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1、人教版物理必修二人教版物理必修二第七章第七章 万有引力与宇宙航行万有引力与宇宙航行第三节第三节 7.4 7.4宇宙航行宇宙航行（3 3）九、九、宇宙飞船与空间站对接问题宇宙飞船与空间站对接问题空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何到达空间站，空间站上的人又如何返回球上的人如何到达空间站，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地面？这些活动都需要通过宇宙飞船（或航天飞机）船（或航天飞机）来来完成，这就存在一个宇宙飞船完成，这就存在一个宇宙飞船（或航天飞机）（或航天飞机）与空与空间站对接的问题。间站对接的问题。思考：思
2、考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，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？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间站对接。道而无法与空间站对接。对接方法：对接方法：飞船首先在比空间站低的轨飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆时，再加速运行到一个椭圆轨道。轨道。通过控制轨道使飞船跟空间通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的站恰好同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，相切点，此
3、时飞船适当减速，便可实现对接，如图示。便可实现对接，如图示。空间站空间站飞船飞船十、卫星追及相遇问题十、卫星追及相遇问题当当当当卫星卫星a a a a、b b b b与中心天体与中心天体与中心天体与中心天体O O O O连成一条直线连成一条直线连成一条直线连成一条直线时：时：时：时：a a、b b在在中心天体中心天体中心天体中心天体同侧，则相距最近（相遇）同侧，则相距最近（相遇）a a、b b在在中心天体中心天体中心天体中心天体异侧，则相距最远异侧，则相距最远相距最近相距最近相距最远相距最远a a-b b=(2n-1)=(2n-1)相距最近相距最近相距最近相距最近a a-b b=2n=2n相距
4、最远相距最远相距最远相距最远a ab ba ab b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，那是当时能当然，那是当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”。人类航天
5、始祖人类航天始祖-万户万户十一、载人航天与太空探索十一、载人航天与太空探索航天科学的三位先驱航天科学的三位先驱 于于19031903年发表了年发表了利用利用喷气工具研究宇宙空间喷气工具研究宇宙空间一文和以他的名字命一文和以他的名字命名的公式，奠定了火箭名的公式，奠定了火箭和液体发动机的理论基和液体发动机的理论基础础,还证明了脱离地球还证明了脱离地球引力必须使用多级火箭。引力必须使用多级火箭。戈戈达达德德19261926年他年他研制出世研制出世界上第一界上第一枚液体火枚液体火箭箭 冯冯布布劳劳恩恩第二次世界大战时，纳粹德国在波罗的海边的佩内明第二次世界大战时，纳粹德国在波罗的海边的佩内明德建了一
6、个秘密导弹工厂。冯德建了一个秘密导弹工厂。冯布劳恩带领一批科学布劳恩带领一批科学家在那里研制出现代导弹的鼻祖家在那里研制出现代导弹的鼻祖V-2V-2。V-2V-2导弹在二战导弹在二战中被成批生产并用于实战，主要用来轰炸伦敦。中被成批生产并用于实战，主要用来轰炸伦敦。齐奥尔科夫斯基齐奥尔科夫斯基19571957年年1010月月4 4日，原苏联发射了世界上第日，原苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星。卫星重一颗人造地球卫星。卫星重83.6kg83.6kg，每，每96min96min绕地球飞行一圈。绕地球飞行一圈。19611961年年4 4月月1212日苏联空军少校加加林进入日苏联空军少校加加林进入了
7、东方一号载人飞船。实现了人类第一了东方一号载人飞船。实现了人类第一次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。多人为航天事业奋斗。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时历时108108分，然后重返大气层，安全降分，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。世界航天史世界航天史19691969年年7 7月月1616日，阿波罗日，阿波罗1111号将人类送上了月球。当时，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舱的阿姆斯特朗，他上亿人通过电视注视着走出登月舱
