高中物理第六章万有引力与航天第5节宇宙航行新人教版必修 (2)

1、6.5 宇宙航行宇宙航行 如今，人们的通信手段越来越多样，如今，人们的通信手段越来越多样，加强了世界的联系。要保证稳定通畅的通加强了世界的联系。要保证稳定通畅的通讯，需要讯，需要同步卫星同步卫星进行信号的传递。进行信号的传递。手机等便携设备手机等便携设备的的导航定位功能导航定位功能已经非常全面，已经非常全面，要实现精确的导要实现精确的导航，航，同步卫星同步卫星发发挥了极大的作用。挥了极大的作用。问题问题1： 怎么样才能把物体发射上天空，怎么样才能把物体发射上天空，且不再落回地面？且不再落回地面？牛顿的设想：牛顿的设想：一、人造卫星一、人造卫星 在地球上抛出的物体，当它的速度在地球上抛出的物体，

2、当它的速度足够足够大大时，物体就永远不会落到地面上，它时，物体就永远不会落到地面上，它将围绕地球旋转，成为一颗人造卫星。将围绕地球旋转，成为一颗人造卫星。u 1、人造卫星稳定运动的条件：、人造卫星稳定运动的条件： 卫星绕地球做匀速圆周运动，地球对卫星绕地球做匀速圆周运动，地球对卫星的引力提供向心力。卫星的引力提供向心力。问题问题2: 人造卫星的发射速度至少人造卫星的发射速度至少达到多少才能绕地球做稳定的达到多少才能绕地球做稳定的圆周运动圆周运动? ? 设地球的质量为设地球的质量为M，绕地球做匀速圆，绕地球做匀速圆周运动的飞行器的质量为周运动的飞行器的质量为m，飞行器的速，飞行器的速度为度为v，

3、它到地心的距离为，它到地心的距离为r由：由： rmvrMmG22rGMv 地球半径地球半径R=6400km，若是若是近地卫星近地卫星，可认为可认为在在“地面附近地面附近”飞行，则飞行，则rR，可得，可得v。解得：解得：1、第一宇宙速度：、第一宇宙速度：v=7.9km/s，物体在地面附，物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，也称为也称为“最小发射速度最小发射速度”。l发射速度是指卫星在地面附近离开发射火箭的初速发射速度是指卫星在地面附近离开发射火箭的初速度。假若卫星发射后不再补充能量，那么要发射一度。假若卫星发射后不再补充能量，那么要发射一颗

4、人造地球卫星，其发射速度就不能小于第一宇宙颗人造地球卫星，其发射速度就不能小于第一宇宙速度速度。二、宇宙速度二、宇宙速度2、第二宇宙速度：第二宇宙速度：v=11.2km/s，物体会克服地球的引力，永物体会克服地球的引力，永远离开地球。远离开地球。而小于而小于km/s，物体绕地球运动，物体绕地球运动的轨迹不是圆，是椭圆，但的轨迹不是圆，是椭圆，但还在地球的引力范围之内。还在地球的引力范围之内。3、第三宇宙速度：第三宇宙速度：v，物体会，物体会挣脱太阳引力束缚，飞到太挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外。阳系外。 地球v2v311.2km/sv v1 由由F F引引= =F Fn n知轨道平面知轨道平面

5、一定经过地球中心；一定经过地球中心；思考思考:哪条轨道可能是人造卫星的运哪条轨道可能是人造卫星的运行轨道？行轨道？ABC赤道轨道赤道轨道极地轨道极地轨道倾斜轨道倾斜轨道思考思考:同步卫星的轨道属于哪一种？同步卫星的轨道属于哪一种？三、同步卫星三、同步卫星 1、同步卫星：、同步卫星：相对于地面静止的人造卫星，它在相对于地面静止的人造卫星，它在轨道上跟着地球自西向东同步地做匀速圆周运动，轨道上跟着地球自西向东同步地做匀速圆周运动，轨道平面与赤道平面重合，轨道平面与赤道平面重合，T24h.2、同步卫星的高度、同步卫星的高度h（距地表的距离）（距地表的距离）由由F引引=Fn有：有：）（hRTmhRMm

6、G22)2()(hR解得解得:hRRR90815 . 6cosarcRR至少需要至少需要3颗颗。思考：思考：要想使同步卫星信号能够覆盖完整个要想使同步卫星信号能够覆盖完整个赤道，至少需要多少颗同步卫星？赤道，至少需要多少颗同步卫星？要实现信号覆盖全球，不仅需要同步卫要实现信号覆盖全球，不仅需要同步卫星，还需要倾斜轨道卫星。星，还需要倾斜轨道卫星。 为了卫星之间不互相干扰，大为了卫星之间不互相干扰，大约约3左右才能放置左右才能放置1颗，这样地颗，这样地球的同步卫星只能有球的同步卫星只能有120颗。颗。空间位置是一种空间位置是一种极其有限的资源极其有限的资源。思考：思考：全球有哪些卫星导航定位系统

