资源简介

6.5 宇宙航行
“供”“需”是否平衡决定物体做何种运动
供
提供物体做圆周运动的力
需
物体做匀速圆周运动所需的力
F=
匀速圆周运动
F<
离心运动
F>
向心运动
复习巩固
1.天体做圆周运动的向心力来源
知识回顾
两条基本思路
1、万有引力等于重力
2、万有引力提供向心力
人类自古就有飞天的梦想
人类航天始祖
美国火箭学家赫伯特·基姆在1945年出版的《火箭和喷气发动机》一书中提到，“约当14世纪之末，有一位名叫“万户”的中国官员，他在一把座椅的背后，装上47枚当时能买到的最大火箭。他把自己捆绑在椅子的前边，两只手各拿一个大风筝。然后叫他的仆人同时点燃47枚大火箭，其目的是想借火箭向前推进的力量，加上风筝上升的力量飞向前方。他的目标是月亮……”　。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，万户被世界公认为人类的航天始祖。为了纪念这位“人类第一个试图利用火箭飞行的人” ，国际天文联合会将月球上的一座环形山命名为“万户山”。
谁为人类迈向太空提供科学思想？
19世纪中叶俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基（喷气推进的多级火箭）
第一颗人造地球卫星何时何地发射成功？
1957年10月4日苏联
被人们尊称为“火箭之父”
第一艘载人飞船何时何地发射成功？
1961年4月12日 苏联 加加林 东方一号载人飞船
人类何时登上月球？
1969年7月16日9时32分，美国阿波罗11号升空，19日进入月球轨道，20日下午4时17分着陆，10时56分阿姆斯特朗踏上月面
对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大飞跃!
2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在重返地面的过程中突然发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航员，包括六名美国人及一名以色列人全部遇难。
无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙的道路。
1957年10月4日，苏联发射
第一颗人造地球卫星。
1961年4月12日苏联空军少校
加加林乘坐东方一号载人飞
船进入太空，实现了人类进
入太空的梦想。
1969年7月20日，阿波罗11
号将人类送上了月球。
梦想成真
1970年， “东方红一号”人造卫星发射 成功。这是中国发射的第一颗人造卫星
我国的航天成就
2007年10月24日嫦娥
一号月球探测器发射成功(嫦娥探月计划)
1992年载人航天工程正式启动
2005年10月12日
神舟六号
费俊龙聂海胜
2008年9月25日
神舟七号
翟志刚实现中国人首次太空行走
学.科.网
2003年10月15日9时，神舟5号宇宙飞船在酒泉卫星中心成功发射，将第一位航天员杨利伟送入太空绕行14圈，10月16日6时23分降落在内蒙古主着陆场
中国成为世界上第三个独立开展载人航天活动的国家
2011年，天宫一号发射成功：
—— 中国人开始建立太空空间站工程
2013年6月20日神舟十号王亚平太空授课https://v.qq.com/x/page/c0302vfhp2l.html
2013年12月14日嫦娥三号在月球着陆成功
2010年10月1日嫦娥二号发射成功
神舟八号
神舟九号
爱因斯坦曾说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”。你想加入破解它的行列吗？
神舟十号
抛出的石头会落地，为什么卫星、月亮没有落下来？要使抛出的物体不落回地面必须具备什么条件？
问题：
从高山上把物体水平抛出，抛出的速度v越大时，落地点越远，速度不断增大，将会出现什么结果？
牛顿的猜想：
在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想抛出物体速度足够大时，物体就不会落回地面。它将成为一颗绕地球运动的人造地球卫星.
牛顿设想：抛出速度很大时，物体就不会落回地面
【方法一】万有引力提供物体作圆周运动的向心力
【方法二】在地面附近，重力提供物体作圆周运动的向心力
问题：那么，抛出速度为多大时，物体将不会落回地面而绕着地球表面运动呢？
(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2 , 地球质量M=5.98×1024kg, 地球半径R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2 )
宇宙速度：
v=7.9km/s，这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，称为：第一宇宙速度
说明：
如果卫星的速度小于第一宇宙速度，卫星将落到地面而不能绕地球运转；
等于这个速度，卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动；
假若卫星发射后不再补充能量，那么要发射一颗人造地球卫星，其发射速度就不能小于第一宇宙速度。
（1）第一宇宙速度
解：设地球质量为M，地球半径为R，地球的第一宇宙速度为v，月球的质量为M1,月球的半径为R1,月球的第一宇宙速度为v1
v= =7.9Km/s
= = =1.76Km/s
物体在月球表面附近做匀速圆周运动仍然有
得v1=
例：月球的质量约为地球的1/81,半径约为地球半径的1/4,地球的第一宇宙速度为7.9km/s,则月球的第一宇宙速度约为多少?
