第5节-宇宙航行(3.17)

第第5 5节节-宇宙航行宇宙航行(3.17)(3.17)第5节 宇宙航行中中国国人人的的飞飞天天梦梦外国人的外国人的“飞天飞天”梦梦飞天之梦的历史飞天之梦的历史问题问题:一、牛顿关于卫星的设想 地面上抛出的物体,由于受到地球引力的作用,最终都要落回到地面。1 1、月月球球也也要要受受到到地地球球引引力力的的作作用用,为为什什么么月月亮亮不会落到地面上来不会落到地面上来?问问题题情情境境 由由于于月月球球在在绕绕地地球球沿沿近近似似圆圆周周的的轨轨道道运运转转,此此时时月月球球受受到到的的地地球球引引力力(即即重重力力),),用用来来充充当当绕绕地地球球运运转转的的向向心心力力,故故月球不会落到地面上来月球不会落到地面上来.一、牛顿关于卫星的设想 物体做平抛运动时,水平速度越大，飞行的水平距离越远。2.2.若若抛抛出出物物体体的的水水平平初初速速度度足足够够大大,物物体体将将会会怎样怎样?试大胆猜想。试大胆猜想。由由于于地地球球是是一一个个圆圆球球,当当平平抛抛的的水水平平初初速速度度足足够够大大时时,物物体体飞飞行行的的距距离离也也很很大大,故故物物体体不不能能再再 落落回回地地面面,而而成成为为一颗绕地球运转的卫星一颗绕地球运转的卫星.ABCOV0D问题问题:问问题题情情境境 从高山上水平抛出物体，速度越大，落地点离山脚越远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗永远绕地球运动的人造卫星。一、牛顿关于卫星的设想 思考？思考？1.1.以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运动的卫星动的卫星?g=9.8m/s2，R=6400km，代入数据得：代入数据得：推导方法：推导方法：地表附近，地表附近，重力近似等于万有引力重力近似等于万有引力 人们把人们把7.9km/s这个速度称作这个速度称作第一宇宙速度第一宇宙速度。第一宇宙速度意义在哪里呢？第一宇宙速度意义在哪里呢？二、宇宙速度 2.2.有没有贴着地球表面飞行的卫星，为什么有没有贴着地球表面飞行的卫星，为什么 发射速度：发射速度：不同于电视上看到的卫星发射不同于电视上看到的卫星发射，这里指卫这里指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射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，被发射物仅依靠自己的初动能后再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度、进入运动轨道；克服地球引力上升一定的高度、进入运动轨道；运行速度运行速度：卫星在进入运行轨道后绕地球做圆卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。周运动的线速度。（补充）：（补充）：卫星发射速度和卫星运行速度的区别卫星发射速度和卫星运行速度的区别思考与讨论1、将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度哪一个更大？将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？哪一个更容易？为什么？向向高高轨轨道道发发射射卫卫星星时时,需需要要的的初初速速度度越越大大，火火箭箭克克服服地地球球对对卫卫星星的的引引力力而而作作更更多多的的功功,对对火火箭箭的的要要求求更更高高一一些些,所以比较困难所以比较困难.结论：第一宇宙速度是卫星的最小发射速度结论：第一宇宙速度是卫星的最小发射速度2 2、在所有的环绕地球运动的卫星中，速度最大的是在所有的环绕地球运动的卫星中，速度最大的是哪一个？哪一个？由由 知：离地球最近的卫星，即近地卫星知：离地球最近的卫星，即近地卫星速度最大，最大速度即第一宇宙速度速度最大，最大速度即第一宇宙速度结论：第一宇宙速度是最大环绕速度，同时也结论：第一宇宙速度是最大环绕速度，同时也是最小发射速度。是最小发射速度。1 1、第一宇宙速度（环绕速度）、第一宇宙速度（环绕速度）:就是物体在地面就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度附近绕地球做匀速圆周运动的速度V=7.9km/sV=7.9km/s，若，若 7.9km/sv11.2km/s 7.9km/sv11.2km/s，它绕地球运动的轨迹是椭圆，它绕地球运动的轨迹是椭圆.(最大环绕速度最大环绕速度,最小发射速度最小发射速度)2 2、第二宇宙速度（脱离速度）：、第二宇宙速度（脱离速度）：当物体的速度当物体的速度大于或等于大于或等于11.2km/s11.2km/s时，卫星克服地球的引力，永时，卫星克服地球的引力，永远离开地球。我们把这个速度叫第二宇宙速度。达远离开地球。我们把这个速度叫第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的还受到太阳的引力。到第二宇宙速度的还受到太阳的引力。3 3、第三宇宙速度（逃逸速度）、第三宇宙速度（逃逸速度）：如果物体的速度如果物体的速度等于或大于等于或大于16.7km/s16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束缚，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。我们把这个速度叫第飞到太阳系以外的宇宙空间去。我们把这个速度叫第三宇宙速度。三宇宙速度。