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1、会计学1宇宙航行上课宇宙航行上课飞天之梦的历史飞天之梦的历史第1页/共26页第第5 5节节 宇宙航行宇宙航行第2页/共26页问题问题: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。1.1.月月球球也也要要受受到到地地球球引引力力的的作作用用,为为什什么么月月亮亮不会落到地面上来不会落到地面上来?问问题题情情境境 由由于于月月球球在在绕绕地地球球沿沿近近似似圆圆周周的的轨轨道道运运转转,此此时时月月球球受受到到的的地地球球引引力力(即即重重力力),),用用来来充充当当绕绕地地球球运运转转的的向向心心力力,故故月球不会落到地面上来月球不会落到地面上来.第3页
2、/共26页一、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。2.2.若若抛抛出出物物体体的的水水平平初初速速度度足足够够大大,物物体体将将会会怎样怎样?试大胆猜想。试大胆猜想。由由于于地地球球是是一一个个圆圆球球,当当平平抛抛的的水水平平初初速速度度足足够够大大时时,物物体体飞飞行行的的距距离离也也很很大大,故故物物体体不不能能再再 落落回回地地面面,而而成成为为一颗绕地球运转的卫星一颗绕地球运转的卫星.ABCOV0D问题问题:问问题题情情境境第4页/共26页 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
3、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。牛顿人造卫星原理牛顿人造卫星原理图图一、牛顿关于卫星的设想第5页/共26页 思考？思考？1.1.以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运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动的卫星?推导方法一：推导方法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力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：代入数据得：推导方法二：推导方法二：地表附近，地表附近，重力近似等于万有引力重力近似等于万有引力 人们把人们把7.9km/s这个速度称作这个速度称作第一宇宙速度第一宇宙速度,又叫环绕速度。又叫环绕
4、速度。如果发射速度如小于第一宇宙速度如果发射速度如小于第一宇宙速度,卫星将卫星将落到地面落到地面;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。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。所以，第一宇宙速度是发射地球卫星的最小发射速度。二、宇宙速度第6页/共26页 发射速度：发射速度：这里指卫星在地面附近离开发射这里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，被发装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升
5、一定的高度、进入运动轨道；的高度、进入运动轨道；不同于电视上看到的卫不同于电视上看到的卫星发射星发射.运行速度运行速度：卫星在进入运行轨道后绕地球做圆卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。周运动的线速度。（补充）：（补充）：卫星发射速度和卫星运行速度的区卫星发射速度和卫星运行速度的区别别第7页/共26页问题问题:若卫星的发射速度大于若卫星的发射速度大于7.9km/s ，会怎样呢？，会怎样呢？第二宇宙速度第二宇宙速度:物体克服地球引力物体克服地球引力,永远脱离地球的速度永远脱离地球的速度.（脱离速度）（脱离速度）第三宇宙速度第三宇宙速度:物体挣脱太阳引力物体挣脱太阳引力,飞出太阳系的速度
6、飞出太阳系的速度.(逃逸速度逃逸速度)11.2 km/s V 7.9 km/sV=16.7 km/sV=11.2 km/sV=7.9km/s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“扁扁”。第一宇宙速度第一宇宙速度:物体在地表附近绕地球做匀速圆周运动的速度物体在地表附近绕地球做匀速圆周运动的速度.（环绕速度）（环绕速度）二、宇宙速度第8页/共26页1 1 1 1、当发射速度为、当发射速度为、当发射速度为、当发射速度为7.9km/s,7.9km/s,7.9km/s,7.9km/s,物体恰好环绕地球表面做圆周运动；
