1、第五节 宇宙航行,人造卫星、宇宙飞船,一、宇宙速度,V0,以平抛运动为模型的推理过程,牛顿人造卫星原理图,牛顿的设想,究竟怎样才能发射一颗卫星呢？,牛顿的猜想,问题一：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？(已知=6.6710-11Nm2/kg2 , 地球质量M=5.891024kg, 地球半径R=6400km),学科网,设地球和卫星的质量分别为M和m,卫星到地心的距离为r,求卫星运动的线速度v?,由F引=F向得到,M,m,方法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力,方法二：在地面附近，重力提供物体作圆周运动的向心力,（若已知地球表面重力加速度g=9.8m/s2，R=64
2、00km）,学科网,.第一宇宙速度,对于靠近地面的卫星，可以认为此时的r近似等于地球半径R，把r用地球半径R代入，可以求出,我们把近地卫星的发射速度，叫做第一宇宙速度。,对第一宇宙速度的理解:,1.上式对其它天体也适用，R为天体半径, M为天 体质量, g为天体表面的重力加度,G为引力常量.2.v1为发射卫星的最小发射速度,又是卫星进入轨道后最大环绕速度(也叫运行速度).,运行速度 指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度,发射速度 指被发射物体离开发射装置时的速度,人造卫星的发射速度与运行速度,1、发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度,并且一旦发射就再也没有补充能量,被发射物仅依
3、靠自身的初动能克服地球引力做功上升一定高度,进入运行轨道.因卫星上升过程中要克服引力和空气阻力(在大气层中时)做功消耗动能,所以卫星越高,发射速度越大。,2、运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度,根据 可知,卫星越高轨道半径越大,卫星运行速度(环绕速度)就越小,近 地卫星可认为v发=v运 ,其它较高卫星的v发v运.,（二）卫星的环绕速度、角速度、周期和轨道半径的关系,1、线速度随轨道半径的关系：,可见：卫星绕行轨道半径越大，绕行速度越小。,2、角速度随轨道半径的关系：,可见：卫星绕行的角速度随轨道半径增大而减小。,3、周期随轨道半径的关系：,可见：卫星绕行的周期随轨道半径增
4、大而增大。,由、式可以看出卫星的环绕速度随高度增大而减小，角速度随高度增大而减小，周期随高度增大而增大。在周期、角速度、线速度和轨道半径四个物理量中，一个量发生变化时，另外三个量一定同时变化。,故:,牢记：第一宇宙速度v1=7.9km/s是近地卫星的发射速度和运行速度,是所有人造卫星的最小发射速度最大运行速度.,如果人造地球卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，它绕地球运动的轨迹是椭圆。,当物体的速度大于或等于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。我们把这个速度叫第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。,2.第二宇宙速度（脱离
5、速度）,卫星挣脱地球束缚的最小发射速度,达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力,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。,3.第三宇宙速度（逃逸速度）,卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度,第二宇宙速度:物体克服地球引力,永远脱离地球的速度.,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. （不同天体有各自的第一宇宙速度。如果卫星的发射速度小于第一宇宙速度，卫星将落回
6、地面。）,阅读教材并回答：三种宇宙速度（发射速度）,各种各样的卫星,二、卫 星 的 轨 道,F,赤道平面,北,南,东,西,二、卫星的轨道,人造地球卫星的运行轨道,卫星绕地球做匀速圆周运动时，是地球的引力提供向心力，卫星受到地球的引力方向指向地心，而做圆周运动的向心力方向始终指向圆心，所以卫星圆周运动的圆心和地球的地心重合。这样就存在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。,地球,二、卫星的轨道,1. 轨道中心,地心,2. _ 提供向心力,万有引力,3. r越大，T _，
7、V _， _，an _,越大,越小,越小,越小,zxxk,地球同步卫星：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星，又叫通讯卫星。,三、地球同步卫星（通讯卫星）,特点: 1、运行方向与地球自转方向一致 2、角速度 ,周期(T=24h)与地球相同,是一个恒量. 3、轨道平面与赤道平面平行,4、距地面高度一定 (h=3.6107m)，环绕速度大小一定。,即轨道平面一定,高度一定,运动快慢一定,why？,所谓地球同步卫星是指与地球自转同步,相对于地面静止的人造卫星.,w,1、为什么必须在赤道平面上？,因为:（1）同步卫星与地球自转同步必须自西向东转；（2）万有引力提供做向心力,圆心就