8、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。在月球上迈出了一小步，确是人类迈出的一大步。“先驱者先驱者”10 10 号号太空太空探测器探测器 1972 1972 年年 3 3 月月 2 2 日日发射发射升空，升空，1986 1986 年年 6 6 月月飞出太阳系。飞出太阳系。“卡西尼卡西尼”号土星号土星探测器探测器 1997 1997 年年 10 10 月月 1515日日发射升发射升空，空，2004 2004 年年7 7月月 1 1日飞抵土星。日飞抵土星。美国美国“凤凰凤凰”号火星号火星探测器探测器 2007 2007 年年 8 8 月月 4 4日发射升空，日发射升空，2008
9、 2008 年年 5 5月月 2525日在日在火星着陆。火星着陆。19811981年年4 4月月1212日，世界日，世界上第一架航天飞机哥伦上第一架航天飞机哥伦比亚号发射成功。同年比亚号发射成功。同年1111月月1212日和日和19821982年年3 3月月2222日、日、6 6月月2727日又相继日又相继进行了进行了3 3次试飞，均获次试飞，均获得成功。得成功。但在但在20032003年年2 2月月1 1日，哥伦比亚号日，哥伦比亚号航天飞机在重返地面的过程中突航天飞机在重返地面的过程中突然发生解体燃烧，航天飞机上的然发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航员全部遇难。（其中有七名宇航员全部遇难。（
10、其中有6 6名美国人、名美国人、1 1名以色列人）名以色列人）19701970年年4 4月月2424日我国第一日我国第一颗人造卫星颗人造卫星“东方红一东方红一号号”发射成功，开创了发射成功，开创了中国航天史的新纪元。中国航天史的新纪元。为我国航天事业为我国航天事业做出特殊贡献的做出特殊贡献的科学家钱学森被科学家钱学森被誉为誉为“中国航天中国航天之父之父”中国航天史中国航天史20072007年年1010月月2424日日嫦娥一号月球探嫦娥一号月球探测器发射成功测器发射成功风云一号风云一号风云二号风云二号通信卫星通信卫星19841984年，试验通信卫星：年，试验通信卫星：“东方红东方红”2 2号，标
11、志着中号，标志着中国是世界上第国是世界上第5 5个能发射地球静止轨道卫星的国家。个能发射地球静止轨道卫星的国家。飞船绕地球飞行飞船绕地球飞行1414圈后，于圈后，于1010月月1616日日6 6时时2323分安全降落在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千年的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立开展飞天梦想，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奠定了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。坚实的基础。20032003年年1010月月1515日日9 9时，我国时，
12、我国“神舟神舟”五号五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，宇宙飞船在酒泉卫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。把中国第一位航天员杨利伟送人太空。19921992年，中国载人航天工程正式启动。年，中国载人航天工程正式启动。20102010年年1010月月1 1日日嫦娥二号顺利嫦娥二号顺利发射发射20132013年年1212月月2 2日嫦日嫦娥三号探测器进娥三号探测器进入太空，当月入太空，当月1414日成功软着陆于日成功软着陆于月球月球天宫一号天宫一号是中国第一个目标飞是中国第一个目标飞行器，于行器，于20112011年年9 9月月2929日日2121时时1616分分0303秒
13、在酒泉卫星发射中心发秒在酒泉卫星发射中心发射，飞行器全长射，飞行器全长10.410.4米，最大米，最大直径直径3.353.35米，由实验舱和资源米，由实验舱和资源舱构成。它的发射标志着中国舱构成。它的发射标志着中国迈入中国航天迈入中国航天 三步走三步走 战略的战略的第二步第二阶段。第二步第二阶段。我国的航天成就我国的航天成就20032003年年1010月月1515日，神舟五号，杨利伟日，神舟五号，杨利伟20052005年年1010月月1212日，神舟六号，费俊龙、聂海胜日，神舟六号，费俊龙、聂海胜20082008年年9 9月月2525日，神舟七号，翟志刚、刘伯明、景海鹏日，神舟七号，翟志刚、刘
14、伯明、景海鹏20112011年年1111月月1 1日，神舟八号顺利升空日，神舟八号顺利升空20122012年年6 6月月1616日，神州九号日，神州九号20132013年年6 6月月1111日，神舟十号，聂海胜、张晓光、王亚平日，神舟十号，聂海胜、张晓光、王亚平20112011年年9 9月月2929日天宫一号发射升空日天宫一号发射升空20112011年年1111月，天宫一号与神舟八号飞船成功对接月，天宫一号与神舟八号飞船成功对接20122012年年6 6月月1818日神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器自动交会对接日神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器自动交会对接20132013年年6 6月，神舟飞船
