宇宙航行

前置学习前置学习：n1.1.万有引力定律的表达式？万有引力定律的表达式？n2.2.行星运动向心力的来源？行星运动向心力的来源？n3.3.小球从同一高度做平抛运动，随初速度的增大，轨小球从同一高度做平抛运动，随初速度的增大，轨 迹将如何变化？迹将如何变化？嫦嫦娥娥奔奔月月 抛出的石头会落地，为什么月亮没有落下来?月亮没有落下来必须具备什么条件？问题一：牛顿的思考与设想：牛顿的设想过程法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力RmvRGMm22skmsmvRGM/9 .7/62411104 .61089.51067.6法二：在地面附近，重力提供物体作圆周运动的向心力法二：在地面附近，重力提供物体作圆周运动的向心力Rvmmg2skmsmgRv/9.7/104.68.96以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动不落下？以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动不落下？(已已知知=6.6710-11Nm2/kg2 , 地球质量地球质量M=5.891024kg, 地球半径地球半径R=6400km) （若已知地球表面重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km）探究问题一：一宇宙速度 1 1、第一宇宙速度（环绕速度）、第一宇宙速度（环绕速度） v1=7.9km/s n说明：说明：（）如果卫星的发射速度小于第一宇宙速度，（）如果卫星的发射速度小于第一宇宙速度，卫星将落到地面而不能绕地球运转；卫星将落到地面而不能绕地球运转；（）等于这个速度，卫星刚好能在地球表面）等于这个速度，卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动；附近作匀速圆周运动； ( 3 ）大于）大于7.9km/s小于小于11.2km/s，卫星将沿椭圆轨卫星将沿椭圆轨道绕地球运行，地心即椭圆轨道的一个焦点道绕地球运行，地心即椭圆轨道的一个焦点 虽然虽然“R大，大，V小小”，但这里，但这里V指指绕行速度绕行速度，而非，而非发射速度发射速度。因为向轨道发射卫星，火箭因为向轨道发射卫星，火箭要克服地球引力对它做的功。要克服地球引力对它做的功。轨道越高，要克服引力轨道越高，要克服引力做功也多，发射速度越大。做功也多，发射速度越大。小大VrrGMV 讨论讨论:向高轨道发射卫星容易还是向低轨道发射卫星容易？向高轨道发射卫星容易还是向低轨道发射卫星容易？ 11.2 km/sV(发射) 7.9km/s km/sV(运行) 第一宇宙速度是最小的发射速度第一宇宙速度是最小的发射速度, ,也是最大的环绕速度也是最大的环绕速度结论: 发射速度与绕行速度、第二宇宙速度、第二宇宙速度（脱离速度）（脱离速度）n这是卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运这是卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度行的人造行星的最小发射速度n如果人造天体的速度大于如果人造天体的速度大于11.2km/s而小于而小于16.7km/s，则它的运行轨道相对于太阳将是椭则它的运行轨道相对于太阳将是椭圆，太阳就成为该椭圆轨道的一个焦点圆，太阳就成为该椭圆轨道的一个焦点v2=11.2 km/s3、第三宇宙速度（逃逸速度） n这是卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度n如果人造天体具有这样的速度，就可以摆脱地球和太阳引力的束缚而飞到太阳系外了v3=16.7 km/s一宇宙速度 探究问题二：（1）如图所示，a、b、c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条？abc提示：卫星作圆周运动的向心力 必须指向地心各种各样的卫星各种各样的卫星按轨道特点常用分类： 近地卫星近地卫星 轨道半径即地球半径轨道半径即地球半径 极地卫星极地卫星 轨道面与赤道面垂直轨道面与赤道面垂直 地球同步卫星卫星地球同步卫星卫星(通讯卫星通讯卫星) T = _24h轨道平面轨道平面_赤道平面赤道平面周期周期T一定：相对于赤道上某点静止一定：相对于赤道上某点静止 h =_36000km R R、v v、T T、a an n _ “全部固定全部固定”（如何求？）课堂练习： 已知地球的半径是已知地球的半径是6400km6400km，地球自转的周期，地球自转的周期24h24h，地球的，地球的质量质量5.895.8910102424kgkg，引力常量，引力常量=6.67=6.671010-11-11NmNm2 2/kg/kg2 2 ，若，若要发射一颗地球同步卫星，试求：要发射一颗地球同步卫星，试求： （1 1）地球同步卫星的离地面高度）地球同步卫星的离地面高度h h （2 2）地球同步卫星的环绕速度）地球同步卫星的环绕速度v v结论： 地球同步卫星必须发射在赤道正上方的固定高度，并且以固定的速度环绕地球做圆周运动。19C中叶，俄罗斯学者奥尔科夫斯基指出：用喷气推进的多级火箭，是实现太空飞行的最有效工具。（适当介绍）1957年，苏联发射第一颗人造地球卫星。年，苏联发射第一颗人造地球卫星。1969年，阿波罗年，阿波罗11号登月。号登月。 1992年，中国载人航天工程启动。年，中国载人航天工程启动。2003年，神舟五号年，神舟五号宇宙飞船成功发射，杨利伟成为我国太空第一人。我宇宙飞船成功发射，杨利伟成为我国太空第一人。我国由此成为第三个能够独立开展载人航天活动的国家。国由此成为第三个能够独立开展载人航天活动的国家。思考：对于绕地球运动的人造卫星：思考：对于绕地球运动的人造卫星：（1 1）离地面越高，向心力越）离地面越高，向心力越 （2 2）离地面越高，线速度越）离地面越高，线速度越（3 3）离地面越高，周期越）离地面越高，周期越（4 4）离地面越高，角速度越）离地面越高，角速度越（5 5）离地面越高，向心加速度越）离地面越高，向心加速度越小小大大小小小小小小能否发射一颗周期为能否发射一颗周期为80min80min的人造地球卫星？的人造地球卫星？ 课堂练习:小结：小结： 一、卫星绕地球做匀速圆周运动所需的向心力由万有引力提供:rTmrmrmvrMmG222224二、三种宇宙速度： v1=7.9km/s（会推导） v2=11.2 km/s v3=16.7 km/s同步卫星的必须在赤道上空同步卫星的必须在赤道上空F向向= F引引F向向F引F引引 同步卫星的个数同步卫星的个数大约大约3 3度角左右才能放置一颗卫星，地球的同度角左右才能放置一颗卫星，地球的同步通讯卫星只能有步通讯卫星只能有120120颗。可见，空间位置也颗。可见，空间位置也是一种资源。是一种资源。