1、5 宇宙航行1.1.了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識。了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識。 2.2.知道三個宇宙速度的含義，會推導(dǎo)第一宇宙速度。知道三個宇宙速度的含義，會推導(dǎo)第一宇宙速度。3.3.知道發(fā)射速度與環(huán)繞速度的區(qū)別。知道發(fā)射速度與環(huán)繞速度的區(qū)別。嫦嫦娥娥奔奔月月敦煌的飛天壁畫敦煌的飛天壁畫思考：思考：地面上的物體，怎樣才能離開地球地面上的物體，怎樣才能離開地球？300300多年前，牛頓提出設(shè)想多年前，牛頓提出設(shè)想牛頓的猜想牛頓的猜想牛頓的手稿牛頓的手稿想一想想一想: :物體初速度達(dá)到多大時就可以發(fā)射成為一顆人造衛(wèi)星呢物體初速度達(dá)到多大時就可以發(fā)射成為一顆人造衛(wèi)星呢? ?一、人造衛(wèi)星的發(fā)射原理一、人造衛(wèi)星的

2、發(fā)射原理 方法一：由于衛(wèi)星在地球附近環(huán)繞時，衛(wèi)星做勻速圓方法一：由于衛(wèi)星在地球附近環(huán)繞時，衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力可看作由重力提供，根據(jù)牛頓第二定律得周運動的向心力可看作由重力提供，根據(jù)牛頓第二定律得 66.37 109.8m/s7.9km/svgR2vmgmR 方法二：衛(wèi)星做勻速圓周運動，由萬有引力提供向方法二：衛(wèi)星做勻速圓周運動，由萬有引力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律得心力，根據(jù)牛頓第二定律得22MmvGmrr112466.67 105.89 10m/s7.9km/s6.37 10GMvr由此可見：由此可見：V=7.9km/sV=7.9km/s，這就是物體在地面附近繞地球，這就是物體在地

3、面附近繞地球做勻速圓周運動所必須具備的最小發(fā)射速度，稱為：第做勻速圓周運動所必須具備的最小發(fā)射速度，稱為：第一宇宙速度一宇宙速度 在地面附近在地面附近發(fā)射飛行器，如發(fā)射飛行器，如果它的速度大于果它的速度大于7.9km/s7.9km/s會怎樣會怎樣呢？呢？1.1.第一宇宙速度：第一宇宙速度：v=7.9km/s v=7.9km/s ( (地面附近、勻速圓周運動）地面附近、勻速圓周運動）2.2.第二宇宙速度：當(dāng)物體的速度大于或等于第二宇宙速度：當(dāng)物體的速度大于或等于11.2km/s11.2km/s時，衛(wèi)時，衛(wèi)星就會脫離地球的吸引，不再繞地球運行。我們把這個速度星就會脫離地球的吸引，不再繞地球運行。我

4、們把這個速度叫作第二宇宙速度。達(dá)到第二宇宙速度的物體還受到太陽的叫作第二宇宙速度。達(dá)到第二宇宙速度的物體還受到太陽的引力。引力。3.3.第三宇宙速度：如果物體的速度大于或等于第三宇宙速度：如果物體的速度大于或等于16.7km/s16.7km/s，物，物體就擺脫了太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙空間去。體就擺脫了太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙空間去。這個速度叫第三宇宙速度。這個速度叫第三宇宙速度。二、宇宙速度二、宇宙速度 16.7km/s 16.7km/s稱為第三稱為第三宇宙速度。宇宙速度?！奥眯姓呗眯姓? 1號號”探測器探測器19881988年飛出太陽系年飛出太陽系 V運行v運行速度

5、：運行速度：指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動的線速度。指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動的線速度。v發(fā)射速度：發(fā)射速度：指被發(fā)射物體離開地面時的水平初速度。指被發(fā)射物體離開地面時的水平初速度。注意：注意：（1 1）第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度）第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度, ,最大的環(huán)繞速度。最大的環(huán)繞速度。 （2 2）發(fā)射高軌道衛(wèi)星比發(fā)射低軌道衛(wèi)星困難，原因是發(fā)射發(fā)射高軌道衛(wèi)星比發(fā)射低軌道衛(wèi)星困難，原因是發(fā)射高軌道衛(wèi)星時火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龈嗟墓?。高軌道衛(wèi)星時火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龈嗟墓Α發(fā)射例例1.1.發(fā)射一顆繞地球做勻速圓周運動的人造衛(wèi)星發(fā)射一顆繞地球做勻速圓周運動的人造衛(wèi)星,

