宇宙航行精编精讲

1、第5节 宇宙航行 明德中学高一物理备课组明德中学高一物理备课组 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 一、牛顿关于卫星的设想 问问 地面上抛出的物体,由于受到地球引题题力的作用,最终都要情情落回到地面。 境境 问题问题: : 1. 1.月球也要受到地球引力的作用月球也要受到地球引力的作用 , ,为什么月亮为什么月亮不会落到地面上来不会落到地面上来? ? 由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转 , ,此时月球受此时月球受到的地球引力到的地球引力( (即重力即重力),),用来充当绕地球运转的向心力用来充当绕地

2、球运转的向心力 , ,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 问问 物体做平抛运动时 ,水平速度越大，飞行的V 水平距离越远。 题题情情境境 0O 问题问题: : 2. 2.若抛出物体的水平初速度足够大若抛出物体的水平初速度足够大 , ,物体将会物体将会怎样怎样? ?试大胆猜想。试大胆猜想。 由于地球是一个圆球由于地球是一个圆球 , ,当平抛的水平初速度足够大时当平抛的水平初速度足够大时 , ,物体飞行的距离也很大物体飞行的距离也很大 , , 故物体不能再故物体不能再 落回地面落回地面, ,而成为而成为一颗绕地球运转的卫星一颗绕地球运转的卫星. . A B

3、C D 一、牛顿关于卫星的设想 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。 牛顿人造卫星原理牛顿人造卫星原理图图 二、宇宙速度 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? 推导方法一：推导方法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力万有引力提供物体作圆周运动的向心力 2GMmvGM?m,v?2RRR2推导方法二：推导方法二：地表附近，重力近似等于万有引力地表附近，重力近似等于万有引力

4、 v?mg?m,gR2?GM,v?gR2RRg=9.8m/s2，R=6400km，代入数据得：代入数据得：v ?7 .9 km /sGMm 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 ,又叫环绕速度。又叫环绕速度。 如果发射速度如小于第一宇宙速度如果发射速度如小于第一宇宙速度 ,卫星将落到地面卫星将落到地面 ; 如果发射速度等于第一宇宙速度，卫星刚好能贴着地球表面作如果发射速度等于第一宇宙速度，卫星刚好能贴着地球表面作匀速圆周运动。匀速圆周运动。 所以，第一宇宙速度是发射地球卫星的最小发射速度。所以，第一宇宙速度是发射地球卫星的最小发射速度。 二、宇宙速度 问题

5、问题: : 若卫星的发射速度大于若卫星的发射速度大于7.9km/s ，会怎样呢？，会怎样呢？ ( (逃逸速度逃逸速度) ) V = 16.7 km/s V = 7.9km/s V = 11.2 km/s 第三宇宙速度第三宇宙速度: :物体挣脱太阳引力物体挣脱太阳引力, ,飞出太阳系的速度飞出太阳系的速度. . 第二宇宙速度第二宇宙速度: :物体克服地球引力物体克服地球引力, ,永远脱离地球的速度永远脱离地球的速度. . （脱离速度）（脱离速度） 第一宇宙速度第一宇宙速度 : :物体在地表附近绕地球做匀速圆周运动的速度物体在地表附近绕地球做匀速圆周运动的速度. （环绕速度）（环绕速度） 11.2

6、 km/s V 7.9 km/s 绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭圆，发射速度越大，椭圆轨道越圆，发射速度越大，椭圆轨道越“扁扁”。 二、宇宙速度 1 1、当发射速度为、当发射速度为7.9km/s, 7.9km/s, 物体恰好环绕地球表面做圆周运动；物体恰好环绕地球表面做圆周运动； 2 2、当发射速度大于、当发射速度大于7.9km/s 7.9km/s 时：时： 7.9km/s 7.9km/sV11.2km/s,11.2km/s,但环绕速度但环绕速度7.9km/s7.9km/s 物体仍绕地球运行，但径迹是椭圆；物体仍绕地球运行，但径迹是椭圆； 11.2km/s

7、 11.2km/sV16.7km/s 16.7km/s 16.7km/s 物体脱离太阳的吸引，而成为自由天体。物体脱离太阳的吸引，而成为自由天体。 1 1、第一宇宙速度（环绕速度）、第一宇宙速度（环绕速度）: :就是物体在地就是物体在地 面附近绕地球做匀速圆周运动的速度面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

8、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）：如果物体的速如果物体的速度等于或大于度等于或大于16.7km/s16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束，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。我们把这个速度缚，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。叫第三宇

9、宙速度。 三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律 表征人造卫星运行状态的物理量有三个表征人造卫星运行状态的物理量有三个 : : 环绕速度环绕速度v, , 转动半径转动半径r( (或或R+h,h为离地的高度为离地的高度) ) 转动周期转动周期T. . 将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动，则卫将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动，则卫星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系：星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系： 22Mmv4?2G?m?m?r?m ()r?man22rrTGM1v?,即v?rr4?r3T?,即T?rGM2 3?GMr3,即?1r

