7.4宇宙航行课件(共47张PPT)

(共47张PPT)
一、人造卫星发射原理
二、 卫星运动规律
1、牛顿设想：抛出速度很大时，物体不会落回地面
2、人造卫星绕地球匀速圆周运动的原因
人造卫星受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。
3、人造卫星的运行规律
r
(a、V 、ω 、T )
设地球质量为M，卫星质量为m，卫星的绕行速度v 、角速度ω 、周期T、向心加速度a与轨道半径 r 的关系
卫星运动的线速度、角速度、向心加速度和周期：
(3)由 得：ω＝
(4)由 得：Ｔ＝
可见：卫星运动情况(a、V 、ω 、T )是由 r 唯一一决定
(2)由 得：ｖ＝
G
M
m
r2
=m
v2
r
G
M
m
r2
=mω2r
G
M
m
r2
=m( ) r
２π
T
2
GM
4π2r3
(1)由 得：a＝
G
M
m
r2
=ma
GM
r2
口诀：
“高轨低速长周期”
二、卫星运动规律
1
2
4
v1>v2=v3>v4
T1ω1>ω2=ω3>ω4
3
a1>a2=a3>a4
二、 卫星运动规律
练习：对于绕地球运动的人造卫星：
（1）离地面越高，线速度越——
（2）离地面越高，周期越——
（3）离地面越高，角速度越——
（4）离地面越高，向心加速度越—
（5）离地面越高，向心力越——
小
长
小
小
小
1
2
4
3
二、卫星运动规律
两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，它们的质量不相等，轨道半径之比r1:r2=1:4,则它们的
(1)线速度大小之比 v1:v2=
(2)周期之比 T1:T2 =
二、卫星运动规律
2011年11月3日，“神州八号”飞船与“天宫一号”目标飞行器成功实施了首次交会对接。任务完成后“天宫一号”经变轨升到更高的轨道，等待与“神州九号”交会对接。变轨前和变轨完成后“天宫一号”的运行轨道均可视为圆轨道，对应的轨道半径分别为R1、R2，线速度大小分别为V1、V2。则 等于( )
A. B. C. D.
B
三、宇宙速度
问题1：按牛顿的设想，在忽略空气阻力的情况下，在地面上以越来越大的水平速度抛出物体，物体将绕地球做圆周运动成为地球的卫星，那么物体速度需要多大？向心力由什么力提供？是否需要考虑太阳的引力？
已知：地球半径R=6 400 km,地球质量m地=5.98×1024 kg,引力常量G=6.67×10-11 N·m2/kg2，太阳质量m太=2.0×1030 kg，太阳距地球的距离l=1.496×108 千米
分析：地球对地球表面物体的吸引力
太阳对地球表面物体的吸引力
＜＜ F1
三、宇宙速度
问题2：物体绕地球做圆周运动时，物体还和地球一起自转吗？万有引力、重力和向心力的关系是什么？
不参与地球的自转
万有引力就是物体的当地的重力，万有引力提供向心力，也可以说当地的重力提供向心力
万有引力（或当地重力）提供物体做圆周运动的向心力
三、宇宙速度
问题3：环绕速度最大的卫星是什么样的卫星？如何发射这样的卫星？
第一宇宙速度
物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度
三、宇宙速度
1、第一宇宙速度：(环绕速度）
地球
11.2km/s>v>7.9km/s
2、第二宇宙速度：(逃逸速度)
V2=11.2km/s
V3=16.7km/s
3、第三宇宙速度：
→人造行星
人造卫星
V1=7.9km/s
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，也是成为人造卫星克服引力做功最少的最小发射速度。
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.第三宇宙速度：
（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：（逃逸速度）
（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。
1、发射速度：是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度。
2、运行速度（环绕速度）：
是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。
r↗ v↘
①宇宙速度均指发射速度
②第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度
概念辨析　发射速度和运行速度
近地卫星是指卫星的轨道半径近似等于地球半径，其周期约为85分钟。其向心力由万有引力提供。
我们能否发射一颗周期为80min的卫星？

四、地球同步卫星
1、定义
所谓地球同步卫星，是相对于地面静止的和地球具有相同周期且绕行方向相同的卫星，同步卫星必须位于赤道平面内，且到地面的高度一定。
r v ω T a
“全部固定”
大家能否计算出同步卫星的高度，线速度呢？
四、地球同步卫星
2、地球同步卫星的运行特征
可概括为五个一定
①定轨道, 其运行轨道平面在赤道平面内；
②定周期, 即运行周期等于地球自转周期（24 h）
③定高度，即离地面高度一定（h=36000 km）
④定速度，即运行速度一定（v≈3.1km/s）
⑤定方向，即运行方向自西向东
3、同步卫星的应用：主要用于通信
3颗同步卫星可实现全球覆盖
所以也叫通信卫星
为了卫星之间不互相干扰，大约3°左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。
赤道轨道
极地轨道
倾斜轨道
地球同步卫星
“高轨低速长周期”
所有卫星都在以地心为圆心的轨道上(原因？）
“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(原因？）
平面
立体
赤道平面
五、人造卫星的轨道
五、人造卫星的轨道
甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是( )
A．甲的周期大于乙的周期 B．乙的速度大于第一宇宙速度
C．甲的加速度小于乙的加速度 D．甲在运行时能经过北极的正上方
AC
六、人造卫星的超重和失重
1、发射和回收阶段
发射
加速上升
超重
回收
减速下降
超重
2、沿圆轨道正常运行
只受重力
a = g
完全失重
与重力有关的现象全部消失
天平
弹簧秤测重力
液体压强计
七、天体运动问题分析
七、天体运动问题分析
4．四个比较：
(1)同步卫星的周期、轨道平面、高度、线速度、角速度、绕行方向均是固定不变的，常用于无线电通信，故又称通信卫星。
(2)极地卫星运行时每圈都经过南北两极，由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖。