7、？全球有哪些卫星导航定位系统？为什么我国要自主研发北斗卫星导航系统？为什么我国要自主研发北斗卫星导航系统？u 科技强国，梦想成真科技强国，梦想成真美国全球卫星导航定位系统美国全球卫星导航定位系统GPGPS S俄罗斯格罗纳斯系统俄罗斯格罗纳斯系统 欧洲伽利略系统欧洲伽利略系统中国的北斗卫星系统中国的北斗卫星系统1、维护国家安全的需要；、维护国家安全的需要； 现代战争拼的是高科技，高科技的武现代战争拼的是高科技，高科技的武器都离不开卫星导航系统的制导。器都离不开卫星导航系统的制导。 要实现主权的独立，要实现主权的独立，就不能依赖别国的导就不能依赖别国的导航系统航系统。 在胜利大阅兵中，在胜利大阅兵

8、中，我军已使用了北斗系我军已使用了北斗系统来进行辅助。统来进行辅助。 北斗系统既可实北斗系统既可实时显示每辆车的精确时显示每辆车的精确位置和速度，提供的位置和速度，提供的坐标数据误差小于坐标数据误差小于2厘米，速度数据误差厘米，速度数据误差小于小于0.03米米/秒，方向秒，方向数据误差小于数据误差小于0.1度，度，横滚数据误差小于横滚数据误差小于0.2度。度。 在电力、金融在电力、金融证券和移动通信等证券和移动通信等重要领域，都需要重要领域，都需要授时系统授时系统，对时间对时间同步和时间精度的同步和时间精度的要求越来越高要求越来越高。 “北斗北斗”系统系统的授时功能是公开的授时功能是公开使用的

9、高精度授时使用的高精度授时领域领域精度最高的精度最高的。2、应对重大自然灾害的保障；、应对重大自然灾害的保障； 北斗卫星导航北斗卫星导航系统特有的系统特有的双向报双向报文通信功能文通信功能，能够，能够准确判明受灾位置、准确判明受灾位置、传达指令，最大限传达指令，最大限度保证度保证“72小时黄小时黄金抢救时间金抢救时间”的最的最有效利用。有效利用。 汶川地震发生后，重灾区的通信完全中断。首批救汶川地震发生后，重灾区的通信完全中断。首批救灾官兵通过北斗导航定位卫星系统终端机向重灾区发出灾官兵通过北斗导航定位卫星系统终端机向重灾区发出了第一束生命急救电波，把侦测到的灾情准确发给救灾了第一束生命急救电

10、波，把侦测到的灾情准确发给救灾指挥部，在第一时间获知部队距离震中的准确位置。指挥部，在第一时间获知部队距离震中的准确位置。3、经济效益显著、经济效益显著 卫星导航服务应用领域非常广泛，卫星导航服务应用领域非常广泛，不仅可以满足国内需要，还可以走出国不仅可以满足国内需要，还可以走出国门。实现亚洲的信号覆盖后，门。实现亚洲的信号覆盖后，北斗导航北斗导航可以为东盟国家提供服务可以为东盟国家提供服务。在铁路、公。在铁路、公路、水利、河运、航运、物流、位置服路、水利、河运、航运、物流、位置服务等领域发挥重要作用，务等领域发挥重要作用，助力东盟经济助力东盟经济增长。增长。 2012年年12月月27日，日，

11、“北斗北斗”卫星导卫星导航系统航系统开始向亚太大部分地区开始向亚太大部分地区正式提供正式提供连续天源定位、导航、授时等服务。连续天源定位、导航、授时等服务。 如果北斗卫星全面建成，我国将成为如果北斗卫星全面建成，我国将成为少数拥有自主卫星导航服务的国家之一，少数拥有自主卫星导航服务的国家之一，国家综合实力会有进一步的增强。国家综合实力会有进一步的增强。“北斗北斗”，既是中国的，也是世界的。，既是中国的，也是世界的。“北斗北斗”卫星导航系统卫星导航系统预计到预计到2020年完全建成年完全建成，它将为，它将为全球用户提供稳定、可靠、优质的导航服务，全球用户提供稳定、可靠、优质的导航服务，并与世界其他导航系统携手，共同促进人类文并与世界其他导航系统携手，共同促进人类文明和社会发展。明和社会发展。从从“万户飞天万户飞天”到载人飞船到载人飞船u 科技强国，梦想成真科技强国，梦想成真u 科技强国，梦想成真科技强国，梦想成真天宫一号，天宫一号，太空的家太空的家从从“嫦娥奔月嫦娥奔月”到到“玉兔号玉兔号”u 科技强国，科技强国， 梦想成真梦想成真 为我国能拥有为我国能拥有独立的独立的卫星导航通讯技术、载卫星导航通讯技术、载人航天技术、月球探测技术而骄傲，这是我们人航天技术