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1、人类已经将脚步人类已经将脚步踏向广阔的宇宙踏向广阔的宇宙人类对未知太空的探索永不止歇人类对未知太空的探索永不止歇中国的航天事业飞速发展圆了飞天之梦中国的航天事业飞速发展圆了飞天之梦 上节课我们学习了用万有引力定律计上节课我们学习了用万有引力定律计算天体的质量，请同学们回忆其推导过程。算天体的质量，请同学们回忆其推导过程。其中其中M M是中心天体的质量，是中心天体的质量，m m是环绕天体的是环绕天体的质量，质量，r r是中心天体与环绕天体之间的距离，是中心天体与环绕天体之间的距离，是环绕天体公转的角速度，是环绕天体公转的角速度，T T是公转周期。是公转周期。rmrMmG22T22224TmrrM
2、mG2324GTrM 在高山上用不同的水平初速度抛出一在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？同吗？它们的落地点不同，速度越大，落地点离它们的落地点不同，速度越大，落地点离山脚越远。因为在同一座高山上抛出，它们在山脚越远。因为在同一座高山上抛出，它们在空中运动的时间相同，速度大的水平位移大，空中运动的时间相同，速度大的水平位移大，所以落地点也较远。所以落地点也较远。假设被抛出物体的速度足够大，物体的运假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？动情形又如何呢？第五节第五节 宇宙航行宇宙航行1. 1.牛顿的设想牛顿的设
3、想2.2.宇宙速度宇宙速度3. 3.梦想成真梦想成真知识与能力知识与能力 1. 1. 了解人造卫星的有关知识了解人造卫星的有关知识 2. 2. 知道三个宇宙速度的含义，会推导第知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。一宇宙速度。过程与方法过程与方法通过用万有引力定律推导第一宇宙速度。通过用万有引力定律推导第一宇宙速度。培养学生运用知识解决问题的能力。培养学生运用知识解决问题的能力。 1. 通过介绍我国在卫星发射方面的情况。通过介绍我国在卫星发射方面的情况。激发学生的爱国热情。激发学生的爱国热情。 2. 感知人类探索宇宙的梦想。促使学生感知人类探索宇宙的梦想。促使学生树立献身科学的人生价值观
4、。树立献身科学的人生价值观。情感态度与价值观情感态度与价值观重点重点第一宇宙速度的推导第一宇宙速度的推导难点难点运行速率与轨道半径之间的关系运行速率与轨道半径之间的关系一一 . . 牛顿的设想牛顿的设想设想在高山上有一门大炮，水平发射炮弹，设想在高山上有一门大炮，水平发射炮弹，初速度越大，水平射程就越大，可以想象当初速初速度越大，水平射程就越大，可以想象当初速度足够大时，这颗炮弹将不会落到地面，将和月度足够大时，这颗炮弹将不会落到地面，将和月球一样成为地球的一颗卫星。球一样成为地球的一颗卫星。人造卫星在绕地球运行时，只受到地球对它人造卫星在绕地球运行时，只受到地球对它的万有引力作用，的万有引力
5、作用，人造卫星作圆周运动的向心力人造卫星作圆周运动的向心力由万有引力提供。由万有引力提供。设地球的质量为设地球的质量为M，卫星的质量为，卫星的质量为m，r是是轨道半径，由于万有引力提供向心力，则轨道半径，由于万有引力提供向心力，则rvmrMmG22rGMv 人造地球卫星的运行速度人造地球卫星的运行速度可见，高轨道上运行的卫星线速度小。可见，高轨道上运行的卫星线速度小。角速度与周期和轨道半径的关系如何呢？角速度与周期和轨道半径的关系如何呢？3rGMrv可见，高轨道上运行的卫星角速度小，周期可见，高轨道上运行的卫星角速度小，周期长。长。GMrT322二二 . . 宇宙速度宇宙速度高轨道上运行的卫星
6、速度小，是否发射也高轨道上运行的卫星速度小，是否发射也容易呢？容易呢？这就需要看卫星的发射速度，而不是运行这就需要看卫星的发射速度，而不是运行速度。速度。那么发射速度应该达到多少才能使卫星绕那么发射速度应该达到多少才能使卫星绕地球做圆周运动而不会落回地面呢？地球做圆周运动而不会落回地面呢？牛顿实验中，炮弹至少要以多大的速度发牛顿实验中，炮弹至少要以多大的速度发射，才能在地面附近绕地球做匀速圆周运动？射，才能在地面附近绕地球做匀速圆周运动？分析：在地面附近绕地球运行，轨道半径分析：在地面附近绕地球运行，轨道半径即为地球半径。由万有引力提供向心力即为地球半径。由万有引力提供向心力得：得： RvmR
