第六章 第5节 宇宙航行

1、5 宇宙航行嫦嫦娥娥奔奔月月敦煌的飞天壁画敦煌的飞天壁画外国人的外国人的“飞天飞天”梦梦如何应用万有如何应用万有引力定律的知引力定律的知识实现人类的识实现人类的飞天梦想呢？飞天梦想呢？1.1.了解人造卫星的有关知识。了解人造卫星的有关知识。 2 2. .知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。度。（重点）（重点）3.3.通过实例，了解人类对太空的探索历程。通过实例，了解人类对太空的探索历程。思考：抛出的石头会落地，为什么卫星、月亮没有落思考：抛出的石头会落地，为什么卫星、月亮没有落下来？卫星、月亮没有落下来必须具备什么条件？下来？卫星、月亮没有落下来

2、必须具备什么条件？牛顿的人造卫星原理图牛顿的人造卫星原理图探究问题一：以多大的速度抛出一个物体，它才会绕地球探究问题一：以多大的速度抛出一个物体，它才会绕地球表面运动不会落下来？表面运动不会落下来？(已知已知=6.67=6.671010-11-11NmNm2 2/kg/kg2 2 , 地球地球质量质量M=5.89M=5.8910102424kgkg, 地球半径地球半径R=6400kmR=6400km)法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力（若已知地球表面重力加速度（若已知地球表面重力加速度g=9.8m/s2）法二：重力提供物体作圆周运动的向心力法二：重

3、力提供物体作圆周运动的向心力Rvmmg2skmsmgRv/9 . 7/104 . 68 . 96RmvRGMm22skmsmvRGM/9 . 7/62411104 . 61089. 51067. 6一、宇宙速度一、宇宙速度1.1.第一宇宙速度（第一宇宙速度（v=7.9km/sv=7.9km/s）：物体在地面附近）：物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度。绕地球做匀速圆周运动的速度。探究问题二：第一宇宙速度的含义探究问题二：第一宇宙速度的含义向高轨道发射卫星与发射近地卫星相比哪个难度大？向高轨道发射卫星与发射近地卫星相比哪个难度大？哪个需要的发射速度大？为什么？哪个需要的发射速度大？为什么？高

4、轨道卫星与近地卫星相比哪个运行速度大？为什么高轨道卫星与近地卫星相比哪个运行速度大？为什么?结论：结论：第一宇宙速度是发射卫星的最小发射速度，也第一宇宙速度是发射卫星的最小发射速度，也是卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度。是卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度。22GMmmvrrGMvr1vr2.2.第二宇宙速度（大小：第二宇宙速度（大小：v=11.2km/s v=11.2km/s ）：当物体的速度大）：当物体的速度大于或等于于或等于11.2km/s11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。地球。3.3.第三宇宙速度（大小：第三宇宙速度（大小：v=

5、16.7km/s v=16.7km/s ）：如果物体的速度）：如果物体的速度大于或等于大于或等于16.7km/s16.7km/s，物体就能摆脱太阳引力的束缚，飞，物体就能摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外。到太阳系以外。例例1.1.发射一颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星发射一颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星, ,如果它如果它的轨道半径是地球半径的的轨道半径是地球半径的4 4倍倍, ,它的轨道速度是第一宇宙它的轨道速度是第一宇宙速度的多少倍？速度的多少倍？解解: :由万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力得由万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力得设第一宇宙速度为设第一宇宙速度为v v1 1,

6、,卫星的轨道速度为卫星的轨道速度为v v2 2它的轨道速度是第一宇宙速度的它的轨道速度是第一宇宙速度的0.50.5倍倍211212vrvr2112vv22MmvGmrrGMvr练习练习1.A1.A星球的第一宇宙速度为星球的第一宇宙速度为9km/s9km/s，已知，已知B B星球的星球的质量是质量是A A星球质量的星球质量的1/811/81，A A星球半径是星球半径是B B星球半径的星球半径的4 4倍，则在倍，则在B B星球上发射星球上发射“近地卫星近地卫星”的环绕速度约为的环绕速度约为多少？多少？解解: :由由 由由 得得22MmvGmrr29BB AAA BvM rvM r22/9BAvvk

7、m srGMv 例例2.2.关于第一宇宙速度，下列的说法中正确的是关于第一宇宙速度，下列的说法中正确的是( )( )A.A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B.B.它是人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度它是人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度C.C.它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度D.D.它是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度它是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度BCBC22MmvGmrrGMvr1vr22MmGmrr3GMr31r222()MmGmrrT32rTGM3Tr二、梦想成真二、梦想成真

8、1.1.人造卫星运行的动力学方程（人造卫星运行的动力学方程（rvrvTT）地球地球思考：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_。小小大大小小小小 2.2.人造地球卫星的运行轨道人造地球卫星的运行轨道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( (为什为什么？）运行么？）运行三类人造地球卫星轨道：三类人造地球卫星轨

9、道：赤道轨道：卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方赤道轨道：卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空上空一般轨道：卫星轨道和一般轨道：卫星轨道和 赤道成一定角度。赤道成一定角度。3.3.地球同步卫星（通讯卫星）地球同步卫星（通讯卫星）地球同步卫星：相对于地面静止且与地球自转具有相地球同步卫星：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星，又叫通讯卫星。同周期的卫星叫地球同步卫星，又叫通讯卫星。三颗同步卫星作为通讯卫星，则可覆盖全球。三颗同步卫星作为通讯卫星，则可覆盖全球。2

