第2章航天与力学

1、12改变世界的物理学第2章 航天与力学 (9课时)2.1运动学基本概念一 参照系和坐标系运动是绝对的，而对运动的描述是相对的1 参照系：为描述运动而被选作参考的物体从动力学角度看，参照系不可任选；从运动学角度看，参照系可任选。但参照系选取恰当，对运动的描述简单；参照系选取不当，对运动的描述复杂如：地心说（托勒玫）与日心说之争要定量地描述运动，还须在参照系上建立计算系统2 坐标系：建立在参照系上的计算系统常用：直角坐标系、自然坐标系、球坐标系和柱面坐标系二 质点和位矢1. 质点：是理想模型。忽略了物体的形状、大小、颜色等次要因素，而抓住质量和位置两个主要矛盾2. 位矢:描述质点空间位置的物理量矢

2、量描述：大小：方向： 而：三 运动方程和轨道方程1. 运动方程矢量式：分量式：，2. 轨道方程: ，即运动方程消去t如由： 可得：四 位移矢量1. 位移矢量, , 2. 位移与路程始末位置定，单值，多值，即：3. 位移的合成遵循平行四边形或三角形法则五 速度(矢量)1.平均速度和平均速率平均速度：平均速率：一般情况下，2. 瞬时速度和瞬时速率瞬时速度：瞬时速率：3. 速度的计算 六 加速度1.平均加速度：2.瞬时加速度： 3.曲线运动中的加速度例1 已知一质点做直线运动，质点走过的路程与时间的关系是，则在t时刻，质点运动的速度、加速度各是多少？, 例2 已知某物体做匀加速直线运动的加速度为，时

3、，速度和位置分别为和，求t时刻物体的速度和位置解：, , 例3已知一质点作直线运动，且运动过程中满足（k为常数），求任一时刻的速度、加速度和位移。解题思路：1 运动方程2 加速度速度运动方程（积分）2.2 万有引力定律一 万有引力为引力常数二 万有引力做功的特点1功恒力做功：变力做功：单位： 量纲：2万有引力做的功3 万有引力做功的特点：只与始末位置有关，而与路径无关。4保守力：具有“做功只与始末位置有关，而与路径无关”这种特性的力。保守力场中可引入势能的概念三 引力势能1. 势能：与相互作用的物体的相对位置有关的能量 势能是相互作用物体双方共有 势能的数值与零势面点的选择有关2引力势能，处势

4、能为零3重力势能，地球表面势能为零四 万有引力定律的发现一 牛顿生平二 月亮为什么不掉下来三 万有引力定律的建立四 海王星的发现2.3 机械能守恒与宇宙速度一 机械能动能，引力势能，重力势能，弹性势能二 机械能守恒定律 时，即：三 三个宇宙速度 1 第一宇宙速度：在地面上发射一物体，能使该物体绕地球轨道运行所需的最小发射速度；或物体能绕地球运转的最小速率， 2 第二宇宙速度：在地面上发射一物体，能使该物体脱离地球引力场所需的最小发射速度， 3 第三宇宙速度：在地面上发射一物体，不但能使该物体脱离地球引力场，还能脱离太阳引力场所需的最小发射速度(1)设物体脱离地球的束缚后具有速率，则最小值应满足

5、， (2)地球绕太阳公转速率为， (3)从发射到脱离地球，机械能守恒例 一质量均布的链条，总长为L，放在光滑的台面上，其中有长度为的一部分垂在台外，如图。松手后使它由静止下落。 用动能定理求链条刚好全部离开台面时速度的大小2.4 动量守恒与火箭推进原理一 动量守恒定律1. 动量定理:力对时间的累积等于物体动量的增量。即2. 动量守恒定律(1) 定律:当系统不受外力或外力的矢量和为零时，系统的总动量保持恒定。即：时，(2) 若某方向上的，则该方向上的P守恒(3) 适用条件：或(4) 适用范围：宏观、微观都适用(5) 说明：内力不改变总动量；书中推导：设为恒力，则均匀，即：二 火箭推进原理1. 单

6、级火箭问题：求火箭速度与喷射速度及质量的关系时刻： (上图)时刻： (下图)，即：2 多级火箭第一级：第二级：第三级： 即：三 火箭推力如上图：对，有则受到的作用力为：由牛顿第三定律，受到的作用力为：例 在水平光滑的铁轨上有一小车，长度为，质量为，车的一端站着一质量为的人，人和车原来都静止不动。现在人从车的一端走到另一端，问人和小车各移动了多少距离？例 质量为静止于地面上的平板车上有个人，每人质量为，相对于跳后的车速以相同的从车后水平跳离平板车，忽略一切阻力，问：在个人同时跳出和逐个跳出两种情况下，平板车获得的动能哪个大？2.5卫星运动与角动量守恒1957.10.4，前苏联，世界上第一颗人造地

