4-3天體的運(yùn)動(dòng)人造地球衛(wèi)星現(xiàn)象與思考萬(wàn)有引力定律航天技術(shù)地球同步通信衛(wèi)星現(xiàn)象與思考

日月為什么每日穿梭而過(guò)？天上的星星為什么不掉下來(lái)？英國(guó)物理學(xué)家牛頓花費(fèi)20年時(shí)間，終于發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律，揭開了天體運(yùn)動(dòng)的奧秘。那么利用萬(wàn)有引力定律，怎么去研究天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律呢？圖4.3-1牛頓一、萬(wàn)有引力定律

1．定義兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間萬(wàn)有引力的大小與它們的質(zhì)量的乘積成正比，與它們距離的平方成反比；力的方向沿質(zhì)點(diǎn)的連線。如圖4.3-2

所示F21F12m1m2r圖4.3-22．公式式中G稱為引力常量,3．公式理解

（1）公式適用于計(jì)算兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的萬(wàn)有引力。（2）對(duì)于兩個(gè)質(zhì)量均勻的球，它們之間的萬(wàn)有引力也可用公式計(jì)算，這時(shí)式中r表示兩球心間的距離。

（3）通常兩個(gè)物體間的萬(wàn)有引力很小，可忽略。（4）天體的質(zhì)量很大，天體之間的引力及較近的天體對(duì)物體的引力，一般不能忽略。4．萬(wàn)有引力的重要性萬(wàn)有引力視頻4.3-1

例題

已知地球半徑r=6.371×106m，地球表面重力加速度g=9.81m/s2，求地球的質(zhì)量m地。

解設(shè)物體的質(zhì)量為m，地球表面物體的重力就是地球?qū)υ撐矬w的萬(wàn)有引力，即

二.人造地球衛(wèi)星

在地球上拋出的物體，當(dāng)它的速度足夠大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為人造地球衛(wèi)星,圖4.3-2。人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，地球?qū)πl(wèi)星的引力就是向心力。圖4.3-2人造地球衛(wèi)星第一宇宙速度

對(duì)于靠近地面的衛(wèi)星，可以認(rèn)為此時(shí)的r近似等于地球半徑R，把r用地球半徑R代入，可以求出其速度這就是人造地球衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度，叫做第一宇宙速度對(duì)第一宇宙速度的理解:1.上式對(duì)其它天體也適用，R為天體半徑,M為天體質(zhì)量,g為天體表面的重力加速度,G為引力常量.

2.v1為發(fā)射衛(wèi)星的最小速度,又是衛(wèi)星進(jìn)入軌道后最大線速度.

如果人造地球衛(wèi)星進(jìn)入地面附近的軌道速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓，如圖4.3-3。圖4.3-3橢圓軌跡

2、第二宇宙速度：當(dāng)物體的速度大于或等于11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力，不在繞地球運(yùn)行。我們把這個(gè)速度叫第二宇宙速度，圖

4.3-3。圖

4.3-3衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力

3、第三宇宙速度：如果物體的速度等于或大于16.7km/s，物體就擺脫了太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系以外的宇宙空間去，圖

4.3-4。我們把這個(gè)速度叫第三宇宙速度。圖

4.3-4物體就擺脫了太陽(yáng)引力的束縛不同的宇宙速度產(chǎn)生的效果，如圖

4.3-4圖

4.3-4不同的宇宙速度產(chǎn)生的效果三、航天科技

1．運(yùn)載火箭能夠把人造衛(wèi)星、宇宙飛船、宇宙空間站或其他空間探測(cè)器送入軌道的單級(jí)或多級(jí)火箭，稱為運(yùn)載火箭。如圖4.3-5。圖4.3-5中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭運(yùn)載火箭一般采用三級(jí)（圖4.3-6）

，第一級(jí)火箭豎直加速，穿過(guò)大氣層。第二級(jí)火箭繼續(xù)加速，并逐漸偏向預(yù)定軌道。第三級(jí)火箭的作用，是使衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入軌道飛行。各級(jí)火箭燃燒完后都會(huì)自動(dòng)脫落，以減少總質(zhì)量，便于進(jìn)一步加速。圖4.3-6多級(jí)火箭

2．航天器

是指在繞地球軌道或外層空間按受控制飛行路線運(yùn)行的載人飛行器。每個(gè)航天器都承擔(dān)著不同的科研或工程任務(wù)。航天器基本上是無(wú)動(dòng)力的，依靠運(yùn)載火箭，通常為第二級(jí)火箭提供的初速來(lái)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)載火箭在燃料耗盡后就自動(dòng)分離，向地球下落；航天器或者進(jìn)入繞地球軌道，或者在給以動(dòng)量情況下，繼續(xù)飛向太空目的地。航天器本身也可能裝有小型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)供機(jī)動(dòng)飛行之用。

1961年4月12日，27歲的前蘇聯(lián)空軍上尉尤里·加加林乘坐“東方”1號(hào)飛船（圖4.3-7），在離地面1.81×105m的軌道上，繞地球飛行108

min，這是人類航天史上的里程碑。圖4.3-7太空第一人加加林

2003年10月15日，中國(guó)第一艘載人飛船“神舟”五號(hào)成功發(fā)射，在環(huán)繞地球運(yùn)行了21圈后，航天員楊利偉隨返回艙于16日凌晨按預(yù)定計(jì)劃成功返回地面（圖4.3-8）。圖4.3-8“神舟”五號(hào)和楊利偉

2008年9月25日“神舟”七號(hào)飛船于北京時(shí)間發(fā)射升空，航天員翟志剛、劉伯明、景海鵬隨返回艙于9月28日凌晨成功降落(圖4.3-9)

。這次航天飛行任務(wù)的順利完成，標(biāo)志我國(guó)已成為世界上第三個(gè)獨(dú)立掌握空間出艙技術(shù)的國(guó)家。圖4.3-9“神舟”七號(hào)和全體宇航員練習(xí)

1．選擇蘋果脫離枝頭會(huì)向下落到地球上，而不是地球向上“落到”蘋果上，產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是（