10、23242GM2() (R)(R)R3.6 104 hmmhhTGM Thkm卫地卫地地地地设卫星离地面的高度为由解得h练习练习2.2.求同步卫星离地面的高度求同步卫星离地面的高度地球同步卫星能否位于厦门正上方某一确定高地球同步卫星能否位于厦门正上方某一确定高度度h h处？处？ 5.6R地 同步卫星的特点同步卫星的特点 同步卫星与地面相对静止，与地球自转同步，周同步卫星与地面相对静止，与地球自转同步，周期为期为24h24h。 同步卫星运行方向与地球自转的方向相同。同步卫星运行方向与地球自转的方向相同。 同步卫星只能运行于赤道上方固定高度上，且其同步卫星只能运行于赤道上方固定高度上，且其周期、角

11、速度、线速度、向心加速度均为定值。周期、角速度、线速度、向心加速度均为定值。例例3. 3. 同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星（星（ ）A.A.它可以在地面上任一点的正上方，且离地心距离可它可以在地面上任一点的正上方，且离地心距离可按需要选择不同的值按需要选择不同的值B.B.它可以在地面上任一点的正上方，但离地心距离是它可以在地面上任一点的正上方，但离地心距离是一定的一定的 C.C.它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要选择不同的值选择不同的值D.D.它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的它只能

12、在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的 D D19691969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。当时，号将人类送上了月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他在上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他在月球上迈出了一小步，却是人类迈出的一大步。月球上迈出了一小步，却是人类迈出的一大步。4.4.世界航天世界航天20032003年年2 2月月1 1日，哥日，哥伦比亚号航天飞机伦比亚号航天飞机在重返地面的过程在重返地面的过程中突然发生解体燃中突然发生解体燃烧，航天飞机上的烧，航天飞机上的七名宇航员，包括七名宇航员，包括六名美国人及一名六名美国

13、人及一名以色列人全部遇难。以色列人全部遇难。 无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙的道路。的道路。这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。 19921992年，中国载人航天工程正年，中国载人航天工程正式启动。式启动。20032003年年1010月月1515日日9 9时，时，我国我国“神舟神舟”五号宇宙飞

14、船在五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送把中国第一位航天员杨利伟送入太空入太空20072007年年1010月月2424日嫦娥一号日嫦娥一号月球探测器发射成功。月球探测器发射成功。20082008年年9 9月月2525日神舟七号日神舟七号翟志刚、刘伯明、景海鹏。翟志刚、刘伯明、景海鹏。神舟八号神舟八号神舟九号神舟九号爱因斯坦曾说过：爱因斯坦曾说过：“一个人最完美和最强烈的情感一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜来自面对不解之谜”。你想加入破解它的行列吗？你想加入破解它的行列吗？神舟十号神舟十号一、宇宙速度一、宇宙速度 1.1.第一宇宙

15、速度第一宇宙速度 v v1 1=7.9km/s=7.9km/s 推导式：推导式： 2.2.第二宇宙速度（脱离速度）第二宇宙速度（脱离速度） v v2 2=11.2km/s=11.2km/s 第三宇宙速度（逃逸速度）第三宇宙速度（逃逸速度） v v3 3=16.7km/s=16.7km/s二、同步卫星二、同步卫星 1.1.周期周期T=24hT=24h 2. 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RGMv =7.9km/s=7.9km/sgRv =7.9km/s=7.9km/s1.1.两颗人造地球卫星质量之比两颗人造地球卫星质量之比m m1 1mm2 2=12,=12,轨

16、道半径轨道半径之比之比R R1 1RR2 2=31=31，下列有关数据之比正确的是，下列有关数据之比正确的是( )( )A.A.周期之比周期之比T T1 1TT2 2=31 =31 B.B.线速度之比线速度之比v v1 1vv2 2=31=31C.C.向心力之比向心力之比F F1 1FF2 2=19 =19 D.D.向心加速度之比向心加速度之比a a1 1aa2 2=19=19D D3132RR21RR2221RR21RR1v2v12vv2.(20122.(2012山东高考）山东高考）20112011年年1111月月3 3日，日，“神舟八号神舟八号”飞船与飞船与“天宫一号天宫一号”目标飞行器成

17、功实施了首次交会对接。任务完目标飞行器成功实施了首次交会对接。任务完成后成后“天宫一号天宫一号”经变轨升到更高的轨道，等待与经变轨升到更高的轨道，等待与“神舟九神舟九号号”交会对接。变轨前和变轨完成后交会对接。变轨前和变轨完成后“天宫一号天宫一号”的运行轨的运行轨道均可视为圆轨道，对应的轨道半径分别为道均可视为圆轨道，对应的轨道半径分别为R R1 1、R R2 2，线速度，线速度大小分别为大小分别为 、 。则。则 等于（等于（ ）A A B B C C D DB B3.3.如图所示，如图所示，a a、b b、c c是在地球大气层外圆形轨道上运动的是在地球大气层外圆形轨道上运动的3 3颗卫星，下

18、列说法正确的是（颗卫星，下列说法正确的是（ ）A.bA.b、c c的线速度大小相等，且大于的线速度大小相等，且大于a a的线速度的线速度B.bB.b、c 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 a的向心加速度的向心加速度C.cC.c加速可追上同一轨道上的加速可追上同一轨道上的b b，b b减速可等候同一轨道上的减速可等候同一轨道上的c cD.aD.a卫星由于某原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将增大卫星由于某原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将增大D D4.(20144.(2014福建高考福建高考) )若有一颗若有一颗“宜居宜居”行星行星, ,其质量其质量为地球的为地球的p p倍倍, ,半径为地球的半径为地球的q q倍倍, ,则该行星卫星的环绕则该行星卫星的环绕速度