河北省邢台市高中物理 第六章 万有引力与航天 6.5 宇宙航行2课件 新人教版必修2.ppt

6.5 6.5 6.5 6.5 宇宙航行宇宙航行宇宙航行宇宙航行复习回顾：复习回顾：1、万有引力定律的两类问题？万有引力定律的两类问题？2、万有引力定律万有引力定律问题的应用？问题的应用？一、一、300300多年前牛顿的设想多年前牛顿的设想 牛顿就曾设想牛顿就曾设想, , 从高山上用不从高山上用不同的水平速度抛出物体同的水平速度抛出物体, ,速度速度一次比一次大一次比一次大, ,则落点一次比则落点一次比一次远一次远, ,如不计空气的阻力如不计空气的阻力, ,当当速度足够大时速度足够大时, , 物体就永远不物体就永远不会落到地面上来会落到地面上来. .1 1、牛顿对人造卫星原理的描绘牛顿对人造卫星原理的描绘探究问题一：以多大的速度抛出这个物体，它才会探究问题一：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？绕地球表面运动，不会落下来？(已知已知ＧＧ=6.67×10-11Nm2/kg2 , 地球质量地球质量M=5.89×1024kg, 地球半径地球半径R=6400km) 建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动基本思路：卫星绕地球做圆周运动的基本思路：卫星绕地球做圆周运动的向心力向心力由地球对卫星的由地球对卫星的万有引力万有引力提供提供思考思考: : 这个速度至少多大？这个速度至少多大？请你用学过的知识推出请你用学过的知识推出: 卫星在轨道上运动速度的表达式。

卫星在轨道上运动速度的表达式设地球和卫星的质量分别为设地球和卫星的质量分别为M和和m，卫星到，卫星到地心的距离为地心的距离为r，卫星运动的速度为，卫星运动的速度为v近地卫星：轨道半径近地卫星：轨道半径r近似等于地球半径近似等于地球半径R r≈R1、第一宇宙速度、第一宇宙速度（环绕速度）（环绕速度）是卫星在地面是卫星在地面附近附近环绕地球作匀速圆周运动所必环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度须具有的速度——第一宇宙速度第一宇宙速度 大小：大小：注意注意：：V=7.9km/s 是是最大最大环绕速度环绕速度（（ ））又是又是最小最小发射速度发射速度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，永远好能克服地球的引力作用，永远的的离开地球而绕太阳运动离开地球而绕太阳运动也叫脱离速度脱离速度注意：注意：发射速度发射速度 7.9km/s < v< 11.2km/s，卫星绕地，卫星绕地 球运动的轨迹不是圆，而是球运动的轨迹不是圆，而是椭圆椭圆；； v ≧ ≧ 11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕 地球运行地球运行。

3、第三宇宙速度、第三宇宙速度大小：大小：v=16.7km/s意义：以这速度发射，物体意义：以这速度发射，物体刚好能摆脱太阳引力的束缚刚好能摆脱太阳引力的束缚而飞到太阳系以外，也叫而飞到太阳系以外，也叫逃逃逸速度逸速度注意注意：发射速度：发射速度11.2km/s

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）：如果物体的速度如果物体的速度等于或大于等于或大于16.7km/s16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束缚，，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三宇宙速度指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度指被发射物体离开地面时的水平初速度指被发射物体离开地面时的水平初速度运行速度：运行速度：发发射速度：射速度：讨论：讨论： 某人造地球卫星距地面高某人造地球卫星距地面高h，绕地球做匀速，绕地球做匀速圆周运动地球质量为圆周运动地球质量为M，地球半径为，地球半径为R，，引力常量为引力常量为G 请用请用h、、R、、G、、M表示卫星的周期表示卫星的周期T、线速、线速 度度V、角速度、角速度ω、向心加速度、向心加速度an 高高轨道上运行的卫星，线速度轨道上运行的卫星，线速度小小、角速度、角速度小小，向，向 心加速度心加速度小小，周期，周期长长。

1）线速度、角速度和周期与轨道半径的关系呢？）线速度、角速度和周期与轨道半径的关系呢？ 线速率：线速率： 角速度：角速度：周期：周期：向心加速度向心加速度提示提示 ：同学们算算，近地卫星的：同学们算算，近地卫星的周期（最小周期）又是多少呢？周期（最小周期）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的卫的卫 星呢？星呢？不能！！不能！！ 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 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：①①①①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②②②②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③③③③一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 相对于地面静止且与地球自转同步的卫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星叫地球同步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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（（3）高度一定）高度一定（（ＲＲ＋＋ｈｈ）） 解得高度解得高度 ：ｈ＝：ｈ＝ km -G 关于地球同步卫星，下列说法正确的是（关于地球同步卫星，下列说法正确的是（ ））A.它的运行速度小于它的运行速度小于7.9km/sB.它的运行速度大于它的运行速度大于7.9km/s C.它的周期是它的周期是24h，且轨道平面于赤道平面重，且轨道平面于赤道平面重D.每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样的的u19571957年年1010月月4 4日，前苏联发射了日，前苏联发射了世界上第一颗世界上第一颗人造地球卫星人造地球卫星u19701970年年4 4月月2020日日我国我国发射了发射了第一颗第一颗人造地球卫星人造地球卫星世界航天及中国航天划时代标志：世界航天及中国航天划时代标志： u20032003年年1010月月1515日，日，神州五号神州五号载人宇宙飞船发射升空载人宇宙飞船发射升空把中国把中国第一位航天员杨利伟送入太空第一位航天员杨利伟送入太空u20072007年年9 9月月2424日日，，“嫦娥嫦娥一号一号”探月卫星发射升空，探月卫星发射升空，实现了中华民族千年奔月的实现了中华民族千年奔月的梦想梦想 u2008年年9月月27日，日，“神州七号神州七号”载人飞船实载人飞船实现了我国首次太空出舱的梦想现了我国首次太空出舱的梦想“20032003年年1010月月1515日日9 9时，时，我国神舟五号宇宙飞船我国神舟五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位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入太空。