(3)近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星，其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径，其运行线速度约为7.9 km/s。
(4)赤道上的物体随地球自转而做匀速圆周运动，由万有引力和地面支持力的合力充当向心力(或者说由万有引力的分力充当向心力)，它的运动规律不同于卫星，但它的周期、角速度与同步卫星相等。
近地卫星
赤道上的物体
同步卫星
近、同：Fn=F万；赤：Fn=F万-F支(Fn≠F万)；
①近地卫星与同步卫星（都是卫星）
“高轨低速长周期” r同>r近；a、v、 ω ：近>同；T：近<同；
② 同步卫星与赤道上物体（周期相同）
“同轴转动模型”：r同>r赤； T同＝T物=24h(ω同)； a、v：同>赤
③ 近地卫星与赤道物体（半径相同）
“同轴转动模型”： T近物
④三类物体匀速圆周运动的比较:
r同>r近＝r物; T近V近>V同>V物； a近>a同>a物；(Fn近>Fn同>Fn物)(F万物=F万近>F万同)
近地卫星、同步卫星及赤道上物体的运行问题
例题、(多)地球赤道上有一物体a随地球的自转而做圆周运动，所需的向心力为F1，向心加速度为a1，线速度为v1，角速度为ω 1；绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星b所需的向心力为F2，向心加速度为a2，线速度为v2，角速度为ω 2；地球同步卫星c所需的向心力F3，向心加速度为a3，线速度为v3，角速度为ω 3；假设三者质量相等,则错误的是（ ）
A:F1=F2>F3 B:a1=a2>a3 C:v1=v2>v3 D: ω 1= ω 3＜ ω 2
ABC
八、卫星变轨
V
F引
F供＜F需
F供＞F需
卫星变轨原理
M
m
A点速度—内小外大（在A点看轨迹）
在A点万有引力相同
A
·
思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其在高轨道上运行，应采取什么措施？
在低轨道上加速，使其沿椭圆轨道运行，当行至椭圆轨道的远点处时再次加速，即可使其沿高轨道运行。
卫星变轨原理
1、卫星在二轨道相切点
万有引力相同
速度—内小外大（切点看轨迹）
2、卫星在椭圆轨道运行
近地点---速度大，动能大势能小
远地点---速度小，动能势能大
机械能守恒
v
F引
1
2
R
卫星在圆轨道运行速度V1
V2
θ＞900
减小
卫星变轨原理
v3
F引
L
卫星变轨原理
使卫星进入更高轨道做圆周运动
v3
v4
卫星的回收
1、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点，2、3相切于Q点。当卫星分别在1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是（ ）
A、在轨道3上的速率大于1上的速率
B、在轨道3上的角速度小于1上的角速度
C、在轨道2上经过Q点时的速率等于在轨道3上经
过Q点时的速率
D、在轨道1上经过P点时的加速度等于在轨道2上经
过P点时的加速度
Q
P
2
·
3
1
BD
2、如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将卫星发射至距地面高度为h1的近地轨道Ⅰ上．在卫星经过A点时点火实施变轨，进入远地点为B的椭圆轨道Ⅱ上，最后在B点再次点火，将卫星送入同步轨道Ⅲ.已知地球表面重力加速度为g，地球自转周期为T，地球的半径为R．求：
（1）近地轨道Ⅰ上的速度大小；
（2）远地点B距地面的高度。
“嫦娥奔月” 图
①
②
③
近地变轨
轨道修正
转移轨道
④
⑤
⑥
⑦
⑧
发射
D
2. 2007年10月24日“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧ ，如图所示（ ）
A.“嫦娥一号”由⑤到⑥需加速、由⑦到⑧需减速
B.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度
C.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关
D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比
E.在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力
宇宙飞船与空间站的对接
空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何到达空间站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。　　
思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？
不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间站对接。
飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。
通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对接，如图示。
空间站
飞船
对接方法：
例：在太空中有两飞行器a、b，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，a在前b在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想b 尽快追上a 并完成对接，b应采取的措施是（ ）
A、沿运动方向喷气
B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气
C、沿运动反方向喷气
D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气
B
九、双星问题
r1
r2
L
(1)两颗星体绕公共圆心转动
(2)特点
①各自所需的向心力由彼此间的万有引力相互提供，即
②两颗星的周期及角速度都相同，即T1＝T2，ω1＝ω2。
③两颗星的轨道半径与它们之间的距离关系为：r1＋r2＝L。
④两颗星到轨道圆心的距离r1、r2与星体质量成反比，即
⑤双星的运动周期
⑥双星的总质量
(多选)(2018·全国卷Ⅰ)2017年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。根据科学家们复原的过程，在两颗中子星合并前约100 s时，它们相距约400 km，绕二者连线上的某点每秒转动12圈。将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗中子星(　　)
A．质量之积　　B．质量之和 C．速率之和 D．各自的自转角速度
作业：《学习指导》本节内容
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