7、球卫星上天(P.39)1958.1.31，美国，探险者1号进入轨道1970.4.24，中国，东方红一号，设备齐全的科学实验卫星返回型遥感卫星、地球同步卫星、太阳同步卫星、通信卫星、气象卫星一. 人造地球卫星的发射1 垂直起飞阶段2 转弯飞行阶段3 进入轨道阶段二. 地球同步卫星1 同步卫星的运行即地球的自转周期23小时56分4秒2 同步卫星的高度和运行速度3 同步卫星的发射(P.42)初始轨道：圆转移轨道：椭圆同步轨道：圆三. 角动量守恒定律1 质点受到的合外力对定点的力矩2 质点对定点的角动量大小：，方向：向单位：，量纲：3 角动量定理:质点所受的合外力矩等于它的角动量对时间的变化率4 角动

8、量守恒定律时，例1 光滑桌面有一小洞，一质量为的小球在桌面上转动；在的作用下缓慢向中心移动，已知。求：1) ; 2)转动动能的变化；3) 例2 一宇宙飞船，欲考查质量为，半径为的某星球。当它静止于空中离星球中心5R处时以速度发射一质量为的仪器舱，且，要使这仪器舱恰好掠擦此星球的表面着陆，求：发射倾角的大小。例3 (P.45例)在有心力场中，机械能守恒，角动量守恒四 失重现象及其解释1 电梯中的失重现象2 宇宙飞船中的失重现象开普勒三定律1 行星作椭圆轨道运动，太阳位于椭圆的一个焦点上；2 太阳到行星的矢径在相同时间内扫过相等的面积；3 行星绕日的周期T的平方与它绕太阳的椭圆轨道“半长轴”R的立

9、方成正比，即常数试用所学内容推导开普勒第二第三定律2.6人造地球卫星的应用一 通信卫星1. 运动卫星2. 静止卫星即地球同步卫星二 气象卫星1 资料：云图、地表、海面温度和水汽分布等2 应用：天气预报、气候预测、监视台风、强风、暴雨等灾害性天气的变化3 分类：地球同步气象卫星和太阳同步气象卫星地球同步卫星：定点于赤道上空，美、中、日、欧航局和前苏联各一颗，组成全球气象网络。我国的风云二号是地球同步卫星：97年6月10日发射，17日顺利定点在我国中部东经105的赤道上空。见彩图1。太阳同步卫星，绕地球极地轨道运转，每天对地球表面巡视两遍。我国的风云一号A星(88)、B星(90)和C星(99)都是

10、太阳同步卫星。彩图2三 地球资源卫星1 对地面运行大面积监察2 绘制地面的地貌、地质及水文等各类地图3 资源勘测。如地面的河流、海洋与森林，地下水源和矿藏等我国的“资源一号”卫星99.10.14发射，四 科学探测卫星用途：探测地球的大气层、电离层、磁层、极光、重力场、宇宙射线和太阳耀斑等我国99.5.10发射的“实践五号”科学实验卫星的主要任务是进行空间粒子、空间环境测量，流体科学实验等轨道：通常为大椭圆轨道，近地点为几百千米，远地点可从几千到几万千米另外，还有侦察卫星(军事)、导航卫星(航海)、地震卫星(预测地震)五 太空实验1 返回式卫星2 宇宙飞船和空间站3 有人驾驶航天飞机和星际宇宙飞

11、船我国的“神舟”一号飞船于1999年11月20日成功发射我国的“神舟”三号飞船于02年3月25日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过7天的飞行试验，装载有科学技术实验仪器和设备的返回舱于4月1日返回地面。中国科学院的研究人员发现，在空间环境独特的微重力条件下，此次重点进行的空间生命与空间材料科学领域的相关实验，获得了地面环境条件下无法取得的重要结果。据介绍，在“神舟”三号飞船上进行的空间生命科学研究，包括蛋白质和其他大分子的空间晶体生长实验以及生物细胞培养实验。飞船上装载有我国自行研制的第二代空间蛋白质结晶装置，具有两种不同的蛋白质结晶方法和双温控特点，所选用的16种蛋白质大部分是利用我国现有的生

12、物资源制备得到的。经过飞行实验，研究人员在空间微重力环境中获得了结构完整的蛋白质晶体样品，这将有利于研究蛋白质结构与其特殊功能信息的关系。这些研究成果对于获取以至生产高纯、高效的生物制品和进行生物药品研制具有重要意义。在生物细胞培养实验方面，专家们对具有制药前景的动植物细胞的空间培养方法，以及微重力对细胞生长增殖代谢合成和分泌生物活性物质等方面进行了研究。用于本次实验的4个细胞样品中有两个样品可产生抗天花粉蛋白抗体和抗衣原体类性病的抗体。此外，专家们还进行了多种材料的空间晶体生长和制备以及工艺方法的探索研究。如用于制造微波器件、微波集成电路和超高速集成电路关键电子材料的锑化镓晶体；用于制造红外探测器基底材料的碲锌镉晶体；用于光信息存储功能材料的氧化物激光晶体硅酸铋，以及其它在航空、航天领域具有重要应用前景的新型合金材料。对于这些空间材料的研究，有助于加深对材料制备过程物理本质的认识，指导和改进地面材料的制备工艺