6、 ,如果它如果它的軌道半徑是地球半徑的的軌道半徑是地球半徑的4 4倍倍, ,它的軌道速度是第一宇宙它的軌道速度是第一宇宙速度的多少倍？速度的多少倍？211212vrvr2112vv解解: :萬有引力提供衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力，根據(jù)牛萬有引力提供衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力，根據(jù)牛頓第二定律有頓第二定律有22MmvGmrr整理得整理得設(shè)第一宇宙速度為設(shè)第一宇宙速度為v v1 1, ,衛(wèi)星的軌道速度為衛(wèi)星的軌道速度為v v2 2 GMvr練習(xí)練習(xí)1.A1.A星球的第一宇宙速度為星球的第一宇宙速度為9km/s9km/s，已知，已知B B星球的質(zhì)量是星球的質(zhì)量是A A星球質(zhì)量的星球質(zhì)量的1/811/

7、81，A A星球半徑是星球半徑是B B星球半徑的星球半徑的4 4倍，則在倍，則在B B星星球上發(fā)射球上發(fā)射“近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星”的環(huán)繞速度約為的環(huán)繞速度約為 km/skm/s。解解: :22MmvGmrr整理得整理得29BB AAA BvM rvM r22/9BAvvkm s2 2rGMv 例2.關(guān)于第一宇宙速度，下列說法中正確的是 （ ）A.它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B.它是人造地球衛(wèi)星在近地圓形軌道上的運行速度C.它是能使衛(wèi)星進(jìn)入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度D.它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時近地點的速度BCBC三、人造衛(wèi)星的運動規(guī)律三、人造衛(wèi)星的運動規(guī)律1.1.衛(wèi)星繞地球的運動和受力特點

8、衛(wèi)星繞地球的運動和受力特點 衛(wèi)星繞地球做圓周運動，地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力衛(wèi)星繞地球做圓周運動，地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供向心力。提供向心力。F F引引 = F= F向向 2.2.衛(wèi)星的動力學(xué)方程衛(wèi)星的動力學(xué)方程 (r-V-T(r-V-T的關(guān)系的關(guān)系) )地球地球V VTTr rR Rr rM M m m22222 TmrmrrVmrMmG 22222()MmvGmmrmrmgrrT22MmvGmrrGMvr1vr22MmGmrr3GMr31r222()MmGmrrT32rTGM3Tr2MmGmar2GMar21ar地球地球思考：思考：對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：（1 1）離

9、地面越高，向心力越）離地面越高，向心力越_ _ （2 2）離地面越高，線速度越）離地面越高，線速度越_（3 3）離地面越高，周期越）離地面越高，周期越_（4 4）離地面越高，角速度越）離地面越高，角速度越_（5 5）離地面越高，向心加速度越）離地面越高，向心加速度越_小小大大小小小小小小例例3.3.人造衛(wèi)星以地心為圓心做勻速圓周運動，下列說法人造衛(wèi)星以地心為圓心做勻速圓周運動，下列說法正確的是（正確的是（ ）A.A.半徑越大，速率越大，周期越小半徑越大，速率越大，周期越小B.B.半徑越大，速率越小，周期越大半徑越大，速率越小，周期越大C.C.所有衛(wèi)星的角速度均相同，與半徑無關(guān)所有衛(wèi)星的角速度均

10、相同，與半徑無關(guān)D.D.所有衛(wèi)星的速率均相同，與半徑無關(guān)所有衛(wèi)星的速率均相同，與半徑無關(guān)B B四、人造衛(wèi)星的超重和失重四、人造衛(wèi)星的超重和失重1.1.發(fā)射和回收階段發(fā)射和回收階段發(fā)射發(fā)射加速上升加速上升超重超重回收回收減速下降減速下降超重超重2.2.沿圓軌道正常運行沿圓軌道正常運行只受重力只受重力a = ga = g完全失重完全失重與重力有關(guān)的現(xiàn)象全部消失與重力有關(guān)的現(xiàn)象全部消失天平天平彈簧秤測重力彈簧秤測重力液體壓強計液體壓強計思考：衛(wèi)星軌道的圓心在哪兒？思考：衛(wèi)星軌道的圓心在哪兒？分析：所有衛(wèi)星的圓心都在地心上。分析：所有衛(wèi)星的圓心都在地心上。思考：現(xiàn)在有幾種衛(wèi)星？思考：現(xiàn)在有幾種衛(wèi)星？按

