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(共40张PPT)
第四节 宇宙航行
*
任务一：建立模型推导第一宇宙速度
嫦娥奔月
敦煌飞天的美丽壁画
1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克”号，88.6kg，运行3个月掉入大气层。
1958月1月30日，美国发射第一颗人造卫星“丘比特-C”，8.3kg。
我国在1970年4月20日发射了第一颗人造地球卫星
2003年10月15日，神州五号载人宇宙飞船发射升空
你能用所学的知识建立模型，计算至少多大的速度才能成为卫星吗？地球半径6400ｋｍ。
牛顿１６８７年在《自然哲学的数学原理》中设想：抛出速度很大时，物体不会落回地面
人造卫星的发射原理
1.第一宇宙速度：(环绕速度）
V1=7.9km/s
地球
11.2km/s>v>7.9km/s
2.第二宇宙速度：　　　 　　(脱离速度)
V2=11.2km/s
V3=16.7km/s
3.第三宇宙速度：（逃逸速度）
→人造行星
→人造恒星
人造卫星
任务二：用离心运动理解椭圆运动和第二、第三宇宙速度
任务三：探究人造卫星的运行规律
用圆周运动的知识分析4个轨道中哪几个是可能的？
这些可能的轨道圆心或焦点有什么共同特点？
1.轨道特点
“高轨低速长周期”
人造卫星的轨道
极地轨道
一般轨道
赤道轨道
所有卫星都在以地心为圆心的轨道上(原因？）
平面
立体
赤道平面
人造卫星的轨道
2.人造卫星运行规律
设地球质量为M，卫星质量为m，卫星的绕行速度v 、角速度ω 、周期T、向心加速度a与轨道半径 r 的关系
r
(a、V 、ω 、T )
思路：万有引力提供向心力
(1)由 r越大,卫星的v越小。
(2)由 r越大,卫星的ω越小。
(3)由 r越大,卫星的T越大。
(4)由 r越大,卫星的an越小。
以上结论可总结为“一定四定,越远越慢”。
卫星运动情况(a、V 、ω 、T )是由 r 唯一决定
1
2
3
4
v1>v2=v3>v4
T1ω1>ω2=ω3>ω4
卫星运动情况(a、V 、ω 、T )是由 r 唯一决定
越远越慢！
我们能否发射一颗周期为80min的卫星？
近地卫星
方法一：
方法二：
3.概念辨析:发射速度和运行速度
（1）发射速度：是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度（一次需要达到的速度，不考虑多次加速）。
（2）运行速度：是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。
r↗ v↘
①宇宙速度均指发射速度
②第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度
4.地球同步卫星
（1）定义
所谓地球同步卫星，是相对于地面静止的和地球具有相同周期的卫星，同步卫星必须位于赤道平面内，且到地面的高度一定。
r v ω T a
“全部固定”
（2）地球同步卫星的运行特征
可概括为四个一定
①定轨道平面,其运行轨道平面在赤道平面内；
②定周期,即运行周期等于地球自转周期（24 h）
③定高度，即离地面高度一定（h=36000 km，约6.6R地）
④定速度，即运行速度一定（v≈3.1km/s）
（3）同步卫星的应用：主要用于通信
3颗同步卫星可实现全球覆盖
所以也叫通信卫星
*
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。可见，空间位置也是一种资源。
练习、甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是( )
A．甲的周期大于乙的周期
B．乙的速度大于第一宇宙速度
C．甲的加速度小于乙的加速度
D．甲在运行时能经过北极的正上方
AC
了解：人造卫星的超重和失重
1、发射和回收阶段
发射
加速上升
超重
回收
减速下降
超重
人在承受16g的重力加速度必将死亡，训练有素的飞行员能承受9G的重力，但会产生黑视现象，很危险。F1车手能承受6个G的重力，普通人3、4个G的重力就会感到极其难受，甚至昏厥
人造卫星的超重和失重
2、沿圆轨道正常运行
只受重力
a = g
完全失重
与重力有关的现象全部消失
天平
弹簧秤测重力
液体压强计
“嫦娥奔月” 图
（四）卫星变轨
V
F引
F引＜F向
F引＞F向
卫星变轨原理
M
m
A点速度—内小外大（在A点看轨迹）
在A点万有引力相同
A
·
思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其在高轨道上运行，应采取什么措施？
在低轨道上加速，使其沿椭圆轨道运行，当行至椭圆轨道的远点处时再次加速，即可使其沿高轨道运行。
卫星变轨原理
1、卫星在二轨道相切点
万有引力相同
速度—内小外大（切点看轨迹）
2、卫星在椭圆轨道运行
近地点---速度大，动能大
远地点---速度小，动能小
v
F引
1
2
R
卫星在圆轨道运行速度V1
V2
θ＞900
减小
卫星变轨原理
v3
F引
L
卫星变轨原理
使卫星进入更高轨道做圆周运动
v3
v4
卫星的回收
1.如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点，2、3相切于Q点。当卫星分别在1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是（ ）
A.在轨道3上的速率大于1上的速率
B.在轨道3上的角速度小于1上的角速度
C.在轨道2上经过Q点时的速率等于在轨道3上经过Q点时的速率
D.在轨道1上经过P点时的加速度等于在轨道2上经过P点时的加速度
Q
P
2
·
3
1
BD
2.如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将卫星发射至距地面高度为h1的近地轨道Ⅰ上．在卫星经过A点时点火实施变轨，进入远地点为B的椭圆轨道Ⅱ上，最后在B点再次点火，将卫星送入同步轨道Ⅲ.已知地球表面重力加速度为g，地球自转周期为T，地球的半径为R．求：
（1）近地轨道Ⅰ上的速度大小；
（2）远地点B距地面的高度。
解：
嫦娥奔月 发射、变轨、运行
2.2007年10月24日“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕
地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨
道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→
地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度
为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆
轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧ ，如图所示（ ）
A.“嫦娥一号”由⑤到⑥需加速、由⑦到⑧需减速
B.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度
C.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关
D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比
E.在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力
①
②
③
近地变轨
轨道修正
转移轨道
④
⑤
⑥
⑦
⑧
发射
D
3. 2007年10月24日，“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧ ，如图所示。若月球半径为R，试写出月球表面重力加速度的表达式
①
②
③
近地变轨
轨道修正
转移轨道
④
⑤
⑥
⑦
⑧
发射
（五）对接问题：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？
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，如图示。
空间站
飞船
对接方法：
例：在太空中有两飞行器a、b，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，a在前b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b 尽快追上a 并完成对接，b应采取的措施是（ ）
A、沿运动方向喷气
B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气
C、沿运动反方向喷气
D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气
B
展望未来
美国“凤凰”号火星探测器2007年8月4日发射，
2008年5月25日在火星着陆。
“卡西尼”号土星探测器
1997年10月15日发射升空，
2004年1日飞抵土星。
“先驱者”10号太空探测器
1972年3月2日发射升空， 1986年6月飞出太阳系

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