7.4宇宙航行 课件（共68页）

(共68张PPT)
第七章 万有引力与宇宙航行
7.4 宇宙航行
新课引入
中国的飞天梦历程
嫦娥奔月
万户飞天
中国航天
从嫦娥奔月到万户飞天，再到嫦娥五号、天问一号，中国一直在为“飞天”梦想努力着。
物体初速度达到多大时就可以发射成为一颗人造卫星呢
在 1687 年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿就设想：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。
新课引入
英国科学家牛顿(1643-1727)
思考：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？
（已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球质量M=6×1024kg，地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）
这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度， 叫作第一宇宙速度(first cosmic velocity).（环绕速度）。
一、宇宙速度
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时，可近似认为向心力是由重力提供的，有：
一、宇宙速度
一、宇宙速度
一、宇宙速度
1. 第一宇宙速度
第一宇宙速度是最大的环绕速度；
轨道越高，环绕速度越小。
在地面上发射火箭，发射速度需要有怎样的要求呢？
第一宇宙速度是最小发射速度。
一、宇宙速度
1. 第一宇宙速度
发射速度要大于第一宇宙速度；
火箭发射成功需要满足：
一、宇宙速度
A
v
1
发射速度 v = 7.9km/s，飞行器沿圆形轨道1绕地心做匀速圆周运动；
2
发射速度 v > 7.9km/s，且v < 11.2km/s飞行器沿轨道2做（椭圆轨道）运动；
3
发射速度 v 越大，轨道的远地点离地球就越远。
若发射速度 v =11.2km/s 会怎样呢？
在地面上发射火箭的速度如果是以下几种情况：
1. 第一宇宙速度
一、宇宙速度
在地面上发射火箭的速度如果是以下几种情况：
2. 第二宇宙速度
v
A
4
当速度v>11.2km/s，飞行器将沿轨道4（蓝色虚线）运动，只是这个轨道的远地点在离地球无限远处，飞行器将脱离地球引力的束缚，永远离开地球，绕着太阳运动；
第二宇宙速度
2
1
3
第二宇宙速度也称为逃逸速度。
一、宇宙速度
在地面上发射火箭的速度如果是以下几种情况：
3. 第三宇宙速度
当速度v>16.7km/s时，飞行器将脱离太阳引力束缚，飞到太阳系以外。
5
第三宇宙速度
（脱离速度）
地球表面上的 发射速度 v 运动情况
v<7.9km/s 物体落回地面
v=7.9km/s 绕地球匀速圆周
7.9km/s11.2km/s≤v<16.7km/s 脱离地球，
绕太阳运动
16.7km/s≤v 飞出太阳系
三大宇宙速度
“嫦娥五号”的发射速度应该大于第一宇宙速度。
“天问一号”的发射速度应该大于第二宇宙速度。
旅行者一号（飞出太阳系）
“旅行者一号”的发射速度应该大于第三宇宙速度（借助木星的“引力弹弓”效应等）。
例1.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小速度
B.它是人造地球卫星在近地圆轨道上的运行速度
C.它是能使卫星进入近地圆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
例2.已知地球与月球的半径之比为4:1，地球表面和月球表面的重力加速度之比为6:1，地球的第一宇宙速度为7.9km/s，则月球第一宇宙速度约为（　　）
A.1.6km/s
B.6.4km/s
C.7.9km/s
D.38km/s
A
二、人造地球卫星
嫦娥5号
天问一号
二、人造地球卫星
1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功。
1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。
二、人造地球卫星
人造卫星的轨道
地球的万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，所以卫星轨道圆心和地球地心必须重合。
① 赤道轨道：
卫星轨道与赤道在同一平面上；
① 赤道轨道
② 极地轨道：
卫星轨道平面与赤道平面垂直；
③ 倾斜轨道：
卫星轨道和赤道成一定角度。
② 极地轨道
③ 倾斜轨道
二、人造地球卫星
分析可知，卫星轨道半径越大，运行速度越慢，周期越长。
人造卫星的运动学参量：
高轨低速长周期
二、人造地球卫星
人造卫星的两个速度：
① 发射速度：
将人造卫星送入预定轨道需要具有的速度。第一宇宙速度是最小的发射速度。
② 环绕速度：
卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。第一宇宙速度是最大的环绕速度。
二、人造地球卫星
1、近地卫星
指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。
二、人造地球卫星
人造地球卫星的分类
=85min
=7.9km/s
近地卫星
地球
R
M
m
V
g：地球表面的重力加速度
二、人造地球卫星
1、近地卫星 指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。
人造地球卫星的分类
2、同步卫星：指相对于地面静止的人造卫星，它跟着地球做匀速圆周运动，周期T=24h
（1）所有的同步卫星只能分布在赤道正上方的一个确定轨道，即同步卫星轨道平面与赤道平面重合。
人造地球卫星的分类
二、人造地球卫星
人造地球卫星的分类
（2）同步卫星的“六个一定”
①轨道平面一定：赤道平面
②周期与角速度一定：T=24h
⑤运转方向一定:自西向东
③轨道半径一定:r=6.6R
④速度大小一定:v=3.08km/s
人造地球卫星的分类
⑥向心加速度的大小一定:
二、人造地球卫星
人造地球卫星的分类
（3）同步卫星的用途：
主要用于通信，故也称通信卫星。3颗同步卫星可实现全球覆盖,为了使同步卫星之间不相互干扰，大约3°左右才能放置一颗同步卫星，也就是说，地球上空只能放下120颗同步卫星。截止2012年，已发射100多颗。
人造地球卫星的分类
二、人造地球卫星
人造地球卫星的分类
