7.4.1宇宙航行 课件(共26张PPT)

(共26张PPT)
§7.4.1 宇宙航行
嫦娥奔月的神话传说
敦煌壁画的飞天图腾
外国人的“飞天”梦
好奇是点燃智慧的火种，仰望星空，浩瀚的太空充满神秘，探究宇宙的奥秘，奔向遥远的太空，自古以来就是人类的梦想，那么，怎么实现它呢？
在楼顶上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？
如果被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？
物体初速度达到多大时就可以发射成为一颗人造卫星呢
牛顿曾设想，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，则落点一次比一次远，如果速度足够大， 物体就不再落到地面上来，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。
牛顿的设想
1、人造卫星的两个速度和两个阶段
（1）发射速度：指被发射物在点火加速结束时的末速度。
（2）发射阶段：即发射升空过程，先有动力加速上升后无动力
减速上升，最后到达运行轨道。
（3）环绕速度：卫星进入运行轨道后绕地球匀速圆周运动的速度。
（4）运行阶段：卫星在既定轨道无动力匀速圆周运动的过程。
所以，卫星的实际环绕速度一定小于发射速度．
v发射
一、宇宙速度
v运行
2.人造卫星的最大环绕速度两种求解方式
建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动
基本思路：向心力由地球对卫星的万有引力提供
已知地球半径 R = 6400 km，地球质量 M = 6.0×1024 kg，卫星在地面附近环绕（r=R，轨道半径最小）地球做匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？
7.9km/s是人造卫星绕地球匀速圆周运动的最大速度
由上式可知卫星绕地球做匀速圆周运动时，轨道半径越小，环绕速度越大
---②
如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度 g，如何求人造卫星近地运行速度？
由
则
M
近地卫星
V
R=r
由①式可知r越大，V越小，由②式可知r越大，V越大，那个说法正确？
---①
在使用②式进行计算时，v、g和r必须相互对应，即某高度的环绕速度V必须用该高度位置的重力加速度g和该高度位置的轨道半径进行运算。
1.第一宇宙速度：（环绕速度）
（1）概念：物体发射速度为7.9km/s，称为第一宇宙速度，也称环绕速度。
（2）状态和特点：只能贴近地球做匀速圆周运动，既是绕地匀速圆周运动的最大环绕速度，也是克服引力做功最少的最小发射速度。成为人造卫星
宇宙速度
注意：宇宙速度都是针对发射速度；以上三个宇宙速度都是地球上的宇宙速度， 不同中心天体三个宇宙速度也不相同。．
3.第二宇宙速度：（逃逸速度）
（1）概念：物体发射速度为16.7km/s，称为第三宇宙速度
（2）状态和特点：摆脱太阳引力，逃出太阳系。成为自由天体
2.第二宇宙速度：（脱离速度）
（1）概念：物体发射速度为11.2km/s，称为第二宇宙速度
（2）状态和特点：脱离地球引力，不再绕地球运行。
但仍然受太阳引力。成为人造行星
4.宇宙速度的说明：
（1）发射方向：第一宇宙速度是卫星相对于地心的线速度。地面上发射卫星时获得的发射速度，是卫星相对地面的速度与地球自转速度的合速度，所以在赤道上自西向东发射卫星，可以节省最多能量。
（2）运行状态：
若V发＜7.9km/s时，不能绕地球做圆周运动，而是落回地面。
若V发＝7.9km/s时，恰好能够贴近地球做匀速圆周运动。
若7.9km/s 若 11.2km/s≤V发<16.7km/s ，脱离地球束缚而绕太阳运行，成为一颗“小行星”。
若 V>16.7km/s，卫星脱离太阳的吸引，而成为自由天体。
（3）第二宇宙速度V2的求解：
16.7 km/s 称为第三宇宙速度
“旅行者1号”探测器1988 年飞出太阳系
一、人造卫星
1、卫星：卫星是指在围绕行星按闭合轨道做周期性运行的天然天体， （若卫星和行星质量相差不大，会构成双星系统，而不是中心环绕系统。）
2、人造卫星：是由人类建造，以太空飞行载具如火箭、航天飞机等发射到太空中，环绕地球或其它行星的人造天体。（人造卫星和行星质量相差很大，一般构成中心环绕系统）
3、卫星轨道：
（1）圆轨道（圆心和地心重合），
（2）椭圆轨道（某一焦点与地心重合），
总之，无论何种轨道，轨道平面必过地心。
3、人造卫星轨道特点：
（1）运动方式:一般绕地球做匀速圆周运动，
（2）向心力来源：由地球对它的万有引力提供向心力
（3）轨道圆心和地球球心关系：
万有引力指向地心。向心力指向轨道的圆心。因此人造卫星做匀速圆周运动的圆心必与地心重合。轨道平面必过地心。