飞船绕地球飞行航天员杨利伟送入太空飞船绕地球飞行1414圈圈后，于后，于1010月月1616日日6 6时时2323分分安全降落在内蒙古主安全降落在内蒙古主着陆场根据以上消息，根据以上消息，近似地把飞船从发近似地把飞船从发射到降落的全部运动看做绕地球的匀速圆周运射到降落的全部运动看做绕地球的匀速圆周运动动已知地球的质量为已知地球的质量为M=6.0M=6.0××10102424kgkg，地，地球的半径球的半径R=6400kmR=6400km）试估算神舟五号绕地球飞行时距地面的高度试估算神舟五号绕地球飞行时距地面的高度=264km 解：周期解：周期T约约1时时30分分 由由G（（ＲＲ＋＋ｈｈ）） 解得高度解得高度 ：ｈ＝：ｈ＝ “嫦娥一号嫦娥一号”卫星在距月球表面卫星在距月球表面200200公里、周期公里、周期127127分钟的圆形轨道上绕月球做匀速圆周运动分钟的圆形轨道上绕月球做匀速圆周运动已知月球半径约为已知月球半径约为1700km1700km，引力常量，引力常量 Nm2/kg2Nm2/kg2，忽略地球对，忽略地球对“嫦娥一号嫦娥一号”的引力作用。

的引力作用试求试求“嫦娥一号嫦娥一号” 绕月球做匀速圆周运动的线绕月球做匀速圆周运动的线速度？速度？解解: 由由 得得 v=1.57km/s1、宇宙速度、宇宙速度 7.9km/s 11.2km/s 16.7km/s 第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是在轨道上第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是在轨道上运行的最大速度运行的最大速度2、人造地球卫星、人造地球卫星 3 、同步卫星、同步卫星 定点在赤道上空，周期定点在赤道上空，周期T、高度、高度h、线速度、线速度v 一定T=24h h=36000km v=3.1km/s4 、梦想成真、梦想成真 （（1）世界的成就）世界的成就 （（2）中国的成就）中国的成就小结小结 问题与探究：问题与探究：1.收集资料，认识收集资料，认识地球同步卫星的发地球同步卫星的发射、变轨和应用射、变轨和应用2. 收集资料，收集资料，“嫦嫦娥一号的发射、变娥一号的发射、变轨以及轨以及“嫦娥工程嫦娥工程”的后期计划的后期计划 。

3.我国航天事业的前景我国航天事业的前景　　　　　　1.思考：对于绕地球运动的人造卫星：思考：对于绕地球运动的人造卫星：（（1）离地面越高，向心力越）离地面越高，向心力越( ) （（2）离地面越高，线速度越）离地面越高，线速度越( )（（3）离地面越高，周期越）离地面越高，周期越( )（（4）离地面越高，角速度越）离地面越高，角速度越( )（（5）离地面越高，向心加速度越）离地面越高，向心加速度越( )2. 2. 对于地球同步卫星的认识，正确的是：对于地球同步卫星的认识，正确的是： A.A.它们只能在赤道的正上方，但不同卫星的轨它们只能在赤道的正上方，但不同卫星的轨道半径可以不同，卫星的加速度为零道半径可以不同，卫星的加速度为零B.B.它们运行的角速度与地球自转角速度相同，它们运行的角速度与地球自转角速度相同，相对地球静止相对地球静止C.C.不同卫星的轨道半径都相同，且一定在赤道不同卫星的轨道半径都相同，且一定在赤道的正上方，它们以第一宇宙速度运行的正上方，它们以第一宇宙速度运行D.D.它们可在我国北京上空运行，故用于我国的它们可在我国北京上空运行，故用于我国的电视广播电视广播h=3.6×107mr=4.2×107mv=3km/sT=24hh=3.8×108mr≈3.8×108mv=1km/sT=27天天h≈0r=6.4×106mv=7.9km/sT=84分钟分钟同同步步卫卫星星近近地地卫卫星星月球月球三、近地卫星、同步卫星、月球三者比较三、近地卫星、同步卫星、月球三者比较 比较卫星在赤道上比较卫星在赤道上发射前发射前（（1状态）、状态）、发射到发射到近地轨道近地轨道时（时（2状态）、定位在状态）、定位在同同步轨道步轨道时（时（3状态）的状态）的v、、a、、T 的大小。

的大小v1