球对卫星的引力作为它做圆周运动的向心力 而这个力的方向必定指向圆心 即指向地心 故所有的人造卫星其轨道圆的圆心一定要和地球的中心重合 不能是地轴上 除地心外 的某一点 故选项a是错误的 由于地球同时绕着地轴在自转 所以卫星的轨道平面也不可能和经线所决定的平面共面 所以选项b也是错误的 相对地球表面静止的就是同步卫星 它必须在赤道线平面内 且距地面有确定的高度 而低于或高于该高度的人造卫星也是可以在赤道平面内运动的 不过由于它们的周期和地球自转的周期不相同 就会相对于地面运动 故正确选项为c d 例3关于地球的同步卫星 下列说法正确的是a 同步卫星的轨道和北京所在纬度圈共面b 同步卫星的轨道必须和地球赤道共面c 所有同步卫星距离地面的高度不一定相同d 所有同步卫星的质量一定相同 解析 答案 解析同步卫星所受向心力指向地心 与地球自转同步 故卫星所在轨道与赤道共面 故a项错误 b项正确 同步卫星距地面高度一定 但卫星的质量不一定相同 故c d项错误 解决本题的关键是掌握同步卫星的特点 同步卫星定轨道 在赤道上方 定周期 与地球的自转周期相同 定速率 定高度 针对训练 多选 我国 中星11号 商业通信卫星是一颗同步卫星 它定点于东经98 2度的赤道上空 关于这颗卫星的说法正确的是a 运行速度大于7 9km sb 离地面高度一定 相对地面静止c 绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大d 向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等 解析 答案 解析 中星11号 是地球同步卫星 距地面有一定的高度 运行速度要小于7 9km s a错 其位置在赤道上空 高度一定 且相对地面静止 b正确 其运行周期为24小时 小于月球的绕行周期27天 由 知 其运行角速度比月球的大 c正确 同步卫星与静止在赤道上的物体具有相同的角速度 但半径不同 由a r 2知 同步卫星的向心加速度大 d错 航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后 在a点从圆形轨道 进入椭圆轨道 b为轨道 上的一点 如图3所示 答案 三 卫星与宇宙飞船的变轨问题 图3 1 航天飞机在轨道 上由b向a运动时速度大小怎样变化 答案速度变小 2 航天飞机在a点由轨道 变轨到轨道 运行 怎样才能实现变轨 答案航天飞机应加速 1 卫星的变轨问题 卫星变轨时 先是线速度v发生变化导致需要的向心力发生变化 进而使轨道半径r发生变化 1 当卫星减速时 卫星所需的向心力f向 m减小 万有引力大于所需的向心力 卫星将做近心运动 向低轨道变迁 2 当卫星加速时 卫星所需的向心力f向 m增大 万有引力不足以提供卫星所需的向心力 卫星将做离心运动 向高轨道变迁 以上两点是比较椭圆和圆轨道切点速度的依据 2 飞船对接问题 1 低轨道飞船与高轨道空间站对接如图4甲所示 低轨道飞船通过合理地加速 沿椭圆轨道 做离心运动 追上高轨道空间站与其完成对接 图4 2 同一轨道飞船与空间站对接如图乙所示 后面的飞船先减速降低高度 再加速提升高度 通过适当控制 使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度 3 卫星轨道的突变 由于技术上的需要 有时要在适当的位置短时间内启动飞行器上的发动机 使飞行器轨道发生突变 使其进入预定的轨道 如图5所示 发射同步卫星时 可以分多过程完成 图5 1 先将卫星发送到近地轨道 2 使其绕地球做匀速圆周运动 速率为v1 变轨时在p点点火加速 短时间内将速率由v1增加到v2 使卫星进入椭圆形的转移轨道 3 卫星运行到远地点q时的速率为v3 此时进行第二次点火加速 在短时间内将速率由v3增加到v4 使卫星进入同步轨道 