不同星球的宇宙速度一般是不一样的
发射速度与运行速度
发射速度：发射物（卫星）离开发射装置时的速度，发射后
再不能补充能量，卫星离地面越高发射速度越大，
近地卫星发射速度最小
运行速度（环绕速度）：卫星进入轨道后的线速度，轨道
越高（r越大），运行速度越小
注意：1、近地卫星： 其他卫星：
2、向轨道越高处发射卫星越难，因为克服地球的引
力需要消耗的能量越多，发射所需速度越大，
v=11.2km/s，这时物体会克服地球的引力，成为太阳系的一颗“小行星”
说明：若速度大于7.9km/s而小于11.2km/s，物体绕地球运动的轨迹不是圆，是椭圆，但还在地球的引力范围之内。
思考：若发射速度大于7.9km/s，物体将怎样运动？
（2）第二宇宙速度
发射到火星的探测器
需要速度大于等于第二宇宙速度
发射“旅行者”宇宙探测器需要探测器的速度大于等于第三宇宙速度
v=16.7km/s，这时物体会摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间。
（3）第三宇宙速度
第一宇宙速度：v=7.9km/s（离开地面）
第二宇宙速度：v=11.2km/s（离开地球，到太阳系）
第三宇宙速度：v=16.7km/s（离开太阳系）

地球
v2=11.2km/s(离开地球，成为太阳系中的“小行星”)
v3=16.7km/s（到太阳系外）
11.2km/s>v>7.9km/s
v1 7.9km/s
宇宙速度：
≤
?
美国有部电影叫《光速侠》，是说一个叫 Daniel Light 的家伙在一次事故后，发现自己拥有了能以光速奔跑的能力．
根据所学物理知识分析，如果光速
侠要以光速从纽约跑到洛杉矶救人，可能实现吗？
思考
提示：不可能实现．当人或物体以大于第一宇宙速度的速度在地表运动时，会脱离地表，到达外太空，即在地表运动的速度不能超过 7.9 km/s.
人造卫星运行的动力学方程（r—v—ω—T）
结论：“越高越慢”三个名称中带“速度”的物理量随半径的增大而减小，周期随半径的增大而增大。
“高轨低速长周期”
由F引=Fn知轨道平面
一定经过地球中心；
思考:
哪条轨道可能是人造卫星的运行轨道？
ABC
人造卫星：
注意：卫星绕地球运行轨道可以是圆轨道，也可以是椭圆轨道，此时地心是椭圆的一个焦点，遵循开普勒第三定律
赤道轨道
极地轨道
倾斜轨道
思考:同步卫星的轨道属于哪一种？
人造卫星：
同步卫星
1、同步卫星（通讯卫星）：
相对于地面静止的 人造卫星，它在轨道上跟着地球自西向东同步地做匀速圆周运动
2、同步卫星的高度h固定（距地表的距离）
由F引=Fn得
解得:h=3.6×107m
人造卫星：
T＝24h.
轨道与赤道平面重合，
方向与自转方向相同
h=3.6×107m，v=3.1×103m/s
3、特点:
h=3.6×107m
v=3.1×103m/s
T=24h
h=3.8×108m
v=1km/s
T=27天
h≈0
v=7.9km/s
T=84分钟
同步卫星
近地卫星
月球
近地卫星
同步卫星
月球
R
h+R=6.5R
θ
至少需要3颗。
思考：要想使同步卫星信号能够覆盖完整个赤道，至少需要多少颗同步卫星？
为了卫星之间不互相干扰，大约3°左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。空间位置是一种极其有限的资源。
美国全球卫星导航定位系统GPS
俄罗斯格罗纳斯系统
欧洲伽利略系统
中国的北斗卫星系统
“北斗”，既是中国的，也是世界的。“北斗”卫星导航系统预计到2020年完全建成，它将为全球用户提供稳定、可靠、优质的导航服务，并与世界其他导航系统携手，共同促进人类文明和社会发展。
资源卫星
技术实验卫星
科学探测卫星
通信卫星
快速侦测卫星
谷歌地图上显示的所有人造卫星,人类至今已发射约7000颗卫星，大约一半在轨，1/3在轨卫星正常工作,中国已成为卫星第二大国
要实现信号覆盖全球，不仅需要同步卫星，还需要倾斜轨道卫星。
1，实际的卫星发射过程
简化的卫星发射过程
火箭发射 火箭飞行过程中，除了受引力外，还受向前的推力。
大炮发射 卫星飞行过程中，只受引力，完全凭借惯性进入轨道。
38
1.发射
用多级火箭加速使卫星进入轨道
卫星发射的轨迹
进入轨道时，若F向=F引，卫星绕地球做匀速圆周运动。
1.发射
　　对于低轨道卫星来说一般直接入轨，即最后一级火箭发动机关机后，就可进入预定轨道。而中、高轨道卫星的发射需要滑行入轨，一般经历以下三个阶段：
①停泊轨道：h=200km~400km的圆形轨道。
②转移轨道：图中椭圆形轨道，地球为焦点。
③同步轨道：调整姿态实现电磁通讯。
40
2.变轨
停泊轨道（圆）—点火加速—转移轨道（椭圆）—点火加速—同步轨道（圆）
卫星由低轨变高轨：
卫星由低轨变高轨：
v3
v4
R
V2
A点
L
B点
1
2
3
为了节省能量,在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道1上
v1 ( 1轨道)
v2（2轨道近地点）
v3（2轨道远地点）
v4（3轨道）
????????>????????(加速到????轨????????>????????（近地点大于远地点）????????>????????（加速到????轨）????????>????????（????小????大）即????????>????????>????????>????????