11、用途分類按用途分類: :通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星; ;氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星按軌道分類按軌道分類: :基地衛(wèi)星基地衛(wèi)星; ;赤道衛(wèi)星赤道衛(wèi)星; ;其他衛(wèi)星其他衛(wèi)星各種各樣的衛(wèi)星各種各樣的衛(wèi)星例4.下列軌道中不可能是衛(wèi)星繞地球運行的軌道的是 （ ）衛(wèi)星是圍繞地球的中心繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星是圍繞地球的中心繞地球做勻速圓周運動的D D五、地球同步衛(wèi)星（通信衛(wèi)星）五、地球同步衛(wèi)星（通信衛(wèi)星）1.1.所謂地球同步衛(wèi)星是指相對于地面靜止的人造衛(wèi)星，所謂地球同步衛(wèi)星是指相對于地面靜止的人造衛(wèi)星，它在軌道上跟著地球自轉(zhuǎn)，同步地做勻速圓周運動，它它在軌道上跟著地球自轉(zhuǎn)，同步地做勻速圓周運動，它的周期：的周期：T T24

12、h24h。2.2.所有的同步衛(wèi)星只能所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個確定軌分布在赤道上方的一個確定軌道上道上 ，即同步衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)，即同步衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星離地面高度為定值。星離地面高度為定值。3.3.地球同步衛(wèi)星的特點：地球同步衛(wèi)星的特點：“五個一定五個一定”（1 1）周期一定：）周期一定：T=24hT=24h（2 2）高度一定）高度一定: : 在赤道上空在赤道上空（3 3）速率、角速度一定）速率、角速度一定（4 4）軌道平面一定：與地球赤道平面共面）軌道平面一定：與地球赤道平面共面三顆同步衛(wèi)星作為通訊衛(wèi)星，則可覆蓋全球。三顆同步衛(wèi)星作為通訊衛(wèi)星

13、，則可覆蓋全球。223242GM2() (R)(R)R3.6 104 hmmhhTGM Thkm衛(wèi)地衛(wèi)地地地地設(shè)衛(wèi)星離地面高度為由解得h練習(xí)練習(xí)2.2.求同步衛(wèi)星離地面高度求同步衛(wèi)星離地面高度地球同步衛(wèi)星能否位于廈門正上方某一確定高度地球同步衛(wèi)星能否位于廈門正上方某一確定高度h h處？處？ 5.6R地例5.關(guān)于地球同步衛(wèi)星，下列說法正確的是（ ）A.它的運行速度小于7.9km/sB.它的運行速度大于7.9km/s C.它的周期是24h，且軌道平面與赤道平面重合D.每一個地球同步衛(wèi)星離開地面的高度是一樣的ACDACD練習(xí)練習(xí)3.3.求近地衛(wèi)星的周期求近地衛(wèi)星的周期6 31124(6.37 10

14、) 2 3.146.67 105.98 10 s 地GMrT32 我們能發(fā)射一顆周期我們能發(fā)射一顆周期為為80min80min的衛(wèi)星嗎？的衛(wèi)星嗎？3 5.06 1084.3mins22=MmvmgGmrr總結(jié)：總結(jié)： 凡是人造衛(wèi)星的問題都可從下列關(guān)系去列運動凡是人造衛(wèi)星的問題都可從下列關(guān)系去列運動方程，即方程，即: :重力重力= =萬有引力萬有引力= =向心力向心力 rRhgh式中：是高空 處的重力加速度1.兩顆恒星均圍繞共同的旋轉(zhuǎn)中心做勻速圓周運動。2.兩恒星之間萬有引力分別提供了兩恒星的向心力，即兩顆恒星受到的向心力大小相等。3.兩顆恒星與旋轉(zhuǎn)中心時刻三點共線，即兩顆恒星角速度相同，周期相

