高中物理宇宙航行

1、学习目标n1、了解人造卫星的有关知识n2、知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度n3、通过实例，了解人类对太空的探索历程古人的梦想古人的梦想 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？问题：牛顿人造卫星原理图牛顿的思考与设想：水平抛出的物体，速度v越大时，落地点越远，速度不断增大，将会出现什么结果？ 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：重力提供物体作圆周运动的向心力法二：重力提供物体作圆周运动的向心力Rvmmg2skmsmgRv/9.7/104.

2、68.96探究问题探究问题一一：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？动，不会落下来？(已知已知=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） 1. 第一宇宙速度第一宇宙速度(7.9km/s) 卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度，叫卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度，叫第一宇宙速度第一宇宙速度 将人造地球卫星送入预定的轨道运行所必须具将人造地球卫星送入预定的轨道运行所必须具有的速度，叫发

3、射速度有的速度，叫发射速度 轨道越高，绕地球运行的环绕速度越小轨道越高，绕地球运行的环绕速度越小 因此，因此，第一宇宙速度第一宇宙速度是人造地球卫星在地面附是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度，速度，是人造是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动所具有的地球卫星绕地球做匀速圆周运动所具有的最大最大速速度，度，也是发射人造地球卫星的最小速度也是发射人造地球卫星的最小速度如果大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星将沿椭圆轨道绕地球运行，地心就成为椭圆轨道的一个焦点 、第二宇宙速度（脱离速度）n这是卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星

4、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 4.人造卫星的发射速度和运行速度人造卫星的发射速度和运行速度 发射速度与运行速度是两个不同的概念发射速度

5、与运行速度是两个不同的概念注意注意: 卫星的实际环绕速度一定小于发射速度卫星的实际环绕速度一定小于发射速度.(1)发射速度：发射速度：指被发射物在地面附近离指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克无能量补充，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，进入运动轨道服地球引力上升一定的高度，进入运动轨道(2)环绕速度：环绕速度：是指卫星在进入运行轨道后是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度当卫星绕地球做匀速圆周运动的线速度当卫星“贴贴着着”地面运行时，运行速度等于第一宇宙

6、速度地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度.V=7.9km/s11.2km/sV7.9km/s各种各样的卫星各种各样的卫星探究问题二：人造卫星的轨道（1）如图所示，a、b、c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪几条？abc提示：卫星作圆周运动的向心力必须指向地心（2）这三条轨道中哪一条轨道中的卫星可能和地球自转同步？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 课堂练习：人造卫星的运行规律卫星的绕行速度v 、角速度 、周期T与轨道半径 r 的关系1、绕行速度v与r的关系2vFmr2MmFGrrvGMvr2、角速度与r的关系2Fmr2MmFGr3GMr3、周期T与r的关系

7、2Fmr2T22FmrT2MmFGr234rTGM不同高度的卫星课堂练习：课堂练习：人造卫星的运行规律线速度、角速度、周期、向心加速度与半径的关系线速度、角速度、周期、向心加速度与半径的关系：rGMv3rGMGMrT322rGMa 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地球地球动画演示动

8、画演示“高轨低速长周期高轨低速长周期”三、地球同步卫星三、地球同步卫星 1、定义、定义所谓地球同步卫星，是相对于地面所谓地球同步卫星，是相对于地面静止静止的和地球具有相同的和地球具有相同周期周期的卫星，同步卫的卫星，同步卫星必须位于星必须位于赤道平面内赤道平面内，且到地面的，且到地面的高高度一定度一定。r v T a “全部固定全部固定”1. 周期周期 T = _24h2. 轨道平面轨道平面_赤道平面赤道平面4. R4. R、v v、T T、a an n _ 3. h =_36000km“全部固定全部固定”（如何求？） 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫做地球的同步卫星，又叫通讯卫

9、星思考：同步卫星的哪些思考：同步卫星的哪些物理量是不变的呢？物理量是不变的呢？同步卫星又叫静止轨道卫星，通常用作通讯卫星同步卫星又叫静止轨道卫星，通常用作通讯卫星结论： 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。 圆轨道在赤道平面，即圆轨道在赤道平面，即在赤道的正上方；周在赤道的正上方；周期与地球自转周期相期与地球自转周期相同，为同，为24小时；绕行小时；绕行方向为自西向东。方向为自西向东。 大家能否计大家能否计算出同步卫星算出同步卫星的高度，线速的高度，线速度呢？度呢？结论：结论： 地球同步卫星必须发射在赤道正上地球同步卫星必须发射在赤道正上方的固定高度

10、，并且以固定的速度环绕地球做圆方的固定高度，并且以固定的速度环绕地球做圆周运动。周运动。练习：练习：已知地球的半径已知地球的半径是是6400km，地球自转，地球自转的周期的周期24h，地球质量，地球质量5.891024kg, 引力常量引力常量G=6.6710-11Nm2/kg2, 若要发射一颗地球同步卫星，试求：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地球同步卫星的环绕速度v.5 5. . 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

