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6.5 宇宙航行2022年3月6日星期日嫦嫦娥娥奔奔月月嫦娥奔月 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：2022年3月6日星期日2022年3月6日星期日2022年3月6日星期日19571957年年1010月月4 4日，前苏联发射了日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星世界上第一颗人造地球卫星我国在我国在19701970年年4 4月月2020日发射了日发射了第一颗人造地球卫星第一颗人造地球卫星20032003年年1010月月1515日，神州五号日，神州五号载人宇宙飞船发射升空载人宇宙飞船发射升空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？(已知=6.6710-11Nm2/kg2 , 地球质量M=5.891024kg, 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、第一宇宙速度（环绕速度） v1=7.9km/s n 说明：（）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；（）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； ( 3 ）大于7.9km/s小于11.2km/s，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 2022年3月6日星期日一、人造卫星的超重和失重一、人造卫星的超重和失重1、发射和回收阶段、发射和回收阶段发射发射加速上升加速上升超重超重回收回收减速下降减速下降超重超重2、沿圆轨道正常运行、沿圆轨道正常运行只受重力只受重力a = g完全失重完全失重与重力有关的现象全部消失与重力有关的现象全部消失天平天平弹簧秤测重弹簧秤测重力力液体压强计液体压强计1. 双星是指靠得很近的两个星体, 在相互引力作用下,形成相互环绕运行的一个系统.2. 双星运动的特点:(1) 双星绕它们共同的质量中心做匀速圆周运动,它们之间的距离保持不变;(2) 双星系统中两颗星的角速度相等.二、双星系统二、双星系统2254GMR22GMR【例题例题】(多选)如图所示,甲、乙、丙是位于同一直线上的离其他恒星较远的三颗恒星, 甲、丙围绕乙在半径为R的圆轨道上运行.若三颗星质量均为M,万有引力常量为G,则()A. 甲星所受合外力为 B. 乙星所受合外力为C. 甲星和丙星的线速度相同 D. 甲星和丙星的角速度相同思考：思考：人造卫星在人造卫星在低轨道上运行低轨道上运行，要想让其，要想让其 在在高轨道上运行高轨道上运行，应采取什么措施？，应采取什么措施？三、变轨三、变轨VF引rvmF2向2rMmGF 引向引FF F引引F向向F引引F向向卫星变轨原理卫星变轨原理MmA点速度点速度内小外大内小外大（在（在A点看轨迹）点看轨迹）在在A点万有引力点万有引力相同相同A思考：思考：人造卫星在人造卫星在低轨道上运行低轨道上运行，要想让其在，要想让其在高轨道上运行高轨道上运行，应采取什么措施？，应采取什么措施？在在低轨道上加速低轨道上加速，使其沿，使其沿椭椭圆轨道圆轨道运行，当行至椭圆轨运行，当行至椭圆轨道的道的远点远点处时再次处时再次加速加速，即，即可使其沿可使其沿高轨道运行高轨道运行。卫星变轨原理卫星变轨原理1 1、卫星在二轨道相切点、卫星在二轨道相切点万有引力万有引力相同相同速度速度内小外大内小外大（切点看轨迹）（切点看轨迹）2 2、卫星在椭圆轨道运行、卫星在椭圆轨道运行近地点近地点-速度速度大大，动能大，动能大远地点远地点-速度速度小小，动能小，动能小221RMmGRmv122222,vRMmGRmv使使卫星加速到R卫星在圆轨卫星在圆轨道运行速度道运行速度V1V2900减小减小卫星变轨原理卫星变轨原理223LMmGLmv卫星变轨原理卫星变轨原理2244LMmGLmvv ，使使使使卫卫星星加加速速到到虽然“R大，V小”，但这里V指绕行速度，而非发射速度。因为向轨道发射卫星，火箭要克服地球引力对它做的功。轨道越高，要克服引力做功也多，发射速度越大。小大VrrGMV 讨论: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,也是最大的环绕速度结论: 发射速度与绕行速度2022年3月6日星期日一、人造卫星的发射原理一、人造卫星的发射原理牛顿设想：抛出速度很大时，物体就不会落回地面 设地球质量为设地球质量为M，半径为，半径为R。人造地球卫。人造地球卫星在圆轨道上运行，质量为星在圆轨道上运行，质量为m，轨道半径为，轨道半径为r。