10、3a?GMr2,即a?1r2三、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。 所以，第一宇宙速度是发射卫星的最所以，第一宇宙速度是发射卫星的最小小发射速度发射速度，也是卫星绕地球做圆周运动，也是卫星绕地球做圆周运动的最大的最大运行速度运行速度。 （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 三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律 发射速度：发射速度：卫星在地面附近离开发射装置的卫星在地面附近离开发

11、射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物仅初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度、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；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。所以，第一宇宙速度是发射人周运动的线速度。所以，第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，也是卫星绕地球做圆周运动造卫星的最小速度，也是卫星绕地球做圆周运动的最大速度。的最大速度。 三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律 问题：问题： 将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度哪将卫星送入低轨道和

12、高轨道所需的速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？一个更大？哪一个更容易？为什么？ 向高轨道发射卫星时向高轨道发射卫星时 , , 需要的初速度越大需要的初速度越大，火箭克服地球对卫星的引力而作更多的功火箭克服地球对卫星的引力而作更多的功 , ,对火箭对火箭的要求更高一些的要求更高一些, ,所以比较困难所以比较困难. . 四、课堂练习课堂练习 例题例题: 我国发射的第一颗探月卫星我国发射的第一颗探月卫星“嫦娥一号嫦娥一号”的轨道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约的轨道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的为地球质量的 1/801/80，月球的半径约为地球半径的，月球的

13、半径约为地球半径的 1/41/4，地，地球上的第一宇宙速度约为球上的第一宇宙速度约为 7.9km/s7.9km/s，求，求“嫦娥一号嫦娥一号”探月探月卫星绕月球运行的速率？卫星绕月球运行的速率？ 思考：思考：我们能否发射一颗周期为我们能否发射一颗周期为 70min70min的卫的卫 星呢？星呢？ 提示提示 ：同学们算算，近地卫星的：同学们算算，近地卫星的周期（最小周期）又是多少呢？周期（最小周期）又是多少呢？ 2?R2?3 .14?6400?1033T?5 .07?10s ?84 .8min37 .9?10v不能！不能！ 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

14、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： 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 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 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。 地球同步卫星：地球同步卫星： 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

15、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？ 同步卫星同步卫星 同步卫星有以下几个特点： （1 1）周期一定）周期一定T=24h T=24h （2）在赤道平面内）在赤道平面内 （3）高度一定）高度一定 同步卫星的高度：同步卫星的高度： G （） 解得高度解得高度 ： - km 人类探索太空的过程人类探索太空的过程 1969年7月20日，美国宇航员尼尼尔尔阿姆斯特朗、迈克尔阿姆斯特朗、迈克尔柯林柯林斯、巴兹斯、巴兹奥尔德林奥尔德林 (上图从左至右)，成功登月成功登月。 19841984 年年，美美 国国宇宇 航航员员 布布鲁鲁 20012001

16、年，年，第一位太空游客美国人美国人蒂 左图为月球上的奥尔德林，头 1961年，苏联宇航员尤里尤里加加林加加林，完成人类历史人类历史斯斯麦坎德利斯离开航天飞机麦坎德利斯离开航天飞机 320320盔中人影为阿姆斯特朗。 托( (中中) )，进入国际空间站，开始太空观，进入国际空间站，开始太空观上第一次宇宙飞行上第一次宇宙飞行，人类飞天梦想终于变成现实。 英尺，完成人类首次无安全索太空英尺，完成人类首次无安全索太空1963年，瓦莲蒂娜瓦莲蒂娜捷列什科娃捷列什科娃， 光。光。 行走。行走。 人类第一位进入太空的女性人类第一位进入太空的女性。 阿波罗阿波罗1111号宇航员在月球上的视频号宇航员在月球上的

17、视频 点点击击图图片片即即播播放放 我国载人航天回顾我国载人航天回顾 20052005年年 “神舟神舟”六号六号 首次首次“多人多天多人多天”空间飞行空间飞行 20082008年年 “神舟神舟”七号七号 首次太空行走首次太空行走 20032003年年 “神舟神舟”五号五号 中国人中国人“飞天飞天”梦圆梦圆 美味佳肴飘进来美味佳肴飘进来 奉奉 命命 出出 征征 费费 俊俊 龙龙 在在 做做 身身 体体 检检 我国首位航天员杨利伟我国首位航天员杨利伟 查查 成功返航成功返航 杨利伟在太空展示中国和联合国国旗杨利伟在太空展示中国和联合国国旗 五、课堂小结课堂小结 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/s 2 2、研