7、物体恰好环绕地球表面做圆周运动；物体恰好环绕地球表面做圆周运动；物体恰好环绕地球表面做圆周运动；2 2 2 2、当发射速度大于、当发射速度大于、当发射速度大于、当发射速度大于7.9km/s 7.9km/s 7.9km/s 7.9km/s 时：时：时：时：7.9km/s7.9km/s7.9km/s7.9km/sV V11.2km/s,11.2km/s,11.2km/s,11.2km/s,但环绕速度但环绕速度但环绕速度但环绕速度7.9km/s7.9km/s7.9km/s7.9km/s 物体仍绕地球运行，但径迹是椭圆；物体仍绕地球运行，但径迹是椭圆；物体仍绕地球运行，但径迹是椭圆；物体仍绕地球运行，
8、但径迹是椭圆；11.2km/s11.2km/s11.2km/s11.2km/sV V16.7km/s16.7km/s16.7km/s16.7km/s16.7km/s16.7km/s16.7km/s 物体脱离太阳的吸引，而成为自由天体。物体脱离太阳的吸引，而成为自由天体。物体脱离太阳的吸引，而成为自由天体。物体脱离太阳的吸引，而成为自由天体。二、宇宙速度第9页/共26页第一宇宙速度的计算第一宇宙速度的计算第一宇宙速度的计算第一宇宙速度的计算n n例例1 1、金星的半径是地球的、金星的半径是地球的0.950.95倍，质量倍，质量为地球的为地球的0.820.82倍，那么倍，那么 （1 1）金星表面的
9、自由落体加速度是多大）金星表面的自由落体加速度是多大？（2 2）金星的第一宇宙速度是多大？）金星的第一宇宙速度是多大？第10页/共26页 表征人造卫星运行状态的物理量有三个表征人造卫星运行状态的物理量有三个表征人造卫星运行状态的物理量有三个表征人造卫星运行状态的物理量有三个:环绕速度环绕速度环绕速度环绕速度v v,转动半径转动半径转动半径转动半径r r(或或或或R+h,hR+h,h为离地的高度为离地的高度为离地的高度为离地的高度)转动周期转动周期转动周期转动周期T T.将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动
10、将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动，则，则，则，则卫卫卫卫星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系：星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系：星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系：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人造地球卫星运行的规律第11页/共26页 结论：结论：结论：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。所所以以，第第一一宇宇宙宙速速度度是是发发射射卫卫星星的的最最小小发发射射速速度度，也也是是卫
11、卫星星绕绕地地球球做做圆圆周周运运动动的的最最大大运行速度运行速度。三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律第12页/共26页问题：问题：问题：问题：将卫星送入低轨道和高轨道所将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度哪一个更大？哪一个需的速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？更容易？为什么？三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律向向高高轨轨道道发发射射卫卫星星时时,需需要要的的初初速速度度越越大大，火火箭箭克克服服地地球球对对卫卫星星的的引引力力而而作作更更多多的的功功,对对火箭的要求更高一些火箭的要求更高一些,所以比较困难所以比较困难.第13页/共26页提示提示：同学们算算，近：
12、同学们算算，近地卫星的周期（最小周地卫星的周期（最小周期）又是多少呢？期）又是多少呢？思考：思考：我们能否发射一颗周期为我们能否发射一颗周期为 70min70min的卫星呢？的卫星呢？不能！不能！第14页/共26页探究问题二：人造卫星的轨道（1）如图所示，a、b、c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪几条？abc提示：卫星作圆周运动的向心力必须指向地心卫星的轨道必须是以地心为圆心的圆周轨道卫星的轨道必须是以地心为圆心的圆周轨道第15页/共26页 所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上所有卫星都在以地心为圆心
13、的圆（或椭圆）轨道上 三类人造地球卫星轨道：三类人造地球卫星轨道：三类人造地球卫星轨道：三类人造地球卫星轨道：赤道轨道赤道轨道赤道轨道赤道轨道，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方极地轨道极地轨道极地轨道极地轨道，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空，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一般轨道一般轨道一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。，卫星轨道和赤