那么，在该轨道上做匀速圆周运动的卫。那么，在该轨道上做匀速圆周运动的卫星的星的速度速度v如何推算如何推算？ 22MmvGmrrGMvr卫星离地心越远，它运行的速度越小。1rv 2022年3月6日星期日112466.67 105.89 1016.37 10/7.9/GMRvm skm s这就是人造地球卫星在地面附近这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具绕地球做匀速圆周运动所必须具有的有的最低发射速度最低发射速度，叫做，叫做第一宇第一宇宙速度宙速度。近地面的卫星的速度是多少呢？近地面的卫星的速度是多少呢？11226.67 10/GN mkg已知：66.37 10Rm245.89 10Mkg、第二宇宙速度、第二宇宙速度（脱离速度）（脱离速度）v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v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） v这是卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度v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/s2022年3月6日星期日二、宇宙速度二、宇宙速度1 1、第一宇宙速度：、第一宇宙速度： ( (环绕速度环绕速度） V1=7.9km/s地球11.2km/sv7.9km/s2 2、第二宇宙速度：、第二宇宙速度：( (脱离速度脱离速度) ) V2=11.2km/sV3=16.7km/s3 3、第三宇宙速度：（、第三宇宙速度：（逃逸速度逃逸速度）17.9/GMvkm sR17.9/vgRkm s法二：211.2/vkm s316.7/vkm s人造行星人造行星人造恒星人造恒星人造卫星人造卫星概念辨析发射速度和运行速度1、发射速度：是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度。2、运行速度：是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。1GMvrr v宇宙速度均指发射速度第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度探究问题二：（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 轨道面与赤道面垂直 地球同步卫星卫星(通讯卫星) T = _24h轨道平面_赤道平面周期T一定：相对于赤道上某点静止 h =_36000km R、v、T、an _ “全部固定”（如何求？）课堂练习： 已知地球的半径是6400km，地球自转的周期24h，地球的质量5.891024kg，引力常量=6.6710-11Nm2/kg2 ，若要发射一颗地球同步卫星，试求： （1）地球同步卫星的离地面高度h （2）地球同步卫星的环绕速度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。1969年，阿波罗11号登月。 1992年，中国载人航天工程启动。2003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，向心加速度越小大小小小2022年3月6日星期日三、人造卫星的运动规律22(2) M mGmrr 地地由由22(1) M mvGmrr 地地由由222(3) 4 M mGmrrT 地地由由:GMvr 地地得得3:GMr 地地得得3:2rTGM 地地得得FF1F2人造卫星的轨道2022年3月6日星期日练习：求近地卫星的周期练习：求近地卫星的周期631124(6.37 10 ) 23.146.67 105.98 10 s地GMrT323 5.06 1084.3mins我们能否发射一颗周我们能否发射一颗周期为期为80min的卫星？的卫星？2022年3月6日星期日四、人造卫星的超重和失重四、人造卫星的超重和失重1、发射和回收阶段、发射和回收阶段发射发射加速上升加速上升超重超重回收回收减速下降减速下降超重超重2、沿圆轨道正常运行、沿圆轨道正常运行只受重力只受重力a = g完全失重完全失重与重力有关的现象全部消失与重力有关的现象全部消失天平天平弹簧秤测重力弹簧秤测重力液体压强计液体压强计2022年3月6日星期日五、地球同步卫星五、地球同步卫星h练习:求同步卫星离地面高度1、所谓地球同步卫星是指相对于地面静止的、所谓地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星，它在轨道上跟着地球自转，同步地人造卫星，它在轨道上跟着地球自转，同步地做匀速圆周运动，它的周期：做匀速圆周运动，它的周期：T24h2、所有的同步卫星只能、所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一分布在赤道上方的一个确定轨道上个确定轨道上 ，即同步卫星轨道平面与地球，即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫星离地面高度为定值。