（1）赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面上，
卫星始终处于赤道正上方（一般赤道轨道
和同步轨道）。
（2）极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面
垂直，卫星通过两极上空。
（3）倾斜轨道：卫星轨道和赤道成一定的角度。
4、人造卫星的三类可能轨道：
同步轨道
一般赤道轨道
倾斜轨道
极地轨道
人造地球卫星的无动力轨道可以像这样的“天使环”吗？
这样的“天使环” 轨道是否稳定？如果不稳定，最终稳定轨道的平面如何？
如果需要稳定，应该获得什么方向动力？
F引
F1
F2
F动
按用途分类:通信卫星、气象卫星、导航卫星、侦察卫星等
按轨道分类:极地卫星、赤道卫星、一般轨道
5、人造卫星的分类：
★向高轨道发射卫星时, 需要的发射速度越大。发射高轨道卫星比发射低轨道卫星困难，原因是发射高轨道卫星时火箭要克服地球对它的引力做更多的功。
将卫星送入低轨道和高轨道所需的发射速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？
1
2
3
6、卫星运动的向心加速度、线速度、角速度和周期：
相同中心天体时，卫星运动情况(a、V 、ω 、T )是由 r 惟 一决定
(2)由 得：ｖ＝
G
M
m
r2
=m
v2
r
(3)由 得：ω＝
G
M
m
r2
=mω2r
(4)由 得：Ｔ＝
G
M
m
r2
=m( ) r
２π
T
2
GM
4π2r3
(1)由 得：a＝
G
M
m
r2
=ma
GM
r2
（R为地球的半径，h为卫星距地面的高度）
简记为：“高轨低速长周期”
不同中心天体，不同轨道半径r时，卫星运动情况是由 r 和M共同决定
7.近地卫星和同步卫星的定态参量
（1）无论何种卫星，它的轨道平面必定经过地球______
（2）近地卫星具有
最小轨道半径r=R=6.4 ×103km
最大绕行速度V=________=__________=7.9km/s
最小绕行周期T=84.8min
（3）同步卫星
轨道平面，赤道平面。
轨道半径r=4.2 ×104km≈7R地球（离地高度h≈6R地球）
T=24h、v=3.08km/s、ω = 7.3×10-5rad/s 、an=g’=0.23m/s2
球心
“高轨低速长周期”
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
平面
立体
赤道平面
1. A 星球的第一宇宙速度为 9 km/s，已知 B 星球的质量是 A 星球质量的 1/81，A 星球半径是 B 星球半径的 4 倍，则在 B 星球上发射“近地卫星”的环绕速度约为 km/s。
2
2. 关于第一宇宙速度，下列说法中正确的是（ ）
A. 它是人造地球卫星绕地球飞行的最大速度
B. 它是人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度
C. 它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D. 它是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度
BC
地球
3.对于绕地球运动的人造卫星：
（1）离地面越高，向心力越_______
（2）离地面越高，线速度越________
（3）离地面越高，周期越___________
（4）离地面越高，角速度越_________
（5）离地面越高，向心加速度越_______
小
大
小
小
小
4. 关于地球同步卫星，下列说法正确的是（ ）
A. 它的运行速度小于 7.9 km/s
B. 它的运行速度大于 7.9 km/s
C. 它的周期是 24 h，且轨道平面与赤道平面重合
D. 每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样的
ACD
5. 如图所示，a、b、c 是在地球大气层外圆形轨道上运动的 3 颗卫星，下列说法正确的是（ ）
A. b、c 的线速度大小相等，且大于 a 的线速度
B. b、c的向心加速度大小相等，且大于 a 的向心加速度
C. c加速可追上同一轨道上的 b，b 减速可等候同一轨道上的 c
D. a卫星由于某原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将增大
D
6. 根据观察，在土星外层有一个环，为了判断该环是土星的连续物还是小卫星群，可测出环中各层的线速度 v 与该层到土星中心的距离 R 之间的关系。下列判断正确的是 ( )
A. 若 v 与 R 成正比，则环为连续物
B. 若 v2与 R 成正比，则环为小卫星群
C. 若 v 与 R 成反比，则环为连续物
D. 若 v2与 R 成反比，则环为小卫星群
AD