1、第5节 宇宙航行,明德中学高一物理备课组,中国人的飞天梦,外国人的“飞天”梦,飞天之梦的历史,问题:,一、牛顿关于卫星的设想,地面上抛出的物体,由于受到地球引力的作用,最终都要落回到地面。,1.月球也要受到地球引力的作用,为什么月亮不会落到地面上来?,问题情境,由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转,此时月球受到的地球引力(即重力),用来充当绕地球运转的向心力,故月球不会落到地面上来.,一、牛顿关于卫星的设想,物体做平抛运动时,水平速度越大，飞行的水平距离越远。,2.若抛出物体的水平初速度足够大,物体将会怎样?试大胆猜想。,由于地球是一个圆球,当平抛的水平初速度足够大时,物体飞行的距离也很大,
2、故物体不能再 落回地面,而成为一颗绕地球运转的卫星.,问题:,问题情境,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。,牛顿人造卫星原理图,一、牛顿关于卫星的设想,思考？ 1. 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?,推导方法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力,g=9.8m/s2，R=6400km，代入数据得：,推导方法二：地表附近，重力近似等于万有引力,人们把7.9km/s这个速度称作第一宇宙速度,又叫环绕速度。 如果发射速度如小于第一宇宙速度,卫星将落
3、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。,二、宇宙速度,问题: 若卫星的发射速度大于7.9km/s ，会怎样呢？,第二宇宙速度:物体克服地球引力,永远脱离地球的速度. （脱离速度）,第三宇宙速度:物体挣脱太阳引力,飞出太阳系的速度. (逃逸速度),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“扁”。,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. （环绕速度）,二、宇宙速度,1、当发射速度为7.9km/s,物体恰好环绕地球表面做圆周运动；2、当发射速度大于7.9km/s 时： 7.9
4、km/s16.7km/s物体脱离太阳的吸引，而成为自由天体。,二、宇宙速度,1、第一宇宙速度（环绕速度）:就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度V=7.9km/s，若 7.9km/sv11.2km/s ，它绕地球运动的轨迹是椭圆. (最大环绕速度,最小发射速度),2、第二宇宙速度（脱离速度）：当物体的速度大于或等于11.2km/s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。达到第二宇宙速度的还受到太阳的引力。,3、第三宇宙速度（逃逸速度）：如果物体的速度等于或大于16.7km/s，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。我们把这个速度叫第三宇宙速度
5、。,表征人造卫星运行状态的物理量有三个:环绕速度v,转动半径r(或R+h,h为离地的高度)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，则卫星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系：,三、人造地球卫星运行的规律,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小发射速度，也是卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度。,（补充）：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,发射速度：卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充
6、，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；运行速度：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。,三、人造地球卫星运行的规律,问题： 将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？ 向高轨道发射卫星时, 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,对火箭的要求更高一些,所以比较困难.,三、人造地球卫星运行的规律,四、课堂练习,例题: 我国发射的第一颗探月卫星“嫦娥一号”的轨道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的1/80，月球的半径约
7、为地球半径的1/4，地球上的第一宇宙速度约为7.9km/s，求“嫦娥一号”探月卫星绕月球运行的速率？,提示 ：同学们算算，近地卫星的周期（最小周期）又是多少呢？,思考：我们能否发射一颗周期为 70min的卫 星呢？,不能！,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： 赤道轨道，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方 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 一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。,人造地球卫星的运行轨道,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。,对于同步卫星的发射及轨道定位有什么要求呢，怎样才能保持与地球同步呢？,
8、地球同步卫星：,同步卫星,同步卫星有以下几个特点：,同步卫星的高度：,（1）周期一定T=24h （2）在赤道平面内 （3）高度一定,人类探索太空的过程,1963年，瓦莲蒂娜捷列什科娃， 人类第一位进入太空的女性。,1969年7月20日，美国宇航员尼尔阿姆斯特朗、迈克尔柯林斯、巴兹奥尔德林(上图从左至右)，成功登月。左图为月球上的奥尔德林，头盔中人影为阿姆斯特朗。,1984年，美国宇航员布鲁斯麦坎德利斯离开航天飞机320英尺，完成人类首次无安全索太空行走。,2001年，第一位太空游客美国人蒂托(中)，进入国际空间站，开始太空观光。,阿波罗11号宇航员在月球上的视频,点击图片即播放,我国载人航天回顾,2008年 “神舟”七号 首次太空行走,1、三个宇宙速度： v1=7.9km/s（会推导）；v2=11.2 km/s； v3=16.7 km/s2、研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法：把天体或人造卫星的运动看作匀速圆周运动，且万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，(v为线速度、为角速度、T为周期、n为转速),五、课堂小结,布置作业,1.阅读教材后边“科学漫步”和“STS”的材料；2.将学生分组,上网查阅黑洞、同步卫星的相关资料.,
