1、第六章 萬有引力與航天 第五節(jié) 宇宙航行,人教版必修2,嫦娥奔月,敦煌飛天的壁畫,探究宇宙的奧秘，奔向遙遠(yuǎn)的太空。自古以來就是人類的夢想，怎樣才能實(shí)現(xiàn)這一夢想呢？,一、牛頓的設(shè)想,牛頓曾設(shè)想, 從高山上用不同的水平速度拋出物體,速度一次比一次大,則落點(diǎn)一次比一次遠(yuǎn),如不計(jì)空氣的阻力,當(dāng)速度足夠大時(shí), 物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來,而圍繞地球旋轉(zhuǎn),成為一顆人造地球衛(wèi)星，簡稱 。,人造衛(wèi)星,由此可見，人造地球衛(wèi)星運(yùn)行遵從的規(guī)律是：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，地球?qū)πl(wèi)星的引力提供向心力。,探究問題一：,思考與討論：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？,根據(jù)：衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心

2、力必須指向地心。,想一想：速度為多大時(shí)，物體將不會(huì)落回地面而成為繞地球旋轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星呢？,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道特點(diǎn)： 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(yùn)動(dòng)。,建立模型：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),基本思路：衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供。,請同學(xué)們計(jì)算：已知地球半徑R=6400km，地球質(zhì)量M=6.01024kg，衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度有多大？,二、宇宙速度,1、第一宇宙速度,即：衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度第一宇宙速度,思考：如果不知道地球的質(zhì)量，但知道地球表面的重力加速度g，如

3、何求宇宙第一速度v？,由,第一宇宙速度的計(jì)算方法二：,則,思考：地面上的物體如何才能獲得這么大的速度？,由此可見：要發(fā)射一顆繞地球半徑運(yùn)行的人造衛(wèi)星，發(fā)射速度必須等于7.9km/s 。所以宇宙第一速度是最小的發(fā)射速度。,所謂發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射火箭的初速度。要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，其發(fā)射速度就不能小于第一宇宙速度。,即：人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)有何規(guī)律？,可見：v、T 與 r 為 一 一對應(yīng)關(guān)系,高軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，線速度小、角速度小，周期長。,思考：衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的線速度、角速度和周期與軌道半徑的關(guān)系呢？,所以7.9km/s是最小發(fā)射速度，也是最大環(huán)繞（運(yùn)行）速度。,思考：若發(fā)射速度大于7.9

4、km/s，則人造衛(wèi)星將如何運(yùn)動(dòng)？,發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡不是圓，而是橢圓。 等于或大于11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行。,運(yùn)行速度指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時(shí)，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度，當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時(shí)，運(yùn)行速度小于第一宇宙速度。,2、第二宇宙速度,大?。簐=11.2km/s 意義：以這個(gè)速度發(fā)射，物體剛好能克服地球的引力作用，永遠(yuǎn)的離開地球而繞太陽運(yùn)動(dòng)。,3、第三宇宙速度,大?。簐=16.7km/s 意義：以這個(gè)速度發(fā)射，物體剛好能擺脫太陽引力的束縛而飛到太陽

5、系以外。,發(fā)射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，衛(wèi)星繞太陽作橢圓運(yùn)動(dòng)，成為一顆人造行星。如果發(fā)射速度大于等于16.7km/s，衛(wèi)星將掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的空間。,思考與討論：,人造衛(wèi)星在地球表面做圓周運(yùn)動(dòng)的周期最小是多少？,=84.6min,或：,思考：人造衛(wèi)星的周期能否為24小時(shí)？,三、夢想成真,1、所謂地球同步衛(wèi)星是指相對于地心靜止的人造衛(wèi)星，它在軌道上跟著地球自轉(zhuǎn)，同步地做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，它的周期：T24h,2、所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個(gè)確定軌道上 ，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。,對同步衛(wèi)星：其r、 v、T 、均為定

6、值,計(jì)算同步衛(wèi)星高度,由萬有引力提供向心力,同步通訊衛(wèi)星軌道半徑：,同步衛(wèi)星的線速度,解：由萬有引力提供向心力 故 :,將地球質(zhì)量M及軌道半徑r代入，可得同步通訊衛(wèi)星的速率,由此解出:,同步衛(wèi)星發(fā)射過程,衛(wèi)星的變軌問題,四、夢想成真,1957年10月4日，原蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星。衛(wèi)星重83.6kg，每96min繞地球飛行一圈。,世界航天史,1961年4月12日蘇聯(lián)空軍少校加加林進(jìn)入了東方一號載人飛船。實(shí)現(xiàn)了人類第一次進(jìn)入太空。他的非凡勇氣，鼓舞了更多人為航天事業(yè)奮斗。,火箭點(diǎn)火起飛，飛船繞地球飛行一圈，歷時(shí)108分，然后重返大氣層，安全降落在地面，鑄就了人類進(jìn)入太空的豐碑。,19

7、69年7月16日，阿波羅11號將人類送上了月球。當(dāng)時(shí)，上億人通過電視注視著走出登月艙的阿姆斯特朗，他在月球上邁出了一小步，確是人類邁出的一大步。,1981年4月12日，世界上第一架航天飛機(jī)哥倫比亞號發(fā)射成功。同年11月12日和1982年3月22日、6月27日又相繼進(jìn)行了3次試飛，均獲得成功。,但在2003年2月1日，哥倫比亞號航天飛機(jī)在重返地面的過程中突然發(fā)生解體燃燒，航天飛機(jī)上的七名宇航員全部遇難。（其中有6名美國人、1名以色列人）,1975年，返回式遙感衛(wèi)星，中國第一顆返回式衛(wèi)星，用于對地觀測，運(yùn)行三天后按計(jì)劃返回地面；中國是第三個(gè)掌握衛(wèi)星回收技術(shù)的國家。,1970年， “東方紅”1號，中國第一顆人造衛(wèi)星。中國是第五個(gè)能自行發(fā)射衛(wèi)星的國家。,中國航天史,風(fēng)云一號,風(fēng)云二號,中國首顆氣象衛(wèi)星；中國是第三個(gè)獨(dú)立研制并發(fā)射太陽同步軌道衛(wèi)星的國家。,通信衛(wèi)星,1984年，試驗(yàn)通信衛(wèi)星：“東方紅”2號，標(biāo)志著中國是世界上第5個(gè)能發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星的國家。,飛船繞地球飛行14圈后，于10月16日6時(shí)23分安全降落在內(nèi)蒙古主著陸場這次成功發(fā)射實(shí)現(xiàn)了中華民族千年的飛天夢想，標(biāo)志著中國成為世界上第三個(gè)能夠獨(dú)立開展載人航天活動(dòng)的國家，為進(jìn)一步的空間科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。,1992年，中國載人航天工程正式啟動(dòng)。 2003年10月15日9時(shí)，我