15、与天宫一号、月，神舟飞船与天宫一号、天宫二号天宫二号顺利自动交会对接顺利自动交会对接20212021年年4 4月天和核心舱发射成功，月天和核心舱发射成功，5 5月天问一号着陆火星月天问一号着陆火星.我国的航天成就我国的航天成就20162016年年9 9月月1515日日2222时时0404分分1212秒，天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中秒，天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心发射。心发射。20162016年年1010月月1919日凌晨，神州十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。日凌晨，神州十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。航天员景海鹏、陈东进入天宫二号。航天员景海鹏、陈东进入天宫二号。20
16、172017年年9 9月月1717日日1515时时2929分，地面发送指令，天舟一号货运飞船与天宫二分，地面发送指令，天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室实施分离。号空间实验室实施分离。20182018年年9 9月月1515日，天宫二号空间实验室已圆满完成日，天宫二号空间实验室已圆满完成2 2年在轨飞行和各项年在轨飞行和各项试验任务，天宫二号平台及装载的应用载荷功能正常、状态良好。为试验任务，天宫二号平台及装载的应用载荷功能正常、状态良好。为进一步发挥空间应用效益。进一步发挥空间应用效益。20192019年年7 7月月1919日日2121时时0606分，天宫二号空间实验室受控离轨并再入大气层，
17、分，天宫二号空间实验室受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层，标少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层，标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。例例1 1：在太空中有两飞行器在太空中有两飞行器a a、b b，它们在绕地球的同一圆形轨，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，道上同向运行，a a在前在前b b在后，它都配有能沿运动方向向前或在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想向后喷气的发动机，现要想b b 尽快追上尽快追上a a 并完成对接，并完成对接，b
18、 b应采应采取的措施是（取的措施是（）A A、沿运动方向喷气、沿运动方向喷气 B B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气C C、沿运动反方向喷气、沿运动反方向喷气 D D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气B例例2 2、宇宙飞船和轨道空间站在同一轨道上运动，若飞船想与、宇宙飞船和轨道空间站在同一轨道上运动，若飞船想与前面的空间站对接，飞船为了追上轨道空间站，可采取的方前面的空间站对接，飞船为了追上轨道空间站，可采取的方法是：法是：()()A A飞船加速直到追上飞船加速直到追上B B飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再
19、加速追上空间站，飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站，完成对接完成对接C C飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站，完成对接飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站，完成对接D D无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接B例题例题3.3.如如图是在同一平面不同轨道上运行的两颗人造地球卫星。设它图是在同一平面不同轨道上运行的两颗人造地球卫星。设它们运行的周期分别是们运行的周期分别是T T1 1、T T2 2，(T(T1 1T T2 2)，且某时刻两卫星相距最近。，且某时刻两卫星相距最近。问问：两卫星再次相距最近的时间是多少？两卫星再次相距最近的时
