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1、第六章 万有引力与航天 第五节 宇宙航行人教版必修人教版必修2嫦嫦娥娥奔奔月月探究宇宙的奥秘，奔向遥远的太空。自古以来就探究宇宙的奥秘，奔向遥远的太空。自古以来就是人类的梦想，怎样才能实现这一梦想呢？是人类的梦想，怎样才能实现这一梦想呢？一、牛顿的设想一、牛顿的设想 牛顿曾设想牛顿曾设想, 从高山上用不同的从高山上用不同的水平速度抛出物体水平速度抛出物体,速度一次比速度一次比一次大一次大,则落点一次比一次远则落点一次比一次远,如如不计空气的阻力不计空气的阻力,当速度足够大当速度足够大时时, 物体就永远不会落到地面上物体就永远不会落到地面上来来,而围绕地球旋转而围绕地球旋转,成为一颗人成为一颗人
2、造地球卫星，简称造地球卫星，简称人造卫星人造卫星 由此可见，人造地球卫星运行遵由此可见，人造地球卫星运行遵从的规律是：卫星绕地球做匀速圆从的规律是：卫星绕地球做匀速圆周运动，地球对卫星的引力提供向周运动，地球对卫星的引力提供向心力。心力。探究问题一：探究问题一：思考与讨论：思考与讨论：如图所示，如图所示，A A、B B、C C、D D四条轨四条轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条？道中可以作为卫星轨道的是哪一条？根据：卫星做圆周运动的根据：卫星做圆周运动的向心力必须指向地心。向心力必须指向地心。想一想：速度为多大时，物体将不会落回地面想一想：速度为多大时，物体将不会落回地面而成为绕地球旋转的人造卫
3、星呢？而成为绕地球旋转的人造卫星呢？卫星运动轨道特点：卫星运动轨道特点：n 万有引力提供向心力，所以轨道平面一定万有引力提供向心力，所以轨道平面一定经过地球中心，卫星围绕地球的中心做匀速经过地球中心，卫星围绕地球的中心做匀速圆周运动。圆周运动。建立模型：建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动卫星绕地球做匀速圆周运动基本思路：基本思路：卫星绕地球做圆周运动的向心力由地卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供。球对卫星的万有引力提供。GMmr2=mv2rv=GMr请同学们请同学们计算计算：已知地球半径：已知地球半径R=6400kmR=6400km，地球质量，地球质量M=6.0M=6.01
4、0102424kgkg，卫星在地面附近，卫星在地面附近环绕环绕地球作匀速圆地球作匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？周运动所必须具有的速度有多大？7.9km/GMvsR=二、宇宙速度二、宇宙速度1、第一宇宙速度、第一宇宙速度即：卫星在地面即：卫星在地面附近附近环绕环绕地球作匀速圆周运动所必须具地球作匀速圆周运动所必须具有的速度有的速度第一宇宙速度第一宇宙速度 思考：如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力思考：如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度加速度g g，如何求宇宙第一速度，如何求宇宙第一速度v v？7.9km/GMvsR=由由222MmGmgRGMRR和gRv sm/104
5、 . 68 . 96skm/9 . 7第一宇宙速度的计算方法二：第一宇宙速度的计算方法二：则则思考：思考：地面上的物体如何才能获得这么大的速度？地面上的物体如何才能获得这么大的速度？由此可见：要发射一颗绕地球半径运行的人造卫星，由此可见：要发射一颗绕地球半径运行的人造卫星，发射速度发射速度必须等于必须等于7.9km/s7.9km/s 。所以宇宙第一速度是。所以宇宙第一速度是最最小小的的发射速度发射速度。 所谓发射速度是指卫星在地面附近离开发射火所谓发射速度是指卫星在地面附近离开发射火箭的初速度。要发射一颗人造地球卫星，其发射箭的初速度。要发射一颗人造地球卫星，其发射速度就不能小于第一宇宙速度速
6、度就不能小于第一宇宙速度。即：即：人造卫星的运动有何规律？人造卫星的运动有何规律？223(2) :M mGMGmrrr卫地地卫由得22(1) :M mGMvGmvrrr卫地地卫由得23224 2(3) :M mrGmrTrTGM卫地卫地由得可见：可见：v v、T T 与与 r r 为为 一一 一对应关系一对应关系高轨道上运行的卫星，线速度小、角速度小，周期长高轨道上运行的卫星，线速度小、角速度小，周期长。FV思考：思考：卫星运动的线速度、角速度卫星运动的线速度、角速度和周期与轨道半径的关系呢？和周期与轨道半径的关系呢？ 所以所以7.9km/s7.9km/s是最小是最小发射发射速度，速度，也是最
7、大也是最大环绕（运行）环绕（运行）速度。速度。 思考：若发射速度大于思考：若发射速度大于7.9km/s7.9km/s，则人造卫星将如何运动？则人造卫星将如何运动？ 发射速度大于发射速度大于7.9km/s7.9km/s，而小于，而小于11.2km/s11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹不是，卫星绕地球运动的轨迹不是圆，而是圆，而是椭圆椭圆。 等于或大于等于或大于11.2km/s11.2km/s时，时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行运行。 运行速度运行速度指卫星在进入运行轨道后指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。当卫星绕地球做圆周运动的线速度
8、。当卫星“贴着贴着”地面飞行时，运行速度等于第地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。2、第二宇宙速度、第二宇宙速度 大小：大小：v=11.2km/s意义：以这个速度发射，物体刚好意义：以这个速度发射，物体刚好能克服地球的引力作用，永远的离能克服地球的引力作用，永远的离开地球而绕太阳运动。开地球而绕太阳运动。3、第三宇宙速度、第三宇宙速度 大小：大小：v v=16.7km/s=16.7km/s意义：以这个速度发射，物体刚好能摆脱太阳引力的意义：以这个速度发射，物体刚好能