7、MmG22第一宇宙速度第一宇宙速度RGMv skmsmv/9 . 7/1040. 61098. 51067. 662411这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做运动的速度，叫做第一宇宙速度第一宇宙速度。结论：如果发射速度小于结论：如果发射速度小于7.9km/s，炮弹将，炮弹将落到地面，而不能成为一颗卫星；发射速度等落到地面，而不能成为一颗卫星；发射速度等于于7.9km/s，它将在地面附近作匀速圆周运动；，它将在地面附近作匀速圆周运动；要发射一颗轨道半径大于地球半径的人造卫星，要发射一颗轨道半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于发射速度必须
8、大于7.9km/s。可见，向高轨道。可见，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。第一宇宙速度的第一宇宙速度的意义意义：第一宇宙速度是人：第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。必须具有的速度，所以也称为环绕速度。大小：大小：第二宇宙速度的第二宇宙速度的意义意义：使卫星挣脱地球的：使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度。速度。注意注意：发射速度大于：发射速度大于7.9km/s，而小于，而小于11.2km/s
9、，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆；等，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆；等于或大于于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。力，不再绕地球运行。第二宇宙速度第二宇宙速度skmv/2 .112大小：大小：第三宇宙速度的第三宇宙速度的意义意义：使卫星挣脱太阳引：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。力束缚的最小发射速度。注意注意：发射速度大于：发射速度大于11.2km/s，而小于，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。如果发射速度大于等于人造行星。如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引
10、力的束缚，飞到太阳系以外卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。的空间。第三宇宙速度第三宇宙速度skmv/7 .163区分概念区分概念人造卫星的人造卫星的发射速度发射速度： 指卫星在地面附近离开发射装置的初速指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，要发射一颗度，一旦发射后再无能量补充，要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。速度。人造卫星的人造卫星的运行速度运行速度： 指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。当卫星运动的线速度。当卫星“贴着贴着”地面飞行时，地面飞行时，运
11、行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。宙速度。所谓同步卫星，是相对于地面静止的，所谓同步卫星，是相对于地面静止的，和地球具有相同周期的卫星，和地球具有相同周期的卫星，T=24h，同步卫，同步卫星必须位于赤道上方距地面高星必须位于赤道上方距地面高h处，并且处，并且h是是一定的。同步卫星也叫通讯卫星。一定的。同步卫星也叫通讯卫星。由由 得：得： T为地球自转周期，为地球自转周期，M、R分别为地球的分别为地球的质量、半径。代入数值得质量、半径。代入数值得同步卫星同步卫星)()2()
