5宇宙航行 (2)

1、5 宇宙航行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，会推导第一宇宙速度。知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。3 3. .知道发射速度与环绕速度的区别。知道发射速度与环绕速度的区别。嫦嫦娥娥奔奔月月敦煌的飞天壁画敦煌的飞天壁画思考：思考：地面上的物体，怎样才能离开地球地面上的物体，怎样才能离开地球？300300多年前，牛顿提出设想多年前，牛顿提出设想牛顿的猜想牛顿的猜想牛顿的手稿牛顿的手稿想一想想一想: :物体初速度达到多大时就可以发射成为一颗人造卫星呢物体初速度达到多大时就可以发射成为一颗人造卫星呢? ?一、人造卫星的发射原理一、人

2、造卫星的发射原理 方法一：由于卫星在地球附近环绕时，卫星做匀速圆方法一：由于卫星在地球附近环绕时，卫星做匀速圆周运动的向心力可看作由重力提供，根据牛顿第二定律得周运动的向心力可看作由重力提供，根据牛顿第二定律得 66.37 109.8m/s7.9km/svgR2vmgmR 方法二：卫星做匀速圆周运动，由万有引力提供向方法二：卫星做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力，根据牛顿第二定律得心力，根据牛顿第二定律得22MmvGmrr112466.67 105.89 10m/s7.9km/s6.37 10GMvr由此可见：由此可见：V=7.9km/sV=7.9km/s，这就是物体在地面附近绕地球，这就是

3、物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，称为：第做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，称为：第一宇宙速度一宇宙速度 在地面附近在地面附近发射飞行器，如发射飞行器，如果它的速度大于果它的速度大于7.9km/s7.9km/s会怎样会怎样呢？呢？1.1.第一宇宙速度：第一宇宙速度：v=7.9km/s v=7.9km/s ( (地面附近、匀速圆周运动）地面附近、匀速圆周运动）2.2.第二宇宙速度：当物体的速度大于或等于第二宇宙速度：当物体的速度大于或等于11.2km/s11.2km/s时，卫时，卫星就会脱离地球的吸引，不再绕地球运行。我们把这个速度星就会脱离地球的吸引，不再绕地球

4、运行。我们把这个速度叫作第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的叫作第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。引力。3.3.第三宇宙速度：如果物体的速度大于或等于第三宇宙速度：如果物体的速度大于或等于16.7km/s16.7km/s，物，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。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。这个速度叫第三宇宙速度。这个速度叫第三宇宙速度。二、宇宙速度二、宇宙速度 16.7km/s 16.7km/s称为第三称为第三宇宙速度。宇宙速度。“旅行者旅行者1 1号号”探测器探测器19881988年飞出太阳系年飞出太阳系 V运行v

5、运行速度：运行速度：指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度。指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度。v发射速度：发射速度：指被发射物体离开地面时的水平初速度。指被发射物体离开地面时的水平初速度。注意：注意：（1 1）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, ,最大的环绕速度。最大的环绕速度。 （2 2）发射高轨道卫星比发射低轨道卫星困难，原因是发射发射高轨道卫星比发射低轨道卫星困难，原因是发射高轨道卫星时火箭要克服地球对它的引力做更多的功。高轨道卫星时火箭要克服地球对它的引力做更多的功。V发射例例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

6、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？211212vrvr2112vv解解: :万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力，根据牛万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力，根据牛顿第二定律有顿第二定律有22MmvGmrr整理得整理得设第一宇宙速度为设第一宇宙速度为v v1 1, ,卫星的轨道速度为卫星的轨道速度为v v2 2 GMvr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星球的质量是星球的质量是A A星球质量的星球质量的1/

7、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星星球上发射球上发射“近地卫星近地卫星”的环绕速度约为的环绕速度约为 km/skm/s。解解: :22MmvGmrr整理得整理得29BB AAA BvM rvM r22/9BAvvkm s2 2rGMv 例例2.2.关于第一宇宙速度，下列说法中正确的是关于第一宇宙速度，下列说法中正确的是 （ ）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

8、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BCBC三、人造卫星的运动规律三、人造卫星的运动规律1.1.卫星绕地球的运动和受力特点卫星绕地球的运动和受力特点 卫星绕地球做圆周运动，地球对卫星的万有引力卫星绕地球做圆周运动，地球对卫星的万有引力提供向心力。提供向心力。F F引引 = F= F向向 2.2.卫星的动力学方程卫星的动力学方程 (r-V-T(r-V-T的关系的关系) )地球地球V VTTr rR Rr rM M m m22222 TmrmrrVmrMmG 22222()MmvGmmrmrmgr

9、rT22MmvGmrrGMvr1vr22MmGmrr3GMr31r222()MmGmrrT32rTGM3Tr2MmGmar2GMar21ar地球地球思考：思考：对于绕地球运动的人造卫星：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例例3.3.人造卫星以地心为圆心做匀速圆周运动，下列说法人造卫星以地心为圆心做匀速圆周运

10、动，下列说法正确的是（正确的是（ ）A.A.半径越大，速率越大，周期越小半径越大，速率越大，周期越小B.B.半径越大，速率越小，周期越大半径越大，速率越小，周期越大C.C.所有卫星的角速度均相同，与半径无关所有卫星的角速度均相同，与半径无关D.D.所有卫星的速率均相同，与半径无关所有卫星的速率均相同，与半径无关B B四、人造卫星的超重和失重四、人造卫星的超重和失重1.1.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2.2.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 = ga = 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