?
V
F引
F引＜F向
(加速)
F引＞F向
(减速)
卫星变轨原理：
M
m
在A点万有引力相同
A
总结：
(1)F引=F向，卫星做圆周运动
(2)F引(3)F引>F向，卫星做近心运动（到低轨道，回收）
“供”“需”是否平衡决定物体做何种运动
供
提供物体做圆周运动的力
需
物体做匀速圆周运动所需的力
卫星由高轨变低轨(低变高的逆过程)：
L
v4
v3
8:24 上午
43
3.回收
航天飞船与宇宙空间站的“对接”实际上就是一个做匀速圆周运动的物体通过变换轨道追赶另一个做匀速圆周运动的物体，本质仍然是卫星的变轨运行问题。
8:24 上午
44
4.对接
宇宙飞船与空间站的对接
空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何登到空间站，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船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。　　
思考：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？
8:24 上午
45
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。飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，便可实现对接，如图所示.
空间站
飞船
8:24 上午
46
天体的追及相遇问题：
相距最近（追上）：2kπ 相距最远：（2k+1）π k=0,1,2….
BD
课堂小结
1、航天发展史
2、三种宇宙速度：
v1=7.9km/s
v2=11.2 km/s
v3=16.7 km/s
3、人造卫星:发射、变轨、回收、对接
4、天体的追击相遇问题

地球
v2=11.2km/s(离开地球，成为太阳系中的“小行星”)
v3=16.7km/s（到太阳系外）
11.2km/s>v>7.9km/s
v1 7.9km/s
【典例】同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星（??? ）
A.它可以在地面上任一点的正上方，且离地心距离可按需要选择不同的值
B.它可以在地面上任一点的正上方，但离地心距离是一定的???
C.它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要选择不同的值
D.它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的
D
A．一定等于 7.9 km/s
B
B．等于或小于 7.9 km/s
C．一定大于 7.9 km/s
D．介于 7.9 km/s 和 11.2 km/s 之间
人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，
其速率（ ）
(多选)如图 所示，T 代表“天宫一号”飞行器，S 代表“神舟”八号飞船，它们都绕地球做匀速圆周运动，则（ ）
A.T 的周期大于 S 的周期
B.T 的线速度大于 S 的线速度
C.T 的向心加速度大于 S 的向心加速度
D.S 和 T 的速度都小于环绕速度 7.9 km/s
AD
解:由万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力得
设第一宇宙速度为v1,卫星的轨道速度为v2
它的轨道速度是第一宇宙速度的0.5倍
【典例】发射一颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星,如果它的轨道半径是地球半径的4倍,它的轨道速度是第一宇宙速度的多少倍？
火星的半径为地球半径的一半，火星的质量为地球质量的1／9,若要在火星上发射一颗近地人造卫星，那么该卫星环绕火星的第一宇宙速度是多少?
例 两个靠得很近的天体，离其他天体非常遥远，它们以其连线上某一点O为圆心各自做匀速圆周运动，两者的距离保持不变，科学家把这样的两个天体称为“双星”，如图6所示.已知双星的质量分别为m1和m2，它们之间的距离为L，引力常量为G，求双星的运行轨道半径r1和r2及运行周期T.
8:24 上午
55
例：已知地球半径是6400km，地球自转周期24h，地球质量5.89×1024kg，引力常量Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2 ，若要发射一颗地球同步卫星，试求：
（1）地球同步卫星的离地面高度h
（2）地球同步卫星的环绕速度v

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