12、(22hRTmhRMmGmh7106 . 3RGMTh3224三三 . .梦想成真梦想成真探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。空，是人类自古以来的梦想。19世纪中叶的俄世纪中叶的俄罗斯学者齐奥尔科夫罗斯学者齐奥尔科夫斯基指出，利用喷气斯基指出，利用喷气推进的多级火箭，是推进的多级火箭，是实现太空飞行最有效实现太空飞行最有效的工具。的工具。1957年年10月月4日，世界上第一颗人造地球日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星在苏联发射成功。1961年年4月月12日，苏联空军少校加加林进日，苏联空军少校加加林进入东方一号宇宙飞船绕地
13、球飞行一圈。入东方一号宇宙飞船绕地球飞行一圈。1969年年7月月20日，阿姆斯特朗踏上了月球，日，阿姆斯特朗踏上了月球，在另一个星球上留下了人类的足迹。在另一个星球上留下了人类的足迹。2003年年10月月15日，我国第一位航天员杨利日，我国第一位航天员杨利伟乘神舟五号进入太空。伟乘神舟五号进入太空。2007年年10月月24日，我国首颗绕月探测卫星日，我国首颗绕月探测卫星“嫦娥一号嫦娥一号”发射成功。发射成功。人类的航天事业获得了瞩目的成就，但其人类的航天事业获得了瞩目的成就，但其中也付出了无数的汗水和牺牲。中也付出了无数的汗水和牺牲。2003年年2月月1日美国哥伦比亚号航天飞机返舱时在大气层日
14、美国哥伦比亚号航天飞机返舱时在大气层中解体，中解体，7名航天员全部遇难。名航天员全部遇难。地球和月亮只是茫茫宇宙中的两粒尘埃，地球和月亮只是茫茫宇宙中的两粒尘埃，还有更为广阔的未知世界需要我们去探索。还有更为广阔的未知世界需要我们去探索。1 .1 .牛顿的设想牛顿的设想 从高山上水平抛出的物体如果速度足从高山上水平抛出的物体如果速度足够大，他将绕地球运动，成为人造地球卫够大，他将绕地球运动，成为人造地球卫星。星。2 .2 .宇宙速度宇宙速度 第一宇宙速度第一宇宙速度人造卫星在地面附人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度速度skmv/9 .
15、71第二宇宙速度第二宇宙速度使卫星挣脱地球的使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度发射速度第三宇宙速度第三宇宙速度使卫星挣脱太阳引使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度力束缚的最小发射速度skmv/2 .112skmv/7 .1633. 3.梦想成真梦想成真 飞天的梦想已然成真，人类已经迈向了太飞天的梦想已然成真，人类已经迈向了太空，进入更为深远的探索。空，进入更为深远的探索。 1 1 、关于地球的第一宇宙速度，下列关于地球的第一宇宙速度，下列说法中正确的是（说法中正确的是（ ） A.它是人造地球卫星绕地球运行的最小速它是人造地球卫星绕地
16、球运行的最小速度度 B.它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度行速度 C.它是能使卫星进入近地轨道的最小发射它是能使卫星进入近地轨道的最小发射速度速度 D.它是能使卫星进入轨道的最大发射速度它是能使卫星进入轨道的最大发射速度 BCBC分析分析 注意理解运行速度和发射速度。注意理解运行速度和发射速度。 2 2、人造地球卫星中的物体处于失重人造地球卫星中的物体处于失重状态，是指物体（状态，是指物体（ ） A. A.不受地球引力的作用不受地球引力的作用 B. B.受到的合力为零受到的合力为零 C. C.对支持它的物体没有压力对支持它的物体没有压力 D. D.地球的