14、道成一定角度。，卫星轨道和赤道成一定角度。，卫星轨道和赤道成一定角度。人造地球卫星的运行轨道人造地球卫星的运行轨道 第16页/共26页相对于地面静止且与地球自转同步的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。卫星叫地球同步卫星，又叫通讯卫星。对于同步卫星的对于同步卫星的发射及轨道定位发射及轨道定位有什么要求呢，有什么要求呢，怎样才能保持与怎样才能保持与地球同步呢？地球同步呢？地球同步卫星：地球同步卫星：第17页/共26页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：同步卫星的高度：（1 1）周期一定）周期一定T=24hT=24h（2）在赤道平面内）在赤道平面内
15、（3）高度一定）高度一定（）解得高度解得高度：km-G第18页/共26页第19页/共26页第20页/共26页人类探索太空的过程人类探索太空的过程人类探索太空的过程人类探索太空的过程 1961年，苏联宇航员尤里尤里加加林加加林，完成人类历人类历史上第一次宇宙飞行史上第一次宇宙飞行，人类飞天梦想终于变成现实。1963年，瓦莲蒂娜瓦莲蒂娜捷列什科娃捷列什科娃，人类第一位进入太空的女性人类第一位进入太空的女性。1969年7月20日，美国宇航员尼尔尼尔阿姆斯特朗、迈克尔阿姆斯特朗、迈克尔柯林斯、巴兹柯林斯、巴兹奥尔德林奥尔德林(上图从左至右)，成功登月成功登月。左图为月球上的奥尔德林，头盔中人影为阿姆斯
16、特朗。19841984年，美国宇航员布鲁斯年，美国宇航员布鲁斯麦坎德利斯离开航天飞机麦坎德利斯离开航天飞机320320英尺，完成英尺，完成人类首次无安全索太空行走。人类首次无安全索太空行走。20012001年，年，第一位太空游客美国人美国人蒂托(中中)，进入国际空间站，开始太空，进入国际空间站，开始太空观光。观光。第21页/共26页阿波罗阿波罗阿波罗阿波罗11111111号宇航员在月球上的视频号宇航员在月球上的视频号宇航员在月球上的视频号宇航员在月球上的视频点点击击图图片片即即播播放放第22页/共26页我国载人航天回顾我国载人航天回顾我国载人航天回顾我国载人航天回顾杨利伟在太空展示中国和联合国
17、国旗杨利伟在太空展示中国和联合国国旗我国首位航天员我国首位航天员杨利伟杨利伟20032003年年 “神舟神舟”五号五号 中国人中国人“飞天飞天”梦圆梦圆费费俊俊龙龙在在做做身身体体检检查查美味佳肴飘进来美味佳肴飘进来 成功返航成功返航 奉奉命命出出征征20052005年年 “神舟神舟”六号六号 首次首次“多人多天多人多天”空间飞行空间飞行20082008年年 “神舟神舟”七号七号 首次太空行走首次太空行走第23页/共26页1 1、三个宇宙速度三个宇宙速度三个宇宙速度三个宇宙速度：v v1 1=7.9=7.9km/skm/s（会推导会推导会推导会推导）；）；v v2 2=11.2=11.2 km
18、/s km/s；v v3 3=16.7=16.7 km/s km/s2 2 2 2、研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法：把把把把天天天天体体体体或或或或人人人人造造造造卫卫卫卫星星星星的的的的运运运运动动动动看看看看作作作作匀匀匀匀速速速速圆圆圆圆周周周周运运运运动动动动，且且且且万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，(v v为线速度为线速度为线速度
19、为线速度、为角速度为角速度为角速度为角速度、T T为周期为周期为周期为周期、n n为转速为转速为转速为转速)五、课堂小结课堂小结第24页/共26页1 1、第一宇宙速度（环绕速度）、第一宇宙速度（环绕速度）:就是物体在地就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度面附近绕地球做匀速圆周运动的速度V=7.9km/sV=7.9km/s，若，若 7.9km/sv11.2km/s 7.9km/sv11.2km/s，它绕地球运动的轨迹是椭圆，它绕地球运动的轨迹是椭圆.(最大环绕速度最大环绕速度,最小发射速度最小发射速度)2 2、第二宇宙速度（脱离速度）：、第二宇宙速度（脱离速度）：当物体的速度当物体的速度大于或等于大于或等于11.2km/s11.2km/s时，卫星克服地球的引力，永时，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。到第二宇宙速度的还受到太阳的引力。3 3、第三宇宙速度（逃逸速度）、第三宇宙速度（逃逸速度）：如果物体的速如果物体的速度等于或大于度等于或大于16.7km/s16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束，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。叫第三宇宙速度。第25页/共26页