绕地球做匀速圆周运动 例4我国成功发射了 天宫二号 空间实验室 之后发射了 神舟十一号 飞船与 天宫二号 对接 如图6所示 假设 天宫二号 与 神舟十一号 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 图6 a 使飞船与空间实验室在同一轨道上运行 然后飞船加速追上空间实验室实现对接b 使飞船与空间实验室在同一轨道上运行 然后空间实验室减速等待飞船实现对接c 飞船先在比空间实验室半径小的轨道上加速 加速后飞船逐渐靠近空间实验室 两者速度接近时实现对接d 飞船先在比空间实验室半径小的轨道上减速 减速后飞船逐渐靠近空间实验室 两者速度接近时实现对接 解析 答案 解析若使飞船与空间实验室在同一轨道上运行 然后飞船加速 所需向心力变大 则飞船将脱离原轨道而进入更高的轨道 不能实现对接 选项a错误 若使飞船与空间实验室在同一轨道上运行 然后空间实验室减速 所需向心力变小 则空间实验室将脱离原轨道而进入更低的轨道 不能实现对接 选项b错误 要想实现对接 可使飞船在比空间实验室半径较小的轨道上加速 然后飞船将进入较高的空间实验室轨道 逐渐靠近空间实验室后 两者速度接近时实现对接 选项c正确 若飞船在比空间实验室半径较小的轨道上减速 则飞船将进入更低的轨道 不能实现对接 选项d错误 例5如图7所示为卫星发射过程的示意图 先将卫星发射至近地圆轨道1 然后经点火 使其沿椭圆轨道2运行 最后再一次点火 将卫星送入同步圆轨道3 轨道1 2相切于q点 轨道2 3相切于p点 则当卫星分别在1 2 3轨道上正常运行时 以下说法正确的是a 卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率b 卫星在轨道3上的周期大于在轨道2上的周期c 卫星在轨道1上经过q点时的速率大于它在轨道2上经过q点时的速率d 卫星在轨道2上经过p点时的加速度小于它在轨道3上经过p点时的加速度 解析 答案 图7 解析卫星在圆轨道上做匀速圆周运动时有 因为r1 r3 所以v1 v3 a项错误 由开普勒第三定律知t3 t2 b项正确 在q点从轨道1到轨道2需要做离心运动 故需要加速 所以在q点v2q v1q c项错误 判断卫星变轨时速度 加速度变化情况的思路 1 判断卫星在不同圆轨道的运行速度大小时 可根据 越远越慢 的规律判断 2 判断卫星在同一椭圆轨道上不同点的速度大小时 可根据开普勒第二定律判断 即离中心天体越远 速度越小 3 判断卫星由圆轨道进入椭圆轨道或由椭圆轨道进入圆轨道时的速度大小如何变化时 可根据离心运动或近心运动的条件进行分析 4 判断卫星的加速度大小时 可根据判断 当堂达标检测 1 人造卫星的发射 2013年6月11日17时38分 神舟十号 飞船在酒泉卫星发射中心发射升空 航天员王亚平进行了首次太空授课 在飞船进入离地面343km的圆形轨道环绕地球飞行时 它的线速度大小a 等于7 9km sb 介于7 9km s和11 2km s之间c 小于7 9km sd 介于7 9km s和16 7km s之间 解析 答案 1 2 3 4 2 卫星运动的特征参量 多选 设地面附近重力加速度为g0 地球半径为r0 人造地球卫星圆形轨道半径为r 那么以下说法中正确的是 解析 答案 1 2 3 4 1 2 3 4 3 对同步卫星的认识 下列关于我国发射的 亚洲一号 地球同步通讯卫星的说法 正确的是a 若其质量加倍 则轨道半径也要加倍b 它在北京上空运行 故可用于我国的电视广播c 它以第一宇宙速度运行d 它运行的角速度与地球自转角速度相同 解析 答案 1 2 3 4 解析由 可知轨道半径与卫星质量无关 a错 同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合 即在赤道上空运行 不能在北京上空运行 b错 第