11、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。3.3.同步卫星的高度同步卫星的高度 h h为固定值（为固定值（h=35786Kmh=35786Km） 222mMTR hGm Rh2234G M ThR4.同步卫星同步卫星速度速度2323.1410/RhTvms6.地球同步卫星的运行特征地球同步卫星的运行特征可概括为四个一定可概括为四个一定定轨道平面定轨道平面,其运行轨道平面在赤道平面其运行轨道平面在赤道平面内；内；定周期定周期,即运行周期等于地球自转周期（即运行周期等于地球自转周期（24 h）定高度定高度，即离地面高度一定（即离地面高度一定（h=3

12、6000 km）定速度定速度，即运行速度一定（即运行速度一定（v3.1km/s）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具有的绕地球做匀速圆周运动所具有的速度速度，叫做，叫做第一宇宙速度第一宇宙速度。四四.近地卫星近地卫星的的运行速度运行速度是多少呢？是多少呢？11226.67 10/GN mkg已知：66.37 10Rm245.89 10Mkg练习：求近地卫星的周期6 31124(6.37 10 ) 2 3.146.67 105.98 10 s 地GMrT32我们能否发

13、射一颗周期为80min的卫星吗？3 5.06 1084.3minsh=3.6107mr=4.2107mv=3km/sT=24hh0r=6.4106mv=7.9km/sT=84分钟分钟同步卫星同步卫星近地卫星近地卫星月球月球近地卫星、同步卫星、月球三者比较近地卫星、同步卫星、月球三者比较小结：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五、人造卫星的超重和失重五、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

14、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(3)发射速度和卫星绕地球旋转的速度是发射速度和卫星绕地球旋转的速度是不是同一速度？发射速度大说明什么？卫不是同一速度？发射速度大说明什么？卫星运转速度大又说明什么？星运转速度大又说明什么？(1)将卫星送入低轨道和送入高轨道哪将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易？为什么？一个更容易？为什么？(2)所需要的发射速度，哪一个更大？所需要的发射速度，哪一个更大？为什么？为什么？

15、学生思考学生思考人类航天始祖-万户人类航天的始祖是我国明朝的万户。在15世纪的我国明朝早期，一位名叫“万户”的官员，在一把椅子的背后装上47支火箭。当然，那是当时能买到的最大的火箭。他自己坐在椅子上，并用绳子绑紧。两手则各拿一个大风筝。然后他要仆人将47支火箭同时点燃，想借用火箭的力量把他推向空中。这是美国人罗伯特吉姆在1945年出版的火箭与喷射一书中的叙述。英国、德国和前苏联的一些火箭专家，在他们的著作中也提到或引用了这件事。可见，万户是世界上公认的“第一个尝试利用火箭进行飞行的人”。为表彰他的功绩，国际天文联合会将月球上的一座环形山命名为“万户”。（适当介绍）航天科学的三位先驱航天科学的三

16、位先驱 齐奥尔科夫斯基齐奥尔科夫斯基 于于1903年发表了年发表了利用利用喷气工具研究宇宙空喷气工具研究宇宙空间间一文和以他的名一文和以他的名字命名的公式，奠定字命名的公式，奠定了火箭和液体发动机了火箭和液体发动机的理论基础的理论基础还证明了脱离地球引力还证明了脱离地球引力必须使用多级火箭。必须使用多级火箭。 航天科学的三位先驱航天科学的三位先驱戈达德戈达德1926年他研制出世界上第一枚液体火箭 航天科学的三位先驱航天科学的三位先驱n冯冯布劳恩布劳恩 第二次世界大战时，纳粹德国在波罗的海边的佩内明德建了一个秘密导弹工厂。冯布劳恩带领一批科学家在那里研制出现代导弹的鼻祖V-2。V-2导弹在二战中

17、被成批生产并用于实战，主要用来轰炸伦敦。人类遨游太空回顾人类遨游太空回顾 尤里尤里加加林加加林 1961年4月12日，苏联宇航员尤里加加林乘坐东方1号航天器，绕地球飞行108分钟后，胜利地完成人类历史上第一次宇宙飞行的任务，使人类遨游太空的梦想终于变成现实。 1963年6月16日驾驶宇宙飞船“东方6号”升空，作围绕地球48圈的飞行，成为人类第一位进入太空的女性，并为此荣获苏联英雄称号。 人类遨游太空回顾人类遨游太空回顾人类遨游太空回顾人类遨游太空回顾尼尔尼尔阿姆斯特朗阿姆斯特朗 巴兹巴兹奥尔德林奥尔德林1969年7月20日，美国宇航员巴兹奥尔德林（如图）和尼尔阿姆斯特朗（头盔中影像）乘“阿波罗”11号飞船首次登上月球。 人类遨游太空回顾人类遨游太空回顾布鲁斯布鲁斯麦坎德利斯麦坎德利斯1984年6月7日，美国航天飞机“挑战者”号宇航员布鲁斯麦坎德利斯使用载人机动装置，离开航天飞机32