11、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思考：卫星轨道的圆心在哪儿？思考：卫星轨道的圆心在哪儿？分析：所有卫星的圆心都在地心上。分析：所有卫星的圆心都在地心上。思考：现在有几种卫星？思考：现在有几种卫星？按用途分类按用途分类: :通信卫星通信卫星; ;气象卫星气象卫星按轨道分类按轨道分类: :基地卫星基地卫星; ;赤道卫星赤道卫星; ;其他卫星其他卫星各种各样的卫星各种各样的卫星例例4.4.下列轨道中不可能是卫星绕地球运行的轨道的是下列轨道中不可能是卫星绕地球运行的轨道的是 （ ）卫星是围绕地球的中心绕地球做匀速圆周运动的卫星是围绕地球的中心绕地球做匀速圆周运动的D D五、地

12、球同步卫星（通信卫星）五、地球同步卫星（通信卫星）1.1.所谓地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星，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，同步地做匀速圆周运动，它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：的周期：T T24h24h。2.2.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个确定轨分布在赤道上方的一个确定轨道上道上 ，即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫，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。星离地面高度为定值。3.3.地球同步卫星的特点：地球同步卫星的特点：“五个一定五个一定”（1 1）周期一定：

13、）周期一定：T=24hT=24h（2 2）高度一定）高度一定: : 在赤道上空在赤道上空（3 3）速率、角速度一定）速率、角速度一定（4 4）轨道平面一定：与地球赤道平面共面）轨道平面一定：与地球赤道平面共面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。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2.2.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厦门正上方某一确定高度地球同步卫星能否位于厦门正上方某一确定高度h h处？处？ 5.6R地例例5.5.关于地球同步卫

14、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.A.它的运行速度小于它的运行速度小于7.9km/s7.9km/sB.B.它的运行速度大于它的运行速度大于7.9km/s 7.9km/s C.C.它的周期是它的周期是24h24h，且轨道平面与赤道平面重合，且轨道平面与赤道平面重合D.D.每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样的每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样的ACDACD练习练习3.3.求近地卫星的周期求近地卫星的周期6 31124(6.37 10 ) 2 3.146.67 105.98 10 s 地GMrT32 我们能发射一颗周期我们能发射一颗周期为为80min80min

15、的卫星吗？的卫星吗？3 5.06 1084.3mins22=MmvmgGmrr总结：总结： 凡是人造卫星的问题都可从下列关系去列运动凡是人造卫星的问题都可从下列关系去列运动方程，即方程，即: :重力重力= =万有引力万有引力= =向心力向心力 rRhgh式中：是高空 处的重力加速度1.1.两颗恒星均围绕共同的旋转中两颗恒星均围绕共同的旋转中心做心做匀速圆周运动匀速圆周运动。2.2.两恒星之间两恒星之间万有引力万有引力分别提供分别提供了两恒星的向心力，即两颗恒星了两恒星的向心力，即两颗恒星受到的受到的向心力大小相等向心力大小相等。3.3.两颗恒星与旋转中心时刻三点两颗恒星与旋转中心时刻三点共线，

16、即两颗恒星共线，即两颗恒星角速度相同，角速度相同，周期相同周期相同。双星运动的特点：双星运动的特点：六、六、“双星双星”问题：问题：“双星双星” 由两颗绕着由两颗绕着共同的中心共同的中心旋转的旋转的恒星恒星组成。对于组成。对于其中一颗来说，另一颗就是其其中一颗来说，另一颗就是其“伴星伴星”。黑洞黑洞七、梦想成真七、梦想成真 阿阿波波罗罗登登月月神神州州五五号号神神州州七七号号嫦嫦娥娥一一号号太太空空站站美国美国“凤凰凤凰”号火星探测器号火星探测器20072007年年8 8月月4 4日发射升空，日发射升空，20082008年年5 5月月2525日在火星着陆。日在火星着陆。“卡西尼卡西尼”号土星探

17、测器号土星探测器19971997年年1010月月1515日发射升空，日发射升空，20042004年年1 1日飞抵土星。日飞抵土星。“先驱者先驱者”1010号太空探测器号太空探测器19721972年年3 3月月2 2日发射升空，日发射升空，19861986年年6 6月飞出太阳系。月飞出太阳系。1.1.两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,轨道半径之比轨道半径之比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

18、 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 D2.2.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是在地球大气层外圆形轨道上运动的的3 3颗卫星，下列说法正确的是（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

19、的b b，b b减速可等候同一轨道上减速可等候同一轨道上的的c cD.aD.a卫星由于某原因，轨道半径卫星由于某原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将增大缓慢减小，其线速度将增大D D3.3.根据观察，在土星外层有一个环，为了判断该环是土星根据观察，在土星外层有一个环，为了判断该环是土星的连续物还是小卫星群，可测出环中各层的线速度的连续物还是小卫星群，可测出环中各层的线速度V V与该与该层到土星中心的距离层到土星中心的距离R R之间的关系。下列判断正确的是之间的关系。下列判断正确的是 （ ）A.A.若若V V与与R R成正比，则环为连续物成正比，则环为连续物B.B.若若V V2 2与与R R成正比，则环为小卫星群成正比，则环为小卫星群C.C.若若V