17、吸引力和向心力平衡地球的吸引力和向心力平衡C C分析分析 注意理解超重、失重及完全失重的概念。注意理解超重、失重及完全失重的概念。 3 3、假设地球的质量不变，半径增假设地球的质量不变，半径增大到原来的大到原来的2 2倍，那么从地球发射人造倍，那么从地球发射人造卫星的第一宇宙速度的大小应为原来的卫星的第一宇宙速度的大小应为原来的（ ） A. B.1/ A. B.1/ C.1/2 C.1/2倍倍 D. 2 D. 2倍倍B倍2倍2分析分析 根据第一宇宙速度和地球半径的关系可根据第一宇宙速度和地球半径的关系可以得出正确答案。以得出正确答案。RGMv 4 4、卫星绕地球作匀速圆周运动，试估卫星绕地球作
18、匀速圆周运动，试估算最小周期为多少？算最小周期为多少？mR6104 . 6分析分析 卫星的运行轨道半径越小，周期越小。所以卫星的运行轨道半径越小，周期越小。所以卫星在近地轨道运行时周期为最小周期。卫星在近地轨道运行时周期为最小周期。解：解：在地面附近有在地面附近有由万有引力提供向心力得由万有引力提供向心力得两式联立得两式联立得2RmMGmg sgRT50752RTmRmMG2224说明说明 在某些天体运动的题目中，似乎已知量在某些天体运动的题目中，似乎已知量不够，但巧妙地利用不够，但巧妙地利用 可以代换一可以代换一些未知量。些未知量。2RmMGmg 1.解：解：“神舟五号神舟五号”绕地球运动的
19、向心力绕地球运动的向心力由其受到的地球万有引力提供。由其受到的地球万有引力提供。 其中周期其中周期 则则rTmrMmG22)2(min64.91min14)37602(6024T3224GMTr mmr63222411107 . 64)6064.91(100 . 61067. 6其距离地面的高度为其距离地面的高度为根据离地面高度的准确值验证其周期的准确值根据离地面高度的准确值验证其周期的准确值已知：已知：“神舟五号神舟五号”绕地球运行时离地面的高度绕地球运行时离地面的高度为为343km，则根据，则根据在地面附近有在地面附近有根据以上三式得根据以上三式得rTmrMmG2224kmmmmRrh30
20、0103104 . 6107 . 65662RmMGmg hRrTmin6 .9054368 . 9107 . 6104 . 610)3 . 04 . 6(2)(2)(266623ssghRRhRgRhR 2. 2.解：环绕地球表面匀速圆周运动的人造卫解：环绕地球表面匀速圆周运动的人造卫星需要的向心力，由地球对卫星的万有引力提星需要的向心力，由地球对卫星的万有引力提供，即：供，即： 得得 （1 1）在地面附近有：在地面附近有： 可得可得将其代入（将其代入（1 1）式有）式有RvmRMmG22RGMv 2RmMGmg gRGM2RgRgRv2 3.解：设金星质量为解：设金星质量为 、半径为、半径
21、为 、金、金星表面自由落体加速度为星表面自由落体加速度为 。 在金星表面在金星表面 （1） 设地球质量为设地球质量为 、半径为、半径为 、地球表面自、地球表面自由落体加速度为由落体加速度为 。 在地球表面有在地球表面有 （2 2）1211mgRmMG2222mgRmMG1M1g2M2g2R1R （1）式除以（）式除以（2）式，得）式，得即即12211RvmRmMG21212221ggRRMM222222122211/9 . 8/8 . 995. 01182. 0smsmgRRMMgskmgRgRRGMv/3 . 795. 082. 095. 02221111开展月球探测工作是我国迈出航天深空探
22、测开展月球探测工作是我国迈出航天深空探测第一步的重大举措。实现月球探测将是我国航天第一步的重大举措。实现月球探测将是我国航天深空探测零的突破。深空探测零的突破。我国航天科技工作者早在我国航天科技工作者早在1994年就进行了探年就进行了探月活动必要性和可行性研究，月活动必要性和可行性研究，1996年完成了探月年完成了探月卫星的技术方案研究，卫星的技术方案研究，1998年完成了卫星关键技年完成了卫星关键技术研究，以后又开展了深化论证工作。术研究，以后又开展了深化论证工作。经过经过10年的酝酿，最终确定我国整个探月工年的酝酿，最终确定我国整个探月工程分为程分为“绕绕”、“落落”、“回回”3个阶段。个
23、阶段。中国航天的发展中国航天的发展第一步为第一步为“绕绕”，即发射我国第一颗月球探，即发射我国第一颗月球探测卫星，突破至地外天体的飞行技术，实现月球测卫星，突破至地外天体的飞行技术，实现月球探测卫星绕月飞行，通过遥感探测，获取月球表探测卫星绕月飞行，通过遥感探测，获取月球表面三维影像，探测月球表面有用元素含量和物质面三维影像，探测月球表面有用元素含量和物质类型，探测月壤特性，并在月球探测卫星奔月飞类型，探测月壤特性，并在月球探测卫星奔月飞行过程中探测地月空间环境。第一颗月球探测卫行过程中探测地月空间环境。第一颗月球探测卫星星“嫦娥一号嫦娥一号”已于已于2007年年10月月24日发射。日发射。第