20、间是多少？两卫星相距最远的时间是多少？两卫星相距最远的时间是多少？地球解：解：依题意，依题意，T T1 1T T2 2，周期大的轨道半径，周期大的轨道半径大，故外层轨道运动的卫星运行一周的时间大，故外层轨道运动的卫星运行一周的时间长。设经过长。设经过t t两星再次相距最近两星再次相距最近 则它们运则它们运行的角度之差行的角度之差 两卫星相距最远时，它们运行的角度之差两卫星相距最远时，它们运行的角度之差 k=0.1.2k=0.1.2例例例例4.4.4.4.如如如如图图图图4 4 4 4所示，有所示，有所示，有所示，有A A A A、B B B B两颗行星绕同一颗恒星两颗行星绕同一颗恒星两颗行星绕
21、同一颗恒星两颗行星绕同一颗恒星O O O O做圆周运动，旋转方向做圆周运动，旋转方向做圆周运动，旋转方向做圆周运动，旋转方向相同。相同。相同。相同。A A A A行星的周期为行星的周期为行星的周期为行星的周期为T T T T1 1 1 1，B B B B行星的周期为行星的周期为行星的周期为行星的周期为T T T T2 2 2 2，在某一时刻两行星相距最近，在某一时刻两行星相距最近，在某一时刻两行星相距最近，在某一时刻两行星相距最近，则：（则：（则：（则：（）A.A.经过时间经过时间t=Tt=T1 1+T+T2 2，两行星再次相距最近，两行星再次相距最近B.B.经过时间经过时间 ，两行星再次相距
22、最近，两行星再次相距最近C.C.经过时间经过时间 ，两行星相距最远，两行星相距最远D.D.经过时间经过时间 ，两行星相距最远，两行星相距最远例例5 5、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1 1，然后，然后经点火使其沿椭圆轨道经点火使其沿椭圆轨道2 2运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道3 3。轨道轨道1 1、2 2相切于相切于P P点，点，2 2、3 3相切于相切于Q Q点。当卫星分别在点。当卫星分别在1 1、2 2、3 3上正常上正常运行时，以下说法正确的是（运行时，以下说法正确的是（）A
23、A、在轨道、在轨道3 3上的速率上的速率大于大于1 1上的速率上的速率B B、在轨道、在轨道3 3上的角速上的角速度小度小于于1 1上的角速度上的角速度C C、在轨道、在轨道2 2上经过上经过Q Q点点时的时的速率等于在速率等于在轨轨道道3 3上经过上经过Q Q点时的速率点时的速率D D、在轨道、在轨道1 1上经过上经过P P点时的加速度等于点时的加速度等于在在轨轨道道2 2上经上经过过P P点时的加速度点时的加速度 QP231BD例例6.(6.(多选多选)如图所示，若关闭动力的航天飞机在月球引力作用下如图所示，若关闭动力的航天飞机在月球引力作用下向月球靠近，并将与空间站在向月球靠近，并将与空
24、间站在B B处对接，已知空间站绕月球做匀速处对接，已知空间站绕月球做匀速圆周运动的轨道半径为圆周运动的轨道半径为r r，周期为，周期为T T，万有引力常量为，万有引力常量为G G，下列说法，下列说法中正确的是（）中正确的是（）A A图中航天飞机正加速飞向图中航天飞机正加速飞向B B处处B B航天飞机在航天飞机在B B处由椭圆轨道进入空间站轨道时必须点火减速处由椭圆轨道进入空间站轨道时必须点火减速C C根据题中条件可以算出月球质量根据题中条件可以算出月球质量D D根据题中条件可以算出空间站受根据题中条件可以算出空间站受到月球引力的大小到月球引力的大小ABCABC解析解析:A:A对：航天飞机在飞向
25、对：航天飞机在飞向B B处的过程中，受到的引力方向和处的过程中，受到的引力方向和飞行方向之间的夹角是锐角，使航天飞机加速。飞行方向之间的夹角是锐角，使航天飞机加速。B B对：由运动的可逆性知，航天飞机在对：由运动的可逆性知，航天飞机在B B处要先减速才能由椭处要先减速才能由椭圆轨道进入空间站轨道。圆轨道进入空间站轨道。C C对：设绕月球飞行的空间站质量为对：设绕月球飞行的空间站质量为m m，据，据 =可以算出月球质量可以算出月球质量M M。D D错：空间站的质量未知，不能计算出空间站受到的月球引力错：空间站的质量未知，不能计算出空间站受到的月球引力大小。大小。答案：答案：ABCABC例例7.7
26、.（多选）如图所示，某次发射同步卫星时，先进入一个多选）如图所示，某次发射同步卫星时，先进入一个近地的圆轨道，然后在近地的圆轨道，然后在P P点经极短时间点火变速后进入椭圆点经极短时间点火变速后进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P P点，点，远地点为同步轨道上的远地点为同步轨道上的Q Q点），到达远地点时再次经极短时点），到达远地点时再次经极短时间点火变速后，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行间点火变速后，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为的速率为v v1 1，在，在P P点经极短时间变速后的速率为点经极短时间变速后的速率为v v2 2，沿转移轨，沿转移轨道刚到达远地点道刚到达远地点Q Q时的速率为时的速率为v v3 3，在，在Q Q点经极短时间变速后进点经极短时间变速后进入同步轨道后的速率为入同步轨道后的速率为v v4 4。下列关系正确的是（下列关系正确的是（）A Av v1 1vv3 3 B Bv v4 4vv1 1C Cv v3 3vv4 4D D v v4 4vv2 2BCDBCD