8、是地心.,所以:同步卫星轨道平面必定在赤道平面上.,2、为什么高度一定？,地球同步卫星的特点,（1）周期与地球自转周期相同（T=24h），角速度与地球自转角速度也相同（2）只能在赤道平面内绕地球转动（3）距地面高度一定,同步卫星,想一想:哪一个是同步卫星？,思考：如何利用同步卫星实现全球通讯？,同步卫星,近地卫星,月球,近地卫星、同步卫星、月球三者比较,四、梦想成真,探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想，现在真的“梦想成真”了,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
9、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”。,四、梦想成真,1957年10月，苏联发射第一颗人造地球卫星。,1961年4月12日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，实现了人类进入太空的梦想。,1969年7月20日，阿波罗11号将人类送
10、上了月球。,四、梦想成真,梦想成真：,谁为人类迈向太空提供科学思想,19世纪中叶俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基（喷气推进的多级火箭）,第一颗人造地球卫星何时何地发射成功,1957年10月4日苏联,第一艘载人飞船何时何地发射成功,1961年4月12日 苏联 加加林 东方一号载人飞船,人类何时登上月球,1969年7月16日9时32分，美国 阿波罗11号升空，19日进入月球轨道，20日下午4时17分着陆，10时56分阿姆斯特朗踏上月面,对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大飞跃,人类遨游太空回顾,蒂托2001年4月30日，第一位太空游客、美国人蒂托（中）快乐地进入国际空间站，开始了他为期一
11、周的太空观光生活。太空旅游的开辟使得普通人也能够像宇航员一样畅游星际之间。,1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空,我国的航天成就,2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功,第5节 宇 宙 航 行,1992年我国载人航天工程正式启动,2003年10月15日神舟五号杨利伟,2005年10月12日神舟六号费俊龙聂海胜,2008年9月25日神舟七号翟志刚刘伯明景海鹏,对地球(1)v1=7.9km/s 是人造卫星的最小发射速度和最大环绕速度。若7.9km/sv11.2km/s 卫星绕地球做椭圆运动。2、第二宇宙速度(逃逸速度): v 2=11.2km/s 是卫星挣脱地球束缚的最小发射速度3
12、、第三宇宙速度(逃逸速度):v3 =16.7km/s是卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度,知识梳理:,1.第一宇宙速度(环绕速度) ：,（对任何天体都适用）,二、宇宙速度,41990年3月，紫金山天文台将该台发现的2752号小行星命名为“吴健雄星”。将其看作球形，直径为32km，它的密度和地球密度相近。若在此小行星上发射一颗卫星环绕 其表面附近运转。求此卫星的环绕速度。（地球半径取6400km）,5.已知地球的质量约为月球质量的81倍,地球半径于约为月球半径的4倍,在地球上发射近地卫星的环绕速度为7.9km/s,周期为84min,那么在月球上发射一颗近地 卫星的环绕速度多大?它的周期多大?,又因,
13、故,又因,故,对地球(1)v1=7.9km/s 是人造卫星的最小发射速度和最大环绕速度。若7.9km/sv11.2km/s 卫星绕地球做椭圆运动。2、第二宇宙速度(逃逸速度): v 2=11.2km/s 是卫星挣脱地球束缚的最小发射速度3、第三宇宙速度(逃逸速度):v3 =16.7km/s是卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度三、同步卫星（通讯卫星）,小结:,1.第一宇宙速度(环绕速度) ：,（对任何天体都适用）,一、人造卫星,二、宇宙速度,五、人造卫星的超重和失重,1、发射和回收阶段,发射,加速上升,超重,回收,减速下降,超重,2、沿圆轨道正常运行,只受重力,a = g,完全失重,与重力有关的现象
14、全部消失,天平,弹簧秤测重力,液体压强计,3关于人造地球卫星及其中物体的超重、失重问题，下列说法正确的是（ ） A.在发射过程中向上加速时 产生超重现象 B.在降落过程中向下减速时产 生失重现象 C.进入轨道时作匀速圆周运动， 产生失重现象 D.失重是由于地球对卫星内物 体的作用力减小而引起的,A C,思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其 在高轨道上运行，应采取什么措施？,在低轨道上加速，使其沿椭圆轨道运行，当行至椭圆轨道的远点处时再次加速，即可使其沿高轨道运行。.,六、变轨问题,1,2,L,使卫星进入更高轨道做圆周运动,非远地点变轨,向高轨卫星的发射,卫星的回收,A,B,写出A位置与B位置
15、的向心力方程？,例3、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点，2、3相切于Q点。当卫星分别在1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是（ ）A、在轨道3上的速率大 于1上的速率B、在轨道3上的角速度 小于1上的角速度C、在轨道2上经过Q点时 的速率等于在轨道3上经过Q点时的速率D、在轨道1上经过P点时的加速度等于在轨道2上 经过P点时的加速度,BD,“嫦娥奔月” 图(视频)16,练习1：2007年10月24日“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭
16、圆轨道24小时椭圆轨道48小时椭圆轨道修正轨道地月转移轨道。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道3.5小时椭圆轨道最后进入周期为T的极月圆轨道 ，如图所示。（ ） A.“嫦娥一号”由到需加速、由到需减速 B.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度 C.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关 D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比 E.在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力,发射,练习2. 2007年10月24日，“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨道24小时椭圆轨
17、道48小时椭圆轨道修正轨道地月转移轨道。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道3.5小时椭圆轨道最后进入周期为T的极月圆轨道 ，如图所示。 若月球半径为R，试写出月球表面重力加速度的表达式。,发射,七、对接问题:宇宙飞船与空间站的对接,空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何登到空间站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。,思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？,不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空
18、间站对接。飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，便可实现对接，如图所示.,空间站,飞船,例：在太空中有两飞行器a、b，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，a在前b在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想b 尽快追上a 并完成对接，b应采取的措施是（ ）A、沿运动方向喷气 B、先沿运动方向喷气，后运动沿反方向喷气C、沿运动反方向喷气 D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气,B,八、“双星”问题,“双星”是由两颗绕着共同的中心旋转的恒星组成。对于其中一颗来说，另一颗就是其“伴星”。,
19、1.两颗恒星均围绕共同的旋转中心做匀速圆周运动。2.两恒星之间万有引力分别提供了两恒星的向心力，即两颗恒星受到的向心力大小相等。3.两颗恒星与旋转中心时刻三点共线，即两颗恒星角速度相同，周期相同。,双星运动的特点：,确定双星的旋转中心：,质量 m 越大，旋转半径越小，离旋转中心越近。,F引,mg0,Fn,九、重力、万有引力与向心力的关系,F引,FN,F引,FN,人造地球卫星：,两极的物体：,赤道上的物体：,近地卫星：,地球表面的物体,（与地球具有相同的）,即：,即：,1415,例:设同步卫星离地心距离为r，运行速率为v1，加速度为a1,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2,第一宇宙速度
20、为v2，地球半径为R，则( )A B C D,AD,1、在某行星上用弹簧来秤测量某一物体的重力。在赤道上测量的示数比在两极处测量的示数小1/10，若该行星一昼夜的运行时间为T，万有引力常量为G，则这颗行星的密度为多少？,2、如果地球自转加快，地球赤道上物体的重量将发生怎样的变化？,1.4小时,当自转周期等于多少时可使赤道上的物体飘起来？,减小,连续物或卫星群的判断问题,9：根据观察，在土星外层有一个环带，该环带有星云等物质构成，为了判断环带是土星的连续物还是小卫星群。可测出环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系，从而加以确定。对此下列判断正确的是：（ ） A.若v与R成正比，则环
21、带是连续物 B.若v与R成正比，则环带是小卫星群 C.若v与R成反比，则环带是连续物 D.若v与R成反比，则环带是小卫星群,AD,121990年3月，紫金山天文台将1965年9月20日发现的一颗小行星命名为吴健雄星，直径为32km，如果该行星的密度与地球相同，则对该小行星来说，其上物体的第一宇宙速度约为多少?(已知地球半径为6400km，地球上第一宇宙速度为7.9km/s),13.恒星演化发展到一定阶段，可能成为恒星世界的“侏儒”中子星.中子星的半径较小，一般在7 km20 km，但它的密度大得惊人.若某中子星的半径为10 km，密度为1.21017kg/m3，那么该中子星上的第一宇宙速度约为（ ） A.7.9 km/s B.16.7 km/s C.2.9104 km/s D.5.8104 km/s,