赤道平面重合，卫星离地面高度为定值。2022年3月6日星期日223242GM2() (R)(R)R3.6 104 hmmhhTGM Thkm卫地卫地地地地设卫星离地面高度为由解得h练习：练习： 求同步卫星离地面高度求同步卫星离地面高度地球同步卫星能否位于北京正上方某一确定高度地球同步卫星能否位于北京正上方某一确定高度h h ？ 5.6R地2022年3月6日星期日地球同步卫星的特点:1、所有的同步卫星只能分布在赤道正上方的一个确定轨道上，即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫星离地面高度为定值 。2、对同步卫星：其r、h、v、T 、g均为确定值 5.6R地赤道轨道赤道轨道极地轨道极地轨道倾斜倾斜轨道轨道同步同步轨道轨道自转轴自转轴人造卫星的轨道人造卫星的轨道2022年3月6日星期日2022年3月6日星期日2022年3月6日星期日2022年3月6日星期日2022年3月6日星期日 为了卫星之间不互相干扰，大约3左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。222=MmmgGrMmvGmrr凡是人造卫星的问题都可从下列关系去列运动方程，即:重力=万有引力万有引力=向心力 hrRhg向式中：是高空 处的重力加速度，也即a求解重力加速度求解重力加速度 已知地球质量为已知地球质量为M，地球半径，地球半径为为R，万有引力恒量为，万有引力恒量为G，如果不，如果不考虑地球自转的影响，用以上各考虑地球自转的影响，用以上各量表示，地球表面的重力加速度量表示，地球表面的重力加速度是多少？你能不能求出距地面高是多少？你能不能求出距地面高度为度为h处的重力加速度是多少吗？处的重力加速度是多少吗？22)(hRMGgRMGg例1: 设地球的质量不变设地球的质量不变,而地球半径增加而地球半径增加为原来的为原来的2倍倍,那么从地球发射的第一那么从地球发射的第一宇宙速度的大小应为原来的宇宙速度的大小应为原来的 ( ) A. 倍倍 B. 倍倍 C. 倍倍 D.2倍倍22/ 1B例2：关于宇宙速度，下列说法正确的是：（关于宇宙速度，下列说法正确的是：（ ）A.第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的 最小发射速度最小发射速度B.第一宇宙速度使人造地球卫星绕地球飞行第一宇宙速度使人造地球卫星绕地球飞行 的最小速度的最小速度C.第二宇宙速度使卫星在椭圆轨道上运行时第二宇宙速度使卫星在椭圆轨道上运行时 的最大速度的最大速度D.第三宇宙速度时发射人造地球卫星的最小第三宇宙速度时发射人造地球卫星的最小 速度速度A例3： 关于地球同步卫星，下列说法正确的是（关于地球同步卫星，下列说法正确的是（ ）A.它的运行速度小于它的运行速度小于7.9km/sB.它的运行速度大于它的运行速度大于7.9km/s C.它的周期是它的周期是24h，且轨道平面于赤道平面重，且轨道平面于赤道平面重D.每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样的的ACD如图所示，如图所示，a、b、c是在地球大气层外圆形轨道是在地球大气层外圆形轨道上运动的上运动的3颗卫星，下列说法正确的是：颗卫星，下列说法正确的是：A、b、c的线速度大小相等，且大于的线速度大小相等，且大于a的线速度；的线速度；B、b、c的向心加速度大小相等，且大于的向心加速度大小相等，且大于a的向心的向心 加速度；加速度；C、c加速可追上同一轨道加速可追上同一轨道 上的上的b，b减速可等候减速可等候 同一轨道上的同一轨道上的c；D、a卫星由于某原因，轨卫星由于某原因，轨 道半径缓慢减小，其线道半径缓慢减小，其线 速度将增大。速度将增大。例题分析例题分析D小小 结结：一、宇宙速度一、宇宙速度 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 2、第二宇宙速度（脱离速度）第二宇宙速度（脱离速度） v2=11.2km/s 3、第三宇宙速度（逃逸速度）第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s二、同步卫星二、同步卫星 1、周期周期T=24h 2、卫星轨道平面与地球赤道平面重合卫星轨道平面与地球赤道平面重合
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