9、摆脱太阳引力的束缚而飞到太阳系以外。束缚而飞到太阳系以外。发射速度大于发射速度大于11.2km/s11.2km/s，而小于，而小于16.7km/s16.7km/s，卫星绕太，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。如果发射速度大阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。如果发射速度大于等于于等于16.7km/s16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。太阳系以外的空间。思考与讨论：思考与讨论：人造卫星在地球表面做圆周运动的周期最小是多少？人造卫星在地球表面做圆周运动的周期最小是多少？2224MmGmRRT=2MmmgGR=2gRT = =84.6m
10、in=84.6min或：或：=842.6minRTv=思考：人造卫星的周期能否为思考：人造卫星的周期能否为24小时？小时？三、梦想成真三、梦想成真1、所谓地球同步卫星是指所谓地球同步卫星是指相对于地心静止的人造卫星，相对于地心静止的人造卫星，它在轨道上跟着地球自转，它在轨道上跟着地球自转，同步地做匀速圆周运动，它同步地做匀速圆周运动，它的周期：的周期：T24h2、所有的同步卫星只能所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个分布在赤道上方的一个确定轨道上确定轨道上 ，即同步卫星轨道平面与地球赤道，即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫星离地面高度为定值。平面重合，卫星离地面高度为定值。对同步卫星：
11、对同步卫星：其其r、 v、T 、均为定值、均为定值mRGMThhRTmhRMmG7322222106.34)(4)(计算同步卫星高度计算同步卫星高度由万有引力提供向心力由万有引力提供向心力同步通讯卫星轨道半径：74.2 10Rhm同步卫星的线速度同步卫星的线速度22MmGmrr解：由万有引力提供向心力解：由万有引力提供向心力 故故 : 将地球质量将地球质量M及轨道半径及轨道半径r代入，可得同步通讯代入，可得同步通讯卫星的速率卫星的速率由此解出由此解出:GMr1124376.67 106.0 10/3.1 10/4.2 10GMm sm sr同步卫星发射过程同步卫星发射过程卫星的变轨问题卫星的变
12、轨问题四、梦想成真四、梦想成真 1957 1957年年1010月月4 4日，原苏联发日，原苏联发射了世界上第一颗人造地球卫射了世界上第一颗人造地球卫星。卫星重星。卫星重83.6kg83.6kg，每，每96min96min绕地球飞行一圈。绕地球飞行一圈。世界航天史世界航天史 1961年年4月月12日苏联空军少校加日苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。实现加林进入了东方一号载人飞船。实现了人类第一次进入太空。他的非凡勇了人类第一次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。 火箭点火起飞，飞船绕地球飞行火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时一圈，历时1
13、08分，然后重返大气层，分，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。空的丰碑。 1969年年7月月16日，阿波罗日，阿波罗11号将人类送上了号将人类送上了月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他在月球上迈出了一小步，舱的阿姆斯特朗，他在月球上迈出了一小步，确是人类迈出的一大步。确是人类迈出的一大步。1981年年4月月12日，世界上第一架航日，世界上第一架航天飞机哥伦比亚号发射成功。同年天飞机哥伦比亚号发射成功。同年11月月12日和日和1982年年3月月22日、日、6月月27日又相继进行了
14、日又相继进行了3次试飞，均获次试飞，均获得成功。得成功。 但在但在2003年年2月月1日，哥伦比亚号航日，哥伦比亚号航天飞机在重返地面的过程中突然发天飞机在重返地面的过程中突然发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航员全部遇难。（其中有航员全部遇难。（其中有6名美国名美国人、人、1名以色列人）名以色列人） 19751975年，返回式遥感卫星，年，返回式遥感卫星，中国第一颗返回式卫星，用中国第一颗返回式卫星，用于对地观测，运行三天后按于对地观测，运行三天后按计划返回地面；中国是第三计划返回地面；中国是第三个掌握卫星回收技术的国家个掌握卫星回收技术的国家。 19701970
15、年，年， “东方红东方红”1号，号，中国第一颗人造卫星。中国是中国第一颗人造卫星。中国是第五个能自行发射卫星的国家第五个能自行发射卫星的国家。中国航天史中国航天史风云一号风云一号风云二号风云二号中国首颗气象卫星；中国是第三个独立研制并发射中国首颗气象卫星；中国是第三个独立研制并发射太阳同步轨道卫星的国家。太阳同步轨道卫星的国家。通信卫星通信卫星1984年，试验通信卫星：年，试验通信卫星：“东方红东方红”2号，号，标志着中国是世界上第标志着中国是世界上第5个能发射地球静止轨个能发射地球静止轨道卫星的国家。道卫星的国家。 飞船绕地球飞行飞船绕地球飞行14圈后，于圈后，于10月月16日日6时时23分
16、安全分安全降落在内蒙古主着陆场这次成功发射实现了中华民族降落在内蒙古主着陆场这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。奠定了坚实的基础。 1992年，中国载人航天工程年，中国载人航天工程正式启动。正式启动。 2003年年10月月15日日9时，我国时，我国“神舟神舟”五号宇宙飞船在酒泉卫五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送人太空。一位航天员杨利伟送人太空。 2005年年10月月12号，我国神州号，我国神州6号载人飞船发射升空，号载人飞船发射升空，把费俊龙、聂海胜进入太空。把费俊龙、聂海胜进入太空。 伴随着伴随着“神舟神舟”号的发射成功，中国已正式启动号的发射成功，中国已正式启动“嫦娥工程嫦娥工程”，开始了宇宙探索的新征程，开始了宇宙探索的新征程