24、二步为第二步为“落落”，时间定为，时间定为2007年至年至2010年。年。即发射月球软着陆器，突破地外天体的着陆技术，即发射月球软着陆器，突破地外天体的着陆技术，并携带月球巡视勘察器，进行月球软着陆和自动并携带月球巡视勘察器，进行月球软着陆和自动巡视勘测，探测着陆区的地形地貌、地质构造、巡视勘测，探测着陆区的地形地貌、地质构造、岩石的化学与矿物成分和月表的环境，进行月岩岩石的化学与矿物成分和月表的环境，进行月岩的现场探测和采样分析，进行日的现场探测和采样分析，进行日-地地-月空间环境监月空间环境监测与月基天文观测。具体方案是用安全降落在月测与月基天文观测。具体方案是用安全降落在月面上的巡视车、
25、自动机器人探测着陆区岩石与矿面上的巡视车、自动机器人探测着陆区岩石与矿物成分，测定着陆点的热流和周围环境，进行高物成分，测定着陆点的热流和周围环境，进行高分辨率摄影和月岩的现场探测或采样分析，为以分辨率摄影和月岩的现场探测或采样分析，为以后建立月球基地的选址提供月面的化学与物理参后建立月球基地的选址提供月面的化学与物理参数。数。第三步为第三步为“回回”，时间定在，时间定在2011至至2020年。即发射月球软着陆器，突破自地外天体年。即发射月球软着陆器，突破自地外天体返回地球的技术，进行月球样品自动取样并返回地球的技术，进行月球样品自动取样并返回地球，在地球上对取样进行分析研究，返回地球，在地球
26、上对取样进行分析研究，深化对地月系统的起源和演化的认识。目标深化对地月系统的起源和演化的认识。目标是月面巡视勘察与采样返回。是月面巡视勘察与采样返回。我国绕月探测工程将完成以下四大科学我国绕月探测工程将完成以下四大科学目标：目标：1、获取月球表面三维影像。划分月球表、获取月球表面三维影像。划分月球表面的基本地貌构造单元，初步编制月球地质面的基本地貌构造单元，初步编制月球地质与构造纲要图，为后续优选软着陆提供参考与构造纲要图，为后续优选软着陆提供参考依据。依据。2、分析月球表面有用元素含量和物质类型、分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点。对月球表面有用元素进行探测，初的分布特点。对月球表
27、面有用元素进行探测，初步编制各元素的月面分布图。步编制各元素的月面分布图。3、探测月壤特性。探测并评估月球表面月、探测月壤特性。探测并评估月球表面月壤层的厚度、月壤中氦壤层的厚度、月壤中氦-3的资源量。的资源量。4、探测地月空间环境。记录原始太阳风数、探测地月空间环境。记录原始太阳风数据，研究太阳活动对地月空间环境的影响。据，研究太阳活动对地月空间环境的影响。首颗探月卫星首颗探月卫星嫦娥一号嫦娥一号北京时间北京时间2007年年10月月24日日18时时05分（分（UTC8时）左右，嫦娥一号探测器从西昌卫星发射中时）左右，嫦娥一号探测器从西昌卫星发射中心由长征三号甲运载火箭成功发射。卫星发射后，心
28、由长征三号甲运载火箭成功发射。卫星发射后，将用将用8天至天至9天时间完成调相轨道段、地月转移轨天时间完成调相轨道段、地月转移轨道段和环月轨道段飞行。经过道段和环月轨道段飞行。经过8次变轨后，次变轨后，于于11月月7日正式进入工作轨道。日正式进入工作轨道。11月月18日卫星转为对月定向姿日卫星转为对月定向姿态，态，11月月20日开始传回探测数日开始传回探测数据。据。2007年年11月月26日，中国国日，中国国家航天局正式公布嫦娥一号卫家航天局正式公布嫦娥一号卫星传回的第一幅月面图像。星传回的第一幅月面图像。 2007年年12月月12日上午日上午10时，庆祝我国首次月时，庆祝我国首次月球探测工程圆满成功大会在北京人民大会堂举行。球探测工程圆满成功大会在北京人民大会堂举行。2009年年3月月1日日16时时13分，嫦娥一号卫星在控制下分，嫦娥一号卫星在控制下成功撞击月球。为我国月球探测的一期工程成功撞击月球。为我国月球探测的一期工程,划上划上了圆满句号。了圆满句号。