1、黃有明 2015.4,宇宙航行,蝌蚪星系 距離我們4億光年,仙女座星系,銀河系,太陽(yáng)系,一.人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)原因,衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力提供向心力。,即：F引 = F向,思考：,怎樣才能使得一個(gè)物體成為一個(gè)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星呢？,?,地面上拋出的物體,由于受到地球引力的作用,最終都要落回到地面。,問(wèn)題情境,物體做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí),水平速度越大，飛行的水平距離越遠(yuǎn)。,若拋出物體的水平初速度足夠大,物體將會(huì)怎樣? 試大膽猜想。,再思考!,牛頓人造衛(wèi)星原理圖,300多年前，牛頓提出設(shè)想,從高山上水平拋出物體，速度越大，落地點(diǎn)離山腳越遠(yuǎn)。如果沒(méi)有空氣阻力，當(dāng)速度足夠大時(shí)，物

2、體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來(lái)，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆永遠(yuǎn)繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星。,以多大的速度將物體拋出，它才會(huì)成為繞地球表面運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星?,由：萬(wàn)有引力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,二、宇宙速度,g=9.8m/s2，R=6400km，代入數(shù)據(jù)得：,思考,1.第一宇宙速度：（ v1=79km/s） 人造衛(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，所以也稱為環(huán)繞速度。,1.如果發(fā)射速度小于第一宇宙速度,衛(wèi)星將會(huì)怎樣？,2.若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于7.9km/s ，會(huì)怎樣呢？,討論：,人造衛(wèi)星原理,發(fā)射速度v7.9km/s, 物體會(huì)落回地面,發(fā)射速度v=7.9km/s , 物體會(huì)在地面附近繞地球做

3、勻速圓周運(yùn)動(dòng),發(fā)射速度7.9km/s v 11.2km/s, 物體繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，但軌跡是橢圓,結(jié)論,、第二宇宙速度：（ v2=112km/s） 當(dāng)拋出物體的速度繼續(xù)增大，地球引力將不足以為其做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力，物體將會(huì)脫離地球引力，離開(kāi)地球。這個(gè)速度為v=112km/s。我們把v=112km/s叫做第二宇宙速度。也稱為脫離速度。,3第三宇宙速度（ v3=167km/s） 物體脫離地球引力的束縛后，還會(huì)受到太陽(yáng)引力的束縛。若拋出的速度足夠大，物體還將脫離太陽(yáng)引力的束縛，飛向太陽(yáng)系之外的宇宙空間。這個(gè)速度v=167km/s。這個(gè)速度叫做第三宇宙速度。也稱為逃逸速度。,地球衛(wèi)星,三：夢(mèng)想成真,人類航

4、天的始祖是我國(guó)明朝的萬(wàn)戶。在15世紀(jì)的我國(guó)明朝早期，一位名叫“萬(wàn)戶”的官員，在一把椅子的背后裝上47支火箭。當(dāng)然，那是當(dāng)時(shí)能買到的最大的火箭。他自己坐在椅子上，并用繩子綁緊。兩手則各拿一個(gè)大風(fēng)箏。然后他要仆人將47支火箭同時(shí)點(diǎn)燃，想借用火箭的力量把他推向空中。這是美國(guó)人羅伯特吉姆在1945年出版的火箭與噴射一書(shū)中的敘述。英國(guó)、德國(guó)和前蘇聯(lián)的一些火箭專家，在他們的著作中也提到或引用了這件事?？梢?jiàn)，萬(wàn)戶是世界上公認(rèn)的“第一個(gè)嘗試?yán)没鸺M(jìn)行飛行的人”。為表彰他的功績(jī)，國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)將月球上的一座環(huán)形山命名為“萬(wàn)戶”。,世界上第一個(gè)想利用火箭飛行的人,于1903年發(fā)表了利用噴氣工具研究宇宙空間一文和

5、以他的名字命名的公式，奠定了火箭和液體發(fā)動(dòng)機(jī)的理論基礎(chǔ)。 還證明了脫離地球引力必須使用多級(jí)火箭。,俄羅斯學(xué)者：齊奧爾科夫斯基,1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射 第一顆人造地球衛(wèi)星。,1961年4月12日蘇聯(lián)空軍少校 加加林乘坐東方一號(hào)載人飛 船進(jìn)入太空，實(shí)現(xiàn)了人類進(jìn) 入太空的夢(mèng)想。,1969年7月20日，阿波羅 11號(hào)將人類送上了月球。,1970年4月24日我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星升空,中國(guó)的航天成就,1992年載人航天工程正式啟動(dòng) 2003年10月15日9時(shí)，神州5號(hào)宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星中心成功發(fā)射，將第一位航天員楊利偉送入太空繞行14圈，10月16日6時(shí)23分降落在內(nèi)蒙古主著陸場(chǎng) 中國(guó)成為世界上第三個(gè)獨(dú)