15、同。雙星運動的特點：雙星運動的特點：六、六、“雙星雙星”問題：問題：“雙星雙星” 由兩顆繞著由兩顆繞著共同的中心共同的中心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)的恒星恒星組成。對于組成。對于其中一顆來說，另一顆就是其其中一顆來說，另一顆就是其“伴星伴星”。太太空空站站美國美國“鳳凰鳳凰”號火星探測器號火星探測器20072007年年8 8月月4 4日發(fā)射升空，日發(fā)射升空，20082008年年5 5月月2525日在火星著陸。日在火星著陸?！翱ㄎ髂峥ㄎ髂帷碧柾列翘綔y器號土星探測器19971997年年1010月月1515日發(fā)射升空，日發(fā)射升空，20042004年年1 1日飛抵土星。日飛抵土星?！跋闰?qū)者先驅(qū)者”1010號太空探測器

16、號太空探測器19721972年年3 3月月2 2日發(fā)射升空，日發(fā)射升空，19861986年年6 6月飛出太陽系。月飛出太陽系。1.1.兩顆人造地球衛(wèi)星質(zhì)量之比兩顆人造地球衛(wèi)星質(zhì)量之比m m1 1mm2 2=12,=12,軌道半徑之比軌道半徑之比R R1 1RR2 2=31=31，下列有關(guān)數(shù)據(jù)之比正確的是，下列有關(guān)數(shù)據(jù)之比正確的是( )( )A.A.周期之比周期之比T T1 1TT2 2=31 =31 B.B.線速度之比線速度之比v v1 1vv2 2=31=31C.C.向心力之比向心力之比F F1 1FF2 2=19 =19 D.D.向心加速度之比向心加速度之比a a1 1aa2 2=19=1

17、9D D2.2.如圖所示，如圖所示，a a、b b、c c是在地球大氣層外圓形軌道上運動是在地球大氣層外圓形軌道上運動的的3 3顆衛(wèi)星，下列說法正確的是（顆衛(wèi)星，下列說法正確的是（ ）A.bA.b、c c的線速度大小相等，且大于的線速度大小相等，且大于a a的線速度的線速度B.bB.b、c c的向心加速度大小相等，且大于的向心加速度大小相等，且大于a a的向心加速度的向心加速度C.cC.c加速可追上同一軌道上的加速可追上同一軌道上的b b，b b減速可等候同一軌道上減速可等候同一軌道上的的c cD.aD.a衛(wèi)星由于某原因，軌道半徑衛(wèi)星由于某原因，軌道半徑緩慢減小，其線速度將增大緩慢減小，其線速

18、度將增大D D3.3.根據(jù)觀察，在土星外層有一個環(huán)，為了判斷該環(huán)是土星根據(jù)觀察，在土星外層有一個環(huán)，為了判斷該環(huán)是土星的連續(xù)物還是小衛(wèi)星群，可測出環(huán)中各層的線速度的連續(xù)物還是小衛(wèi)星群，可測出環(huán)中各層的線速度V V與該與該層到土星中心的距離層到土星中心的距離R R之間的關(guān)系。下列判斷正確的是之間的關(guān)系。下列判斷正確的是 （ ）A.A.若若V V與與R R成正比，則環(huán)為連續(xù)物成正比，則環(huán)為連續(xù)物B.B.若若V V2 2與與R R成正比，則環(huán)為小衛(wèi)星群成正比，則環(huán)為小衛(wèi)星群C.C.若若V V與與R R成反比，則環(huán)為連續(xù)物成反比，則環(huán)為連續(xù)物D.D.若若V V2 2與與R R成反比，則環(huán)為小衛(wèi)星群成反比，則環(huán)為小衛(wèi)星群ADAD1m2m1221TTTTt12212TTTTtAB4.4.如圖所示，有如圖所示，有A A、B B兩個衛(wèi)星繞地球做圓周運動，旋轉(zhuǎn)方兩個衛(wèi)星繞地球做圓周運動，旋轉(zhuǎn)方向相同，向相同，A A衛(wèi)星的周期為衛(wèi)星的周期為T T1 1，B B衛(wèi)星的周