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宇宙航行上课PPT


第5节 宇宙航行

中 国 人 的 飞 天 梦

外国人的“飞天”梦

飞天之梦的历史

一、牛顿关于卫星的设想 问 题 情 境
问题: 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. 月球也要受到地球引力的作用 , 为什么月亮 不会落到地面上来?
由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转 , 此时月球受 到的地球引力 ( 即重力 ), 用来充当绕地球运转的向心力 , 故 月球不会落到地面上来.

一、牛顿关于卫星的设想 问 题 情 境
问题:
物体做平抛运动时,水平速度越大,飞行的 V 水平距离越远。
0
O

A

B

C

D

2. 若抛出物体的水平初速度足够大 , 物体将会 怎样?试大胆猜想。
由于地球是一个圆球 , 当平抛的水平初速度足够大时 , 物体飞行的距离也很大 , 故物体不能再 落回地面 , 而成为 一颗绕地球运转的卫星.

一、牛顿关于卫星的设想
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 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 图

二、宇宙速度 思考?
1. 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?
推导方法一:万有引力提供物体作圆周运动的向心力

GMm

v2 GM ? m ,v ? 2 R R R

推导方法二:地表附近,重力近似等于万有引力

v2 ? mg ? m , gR2 ? GM , v ? gR R R2 g=9.8m/s2,R=6400km,代入数据得:v ? 7.9km / s GMm

人们把7.9km/s这个速度称作第一宇宙速度,又叫环绕速度。 如果发射速度如小于第一宇宙速度,卫星将落到地面; 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 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。

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二、宇宙速度
问题: 若卫星的发射速度大于7.9km/s ,会怎样呢?
第三宇宙速度:物体挣脱太阳引力,飞出太阳系的速度. (逃逸速度)
V = 16.7 km/s V = 7.9km/s V = 11.2 km/s

第二宇宙速度:物体克服地球引力,永远脱离地球的速度. (脱离速度) 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 .

(环绕速度)
11.2 km/s >V > 7.9 km/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“扁”。

二、宇宙速度
1、当发射速度为7.9km/s, 物体恰好环绕地球表面做圆周运动; 2、当发射速度大于7.9km/s 时: ① 7.9km/s<V<11.2km/s,但环绕速度<7.9km/s 物体仍绕地球运行,但径迹是椭圆; ② 11.2km/s<V<16.7km/s 物体脱离地球的吸引而围绕太阳运行; ③ V>16.7km/s 物体脱离太阳的吸引,而成为自由天体。

三、人造地球卫星运行的规律
表征人造卫星运行状态的物理量有三个:
环绕速度v, 转动半径r(或R+h,h为离地的高度) 转动周期T. 将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动,则卫 星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系: 2 Mm v2 4 ? G ?m ? m? 2 r ? m( )r ? man r r2 T2

GM 1 v? ,即v ? r r
4? 2 r 3 T? ,即T ? r 3 GM

??

GM r
3

,即? ?

1 r3

a?

GM r2

,即a ?

1 r2

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。 所以,第一宇宙速度是发射卫星的最 小发射速度,也是卫星绕地球做圆周运动 的最大运行速度。
(补充):卫星发射速度和卫星运行速度的区别

三、人造地球卫星运行的规律
发射速度: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,被发射物仅 依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度、 进入运动轨道; 运行速度:卫星在进入运行轨道后绕地球做圆 周运动的线速度。所以,第一宇宙速度是发射人 造卫星的最小速度,也是卫星绕地球做圆周运动 的最大速度。

三、人造地球卫星运行的规律

问题:
将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度哪 一个更大?哪一个更容易?为什么? 向高轨道发射卫星时, 需要的初速度越大 ,
火箭克服地球对卫星的引力而作更多的功,对火箭 的要求更高一些,所以比较困难.

四、课堂练习

[ 例题 ]: 我国发射的第一颗探月卫星“嫦娥一号”
的轨道半径是圆形的,且贴近月球表面。已知月球质量约 为地球质量的 1/80 ,月球的半径约为地球半径的 1/4 ,地 球上的第一宇宙速度约为 7.9km/s ,求“嫦娥一号”探月 卫星绕月球运行的速率?

人类探索太空的过程

1969年7月20日,美国宇航员尼 尔·阿姆斯特朗、迈克尔·柯林 斯、巴兹·奥尔德林 ( 上图从左至 右),成功登月。 1984 年 , 美 国宇航员布鲁 2001年,第一位太空游客美国人蒂 左图为月球上的奥尔德林,头 1961年,苏联宇航员尤里 · 加加林,完成人类历史 斯 · 麦坎德利斯离开航天飞机 320 盔中人影为阿姆斯特朗。 托 ( 中 ) ,进入国际空间站,开始太空观 上第一次宇宙飞行,人类飞天梦想终于变成现实。 英尺,完成人类首次无安全索太空 1963 年,瓦莲蒂娜· 捷列什科娃, 光。 行走。

人类第一位进入太空的女性。

阿波罗11号宇航员在月球上的视频

点 击 图 片 即 播 放

我国载人航天回顾
2005年 “神舟”六号 首次“多人多天”空间飞行 2008 年 “神舟”七号 首次太空行走 2003年 “神舟”五号 中国人“飞天”梦圆 美味佳肴飘进来
奉 命 出 征

成功返航
费 俊 龙 在 做 身 体 检 我国首位航天员杨利伟 查

杨利伟在太空展示中国和联合国国旗

五、课堂小结
1、三个宇宙速度:
v1=7.9km/s(会推导);v2=11.2 km/s; v3=16.7 km/s

2、研究天体运动,包括人造卫星的运动基本方法: 把天体或人造卫星的运动看作匀速圆周运动,且 万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力,

(v为线速度、ω为角速度、T为周期、n为转速)

布置作业

1. 阅读教材后边“科学漫步”和“ STS” 的材料;
2.将学生分组 , 上网查阅黑洞、同步卫星 的相关资料,并制作汇报PPT或书面报告,下节 课进行交流共享。

下课! 同学们休息一下!


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