資源簡介

(共37張PPT)
7.4 宇宙航行
課堂引入
從嫦娥奔月到萬戶飛天，從阿波羅11號登月到天問一號的火星之旅，人類一直都夢想飛往太空，那要怎樣才能實現(xiàn)呢？
牛頓的設(shè)想
英國科學(xué)家牛頓(1643-1727)
在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面。
如圖所示，在 1687 年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次遠；拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。
牛頓的設(shè)想
你知道這個速度究竟有多大嗎？
思考：衛(wèi)星需要多大速度才能繞地球做勻速圓周運動？又是什么力提供向心力呢？
衛(wèi)星繞地球近似可以看做勻速圓周運動。
萬有引力提供向心力。
物體做圓周運動的軌道半徑為r、地球半徑為R、物體距地面高度h。r=R+h
r
R
近地衛(wèi)星距地面高度在100km--200km左右，遠小于地球半徑。
因為，R遠大于h。r=R+h約等于R
代入得：
第一宇宙速度
F引
物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動時，可近似認為向心力是由重力提供的，有：
一、宇宙速度
小結(jié)：如何計算第一宇宙速度
衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度——第一宇宙速度
地球?qū)πl(wèi)星的引力提供
衛(wèi)星做勻速圓周運動
計算方法一：
則
地球表面重力提供
向心力
計算方法2：
則
貼著地球表面飛行，軌道半徑r=地球半徑R
地面附近發(fā)射飛行器，如果它的速度大于7.9km/s會怎樣呢？
閱讀書本P60面相關(guān)內(nèi)容
一、宇宙速度
A
理論研究表明，在地面附近的A點，以速度v發(fā)射飛行器。
v
1
若：v=7.9km/s，飛行器沿圓形軌道1在地面附近繞地心勻速圓周運動。
2
若：11.2km/s>v>7.9km/s，飛行器沿軌道2(橢圓軌道)運動。
3
速度v越大，軌道的遠地點離地球越遠。
若：速度v=11.2km/s呢？
第一宇宙速度（環(huán)繞速度）
v
A
3
當速度v=11.2km/s，飛行器將沿軌道4（白色虛線）運動，只是這個橢圓軌道的遠地點在離地球無限遠處，飛行器將脫離地球引力束縛，永遠離開地球。
第二宇宙速度（脫離速度）
2
1
當速度v=16.7km/s，飛行器將脫離太陽引力束縛，飛到太陽系以外。
4
第三宇宙速度（逃逸速度）
旅行者一號（飛出太陽系）
發(fā)射速度v 運動情況
v<7.9km/s 物體落回地面
v=7.9km/s 繞地球表面，勻速圓周
7.9km/s11.2km/s≤v<16.7km/s 物體繞太陽運動
16.7km/s≤v 物體飛出太陽系
三個宇宙速度
“嫦娥五號”在月球最大的月海風(fēng)暴洋北緣的呂姆克山附近登陸，采集到月球土壤樣品后，于2020年12月17日成功帶回地球供科學(xué)家研究。嫦娥五號從月球返回時，先繞月球做圓周運動，再變軌返回地球。已知地球與月球的半徑之比為4:1，地球表面和月球表面的重力加速度之比為6:1，地球的第一宇宙速度為7.9km/s，則月球第一宇宙速度約為（　　）
A．1.6km/s B．6.4km/s C．7.9km/s D．38km/s
A
針對訓(xùn)練
二.人造地球衛(wèi)星
思考：將各種衛(wèi)星繞地球運動都近似看成勻速圓周運動，你能推出衛(wèi)星環(huán)繞線速度、角速度、周期、向心加速度與軌道半徑的關(guān)系嗎？
二.人造地球衛(wèi)星
思考：人造衛(wèi)星繞地球運動時受到哪些力？又是哪些力提供向心力？
F引
地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供向心力
基本思路：將環(huán)繞地球運動的衛(wèi)星視為做勻速圓周運動，由萬有引力充當向心力：F引=Fn
運動規(guī)律
二.人造地球衛(wèi)星
在地球表面忽略地球自轉(zhuǎn)：
G=F引
R為地球半徑
r為衛(wèi)星轉(zhuǎn)動半徑
二.人造地球衛(wèi)星
說明：
①
只適用衛(wèi)星軌道為圓軌道
②
r增大
an減少
v減少
ω減少
T增大
高軌低速長周期
只適用衛(wèi)星軌道為圓軌道，且僅由萬有引力提供向心力
如圖所示為地球的三個衛(wèi)星，1、2在同一個軌道，3是同步衛(wèi)星，問：v1、v2、v3大小關(guān)系如何？
2
1
3
4
若在赤道上有一物體4隨地球一起轉(zhuǎn)動問：v1、v2、v3、v4大小關(guān)系又如何？
v1=v2>v3
v1=v2>v3>v4
思考：向高軌道發(fā)射衛(wèi)星與發(fā)射近地衛(wèi)星相比,哪個需要的發(fā)射速度大？為什么？
注意：人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與環(huán)繞速度是兩個不同的概念
發(fā)射速度 指被發(fā)射物體離開地面時的速度
環(huán)繞速度 指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動的線速度
二.人造地球衛(wèi)星
說明：
③高軌道發(fā)射速度大于低軌道發(fā)射速度，但環(huán)繞速度小于低軌道
衛(wèi)星的r越大，需要的v發(fā)射越大，而v環(huán)繞越小
思考：想發(fā)射一顆衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動，最小發(fā)射速度是多少？（提示：從衛(wèi)星最小半徑考慮）
第一宇宙速度（ V1=7.9km/s ）
最小發(fā)射速度
最大環(huán)繞速度
二.人造地球衛(wèi)星
衛(wèi)星的r越大，需要的v發(fā)射越大，而v環(huán)繞越小