二、宇宙速度思路：将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运思路：将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动动，则，则卫星环绕速度、角速度、周期、向心加速度卫星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系：与轨道半径的关系：三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律 结论：结论：卫星的运行速度、角速度、运转周期与其本身质量无关，仅由轨道半径卫星的运行速度、角速度、运转周期与其本身质量无关，仅由轨道半径决定。决定。离地面越高的卫星，运行速度越小，周期越长，发射需要的初速度越大离地面越高的卫星，运行速度越小，周期越长，发射需要的初速度越大。三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律地球地球动画演示动画演示高轨低速长周期高轨低速长周期四、课堂练习课堂练习 例例题题:我我国国发发射射的的第第一一颗颗探探月月卫卫星星“嫦嫦娥娥一一号号”的的轨轨道道半半径径是是圆圆形形的的，且且贴贴近近月月球球表表面面。已已知知月月球球质质量量约约为为地地球球质质量量的的1/801/80，月月球球的的半半径径约约为为地地球球半半径径的的1/41/4，地地球球上上的的第第一一宇宇宙宙速速度度约约为为7.9km/s7.9km/s，求求“嫦嫦娥娥一一号号”探探月月卫卫星绕月球运行的速率？星绕月球运行的速率？凡是人造卫星的问题都可从下列关凡是人造卫星的问题都可从下列关系去列运动方程，即系去列运动方程，即:重力重力=万有引力万有引力=向心力向心力 所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上 三类人造地球卫星轨道：三类人造地球卫星轨道：三类人造地球卫星轨道：三类人造地球卫星轨道：赤道轨道赤道轨道赤道轨道赤道轨道，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方极地轨道极地轨道极地轨道极地轨道，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空一般轨道一般轨道一般轨道一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。，卫星轨道和赤道成一定角度。，卫星轨道和赤道成一定角度。，卫星轨道和赤道成一定角度。人造地球卫星的运行轨道人造地球卫星的运行轨道 相对于地面静止且与地球自转同步的卫相对于地面静止且与地球自转同步的卫星叫地球同步卫星，又叫通讯卫星。星叫地球同步卫星，又叫通讯卫星。对于同步卫星的对于同步卫星的发射及轨道定位发射及轨道定位有什么要求呢，有什么要求呢，怎样才能保持与怎样才能保持与地球同步呢？地球同步呢？地球同步卫星：地球同步卫星：w1、为什么必须在赤道平面上？因:（1）同步卫星与 地 球自转同步必须自西向东转,（2）万有引力全部提供做向心力,圆心就是地心.所以:同步卫星轨道平面必定在赤道平面上.2、为什么高度一定？O万有引力提供做向心力由:得:把T=86400s,M=5.98x1024kg,R=6.37x106m得h=3.58x107m同步卫星同步卫星同步卫星有以下几个特点：同步卫星的高度：同步卫星的高度：（1 1）周期一定）周期一定T=24hT=24h（2）在赤道平面内）在赤道平面内（3）高度一定）高度一定（）解得高度解得高度：km-G请大家注意观测，卫星在各位置的速度变化请大家注意观测，卫星在各位置的速度变化h=3.6107mr=4.2107mv=3km/sT=24hh=3.8108mr3.8108mv=1km/sT=27天天h0r=6.4106mv=7.9km/sT=84分钟分钟同同步步卫卫星星近近地地卫卫星星月球月球近地卫星、同步卫星、月球三者比较近地卫星、同步卫星、月球三者比较1957195719571957年年年年10101010月月月月4 4 4 4日，苏联发射日，苏联发射日，苏联发射日，苏联发射第一颗人造地球卫星。第一颗人造地球卫星。第一颗人造地球卫星。第一颗人造地球卫星。19611961年年4 4月月1212日苏联空军少校日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，实现了人类进船进入太空，实现了人类进入太空的梦想。入太空的梦想。19691969年年7 7月月2020日，阿波罗日，阿波罗1111号将人类送上了月球。号将人类送上了月球。五五、梦想成真、梦想成真19701970年年4 4月月2424日我国日我国第一颗人造卫星升空第一颗人造卫星升空 我国的航天成就我国的航天成就20072007年年1010月月2424日嫦娥日嫦娥一号月球探测器发射一号月球探测器发射成功成功五五、梦想成真、梦想成真20032003年年1010月月1515日日神舟五号杨利伟神舟五号杨利伟20052005年年1010月月1212日日神舟六号神舟六号费俊龙聂海胜费俊龙聂海胜20082008年年9 9月月2525日日神舟七号神舟七号翟志刚刘伯明翟志刚刘伯明景海鹏景海鹏1、三个宇宙速度三个宇宙速度：v1=7.9km/s（会推导会推导）；v2=11.2 km/s；v3=16.7 km/s2 2、研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法：把把天天体体或或人人造造卫卫星星的的运运动动看看作作匀匀速速圆圆周周运运动动，且且万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，(v为线速度为线速度、为角速度为角速度、T为周期为周期、n为转速为转速)六、课堂小结课堂小结布置作业布置作业 1.阅阅读读教教材材后后边边“科科学学漫漫步步”和和“STS”“STS”的材料；的材料；2.完成课时新学案相关内容完成课时新学案相关内容.