6、立開(kāi)展載人航天活動(dòng)的國(guó)家,2005年10月12日神舟六號(hào) 費(fèi)俊龍聶海勝,神舟七號(hào)出艙,神七英雄,2008年9月25日 神舟七號(hào) 翟志剛劉伯明 景海鵬,2007年10月24日嫦娥一號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射成功,各種各樣的衛(wèi)星,目前為止，人類發(fā)射的人造地球衛(wèi)星已經(jīng)有幾千顆了，這些衛(wèi)星運(yùn)行的快慢是不相同的，那么不同衛(wèi)星運(yùn)行的線速度、角速度、周期分別為多少呢？,我們將不同軌道上的衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)都看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則有：,可得：,回顧,結(jié)論：,當(dāng)衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行時(shí)，軌道半徑越大，運(yùn)行速度越小；軌道半徑越小，運(yùn)行速度越大。,四、發(fā)射速度與運(yùn)行速度,1運(yùn)行速度：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。 也稱

7、環(huán)繞速度。,當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時(shí)，此時(shí)軌道半徑最?。╮=R），運(yùn)行速度最大，等于第一宇宙速度，故第一宇宙速度也稱之為最大環(huán)繞速度。,2發(fā)射速度：發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開(kāi)發(fā)射裝置的初速度.,衛(wèi)星一旦發(fā)射后再無(wú)能量補(bǔ)充，僅依靠自己的初動(dòng)能克服地球引力上升一定的高度、進(jìn)入運(yùn)動(dòng)軌道。,思考： 將衛(wèi)星送入低軌道和高軌道所需的速度哪一個(gè)更大？哪一個(gè)更容易？為什么？,衛(wèi)星在發(fā)射升空的過(guò)程中需要克服地球的引力而作功,向越高軌道發(fā)射衛(wèi)星時(shí), 需要的初速度越大，相反，越低的軌道需要的初速度就越小。,要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。故第一宇宙速度也叫最小發(fā)射速度。,結(jié)論：,思考,衛(wèi)星

8、的發(fā)射速度和運(yùn)行速度一樣嗎？,衛(wèi)星在地面的發(fā)射速度和它在預(yù)定軌道上的運(yùn)行速度一樣嗎？,課堂練習(xí):,1.關(guān)于第一宇宙速度，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ） A.它是人造地球衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的最小速度 B.它是人造地球衛(wèi)星在近地軌道運(yùn)行的最大速度 C.它是人造地球衛(wèi)星進(jìn)入近地軌道的最小發(fā)射速度 D.從人造衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行的速度,A,2: 我國(guó)發(fā)射的第一顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”的軌道半徑是圓形的，且貼近月球表面。已知月球質(zhì)量約為地球質(zhì)量的1/80，月球的半徑約為地球半徑的1/4，地球上的第一宇宙速度約為7.9km/s，求“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星繞月球運(yùn)行的速率？,答案：,3.利用所學(xué)知識(shí)，推導(dǎo)第一宇宙速度的另一個(gè)表達(dá)

9、式 。,總結(jié)： 盡管人類已經(jīng)跨入太空，登上月球，但是，相對(duì)于宇宙之宏大，地球和月亮不過(guò)是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對(duì)于宇宙之久長(zhǎng)，人類歷史不過(guò)是宇宙年輪上一道小小的刻痕。宇宙留給人們的思考和疑問(wèn)深邃而廣闊。宇宙有沒(méi)有邊界？有沒(méi)有起始和終結(jié)？地外文明在哪里？這些都是留給大家待以解決的問(wèn)題。,五、課堂小結(jié),二、宇宙速度 1、第一宇宙速度（環(huán)繞速度） v1=7.9km/s 2、第二宇宙速度（脫離速度） v2=11.2km/s 3、第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s,一.人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)原因,即：F引 = F向,三、,四：發(fā)射速度與運(yùn)行速度,夢(mèng)想成真 人類航天歷程,2: 我國(guó)發(fā)射的第一顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”的軌道半徑是圓形的，且貼近月球表面。已知月球質(zhì)量約