1970年4月24日，我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號”發(fā)射成功。
二、人造衛(wèi)星
1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功。
二.人造地球衛(wèi)星
錢學(xué)森，世界著名科學(xué)家，空氣動力學(xué)家，中國載人航天奠基人，“中國科制之父”和“火箭之王”，由于錢學(xué)森回國效力，中國導(dǎo)彈、原子彈的發(fā)射向前推進了至少20年。
曾任美國麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院教授。1950年錢學(xué)森回國受阻，并受美國方面監(jiān)禁，1955年，在毛澤東主席和周恩來總理的爭取下回到中國。
中國航天之父
中國航天之父：錢學(xué)森（1911.12.11－2009.10.31）
. (多選)三顆人造地球衛(wèi)星A、B、C繞地球做勻速圓周運動，如圖所示，已知mA＝mB=mC，則對于三顆衛(wèi)星，正確的是(　　 )
ABD
針對訓(xùn)練
針對訓(xùn)練
書本P64面第2題
人造衛(wèi)星軌道
如圖所示，A、B、C、D四條軌道中可以作為衛(wèi)星軌道的是哪一條？
A
B
C
D
根據(jù)：衛(wèi)星做圓周運動的向心力必須指向地心
衛(wèi)星運動軌道特點：
萬有引力提供向心力，所以軌道平面一定經(jīng)過地球中心，衛(wèi)星圍繞地球的中心做勻速圓周運動。
問題：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周？可以有哪些軌道？
注：所有衛(wèi)星軌道一定過地心
1、近地衛(wèi)星：指衛(wèi)星軌道半徑近似等于地球半徑，即貼近地表。
三、人造地球衛(wèi)星的分類
思考：近地衛(wèi)星周期是多少？
思考：若地球質(zhì)量M未知如何求？
=84.6min
思考：人造衛(wèi)星的周期能否為24小時？
2.同步衛(wèi)星：指相對于地面靜止的人造衛(wèi)星，它跟著地球做勻速圓周運動，周期T=24h
（1）所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道正上方的一個確定軌道，即同步衛(wèi)星軌道平面與赤道平面重合。
人造地球衛(wèi)星的分類
三、人造地球衛(wèi)星的分類
三、人造地球衛(wèi)星的分類
思考：同步衛(wèi)星離地面高度是多少？
h
R
2.同步衛(wèi)星：
同步衛(wèi)星軌道半徑：r=
思考：若地球質(zhì)量M未知如何求？
黃金代換：GM=gR2
≈6.6R
三、人造地球衛(wèi)星的分類
思考：同步衛(wèi)星速度多少？
h
R
2.同步衛(wèi)星：
思考：為何小于第一宇宙速度？
高軌低速長周期
思考：每個國家發(fā)射的同步衛(wèi)星是不是在同一個軌道？
在同一軌道，都在赤道平面內(nèi)
（2）同步衛(wèi)星的“六個一定”
②定軌道平面：赤道平面
①定周期：T=24h
⑤定位置:赤道上空高36000km的圓周上某點
③定軌道半徑:r=6.6R
④定速率:v=3.08km/s
⑥定向心加速度:
三、人造地球衛(wèi)星的分類
（3）同步衛(wèi)星的用途：
主要用于通信，故也稱通信衛(wèi)星。3顆同步衛(wèi)星可實現(xiàn)全球覆蓋,為了使同步衛(wèi)星之間不相互干擾，大約3°左右才能放置一顆同步衛(wèi)星，也就是說，地球上空只能放下120顆同步衛(wèi)星。截止2012年，已發(fā)射100多顆。
三、人造地球衛(wèi)星的分類
針對訓(xùn)練
書本P71面B組第4題
1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員加加林進入了東方一號載人飛船。火箭點火起飛，飛船繞地球飛行一圈，歷時108 min，然后重返大氣層，安全降落在地面，鑄就了人類首次進入太空的豐碑。
四、載人航天與太空探索
1969年7月16日9時32分，運載阿波羅11號飛船的土星5號火箭在美國卡納維拉爾角點火升空，拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷幕。7月20日下午10時56分，指揮長阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并說出了那句載入史冊的名言：“對個人來說，這不過是小小的一步，但對人類而言，卻是巨大的飛躍。”
四、載人航天與太空探索
2003年10月15日9時，我國神舟五號宇宙飛船把中國第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后安全降落。這標志著中國成為世界上能夠獨立開展載人航天活動的國家。在載人航天方面，繼神舟五號之后，截至2017年底，我國已經(jīng)將11名(14人次)航天員送入太空，包括兩名女航天員。
四、載人航天與太空探索
課堂小結(jié)
宇
宙
航
行
宇宙速度
第一宇宙速度（環(huán)繞速度）:
第二宇宙速度（脫離速度）:
第三宇宙速度（逃逸速度）:
v2=11.2km/s
v1=7.9km/s
v3=16.7km/s
同步衛(wèi)星
第一宇宙速度物理意義
是人造地球衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度
是在地面附近發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度
是人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最大運行速度
定義：相對于地面靜止的，跟地球自轉(zhuǎn)同步的衛(wèi)星，
同步衛(wèi)星也叫通訊衛(wèi)星。
特點：
①定周期；②定軌道平面； ③定高度；④定速度
人造地球衛(wèi)星運行的規(guī)律

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