h=3.6××107m
r=4.2××107m
v=3.08km/s
T=24h
h=3.8××108m
r≈3.8××108m
v=1km/s
T=27.3天
h≈0
r=6.4××106m
v=7.9km/s
T=84分钟
同步卫星
近地卫星
月球
人造卫星与月球参数
例3.两颗人造地球卫星质量之比m1∶m2=1∶2，轨道半径之比r1∶r2=3∶1，下列有关数据之比正确的是( )
A.周期之比T1∶T2=3∶1
B.线速度之比v1∶v2=3∶1
C.向心力之比F1∶F2=1∶9
D.向心加速度之比a1∶a2=1∶9
D
例4.如图所示，三颗人造卫星绕地球做匀速圆周运动，比较他们的v，ω，T，a的大小关系。
拓展：若要比较地表赤道上的物体1，地表卫星2，同步卫星3三者的v，ω，T，a的大小关系呢？
a
b
c
例5.四颗地球卫星a、b、c、d的排列位置如图所示，其中a是静止在地球赤道上还未发射的卫星，b是近地轨道卫星，c是地球同步卫星，d是高空探测卫星，四颗卫星相比较(　　)
A.a的向心加速度最大
B.相同时间内b转过的弧长最长
C.c相对于b静止
D.d的运动周期可能是23h
B
例6.如图所示，某时刻卫星a，b及地球三者处于地球同一侧且排列在同一条直线上，已知卫星a的周期为Ta，b的周期为Tb，则下次三者运动到地球的同一侧且处于一直
线上需要多少时间？
若就问一直线呢？
若没有说下次呢？
a
b
例7.太阳系各行星几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动。当地球恰好运行到某地外行星和太阳之间，且三者几乎排成一条直线的现象，天文学称为“行星冲日”。已知地球及各地外行星绕太阳运动的轨道半径如下表所示。
根据题中信息，试计算木星相邻两次冲日的时间间隔，哪颗地外行星相邻两次冲日的时间间隔最短？
近地卫星、同步卫星与赤道上物体的比较
近地卫星、同步卫星与赤道上物体的比较
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
人造卫星的超重和失重
卫星变轨问题
v
F引
F引＜F向
F引＞F向
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
v
F引
1
2
R
卫星在圆轨道运行速度V1
v2
θ＞900
减小
v3
F引
L
使卫星进入更高轨道做圆周运动
v3
v4
·
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
远地点---速度小，动能小
卫星变轨
卫星变轨
地球
7.9km/s
P
7.9km/s＜vP ＜11.2km/s
v2
总结：
内轨变外轨，远地点点火加速；
外轨变内轨，点火减速。
所以，远地圆轨道卫星，是由椭圆轨道变轨而来的。
vQQ
卫星在Q点点火加速
轨道1
轨道2
轨道3
P
Q
1.卫星在轨道2上经过P点的加速度与卫星在
轨道3上经过P点的加速度大小关系？
2.卫星在轨道1上经过Q点的速度与卫星在轨
道2上经过P点的速度大小关系？
由轨道1变到轨道2：在Q点喷火加速
由轨道2变到轨道3：在P点喷火加速
M，r同，a同
v1Q＜ v2Q
卫星变轨
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
【解析】人造地球卫星靠地球的引力提供向心力，地球对卫星的万有引力方向指向地心，所以人造地球卫星做圆周运动的圆心是地心，否则不能做稳定的圆周运动。
A． B． C． D．
【正确答案】ACD
2.（多选）如图所示的四种虚线轨迹，可能是人造地球卫星轨道的是(　　)
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基
（1857-1935苏联）
“地球是人类的摇篮，但人类不会永远呆在摇篮里。”
三、载人航天与太空探索
多级火箭理论
三、载人航天与太空探索
人类一直有“飞天”的梦想，万有引力定律的发现，不仅破解了天上行星的运行规律，也为人类开辟了上天的理论之路。随着技术的进步，人类迈向太空的脚步越来越大，越来越坚实。
“That’s one small step for man, one giant leap for mankind.”
- Neil Armstrong (20 July,1969)
1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108 min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类首次进入太空的丰碑。
三、载人航天与太空探索
1969年7月16日9时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月20日下午10时56分，指挥长阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。”
三、载人航天与太空探索
2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将11名(14人次)航天员送入太空，包括两名女航天员。
三、载人航天与太空探索
我国载人航天事业起步较晚，但发展很快。
进入新世纪以来，我国航天事业蓬勃发展，先后有11位宇航员进入太空，完成了飞船与空间实验室交会对接、宇航员太空行走等高难动作，2022年我国将建成首个大型空间站。
神舟飞船与天宫实验室交会对接
中国宇航员太空行走
中国未来空间站
资料
资料
资料
三、载人航天与太空探索
钱学森，世界著名科学家，空气动力学家，中国载人航天奠基人，“中国科制之父”和“火箭之王”，由于钱学森回国效力，中国导弹、原子弹的发射向前推进了至少20年。
曾任美国麻省理工学院和加州理工学院教授。1950年钱学森回国受阻，并受美国方面监禁，1955年，在毛泽东主席和周恩来总理的争取下回到中国。
中国航天之父
中国航天之父：钱学森（1911.12.11－2009.10.31）
视频学习：嫦娥五号任务全过程
视频学习：天问一号任务全过程
宇宙航行
宇宙速度
第一宇宙速度（环绕速度）:
第二宇宙速度（逃逸速度）:
第三宇宙速度（脱离速度）:
v2=11.2km/s
v1=7.9km/s
v3=16.7km/s
同步卫星
第一宇
宙速度
最小发射速度
最大运行速度
定义：相对于地面静止的，跟地球自转同步的卫星，同步卫星也叫通讯卫星。
特点：六个一定
载人航天与太空探索
课堂小结
四、练习与应用
教材第64页
1. 有人根据公式v ＝ ωr 说：人造地球卫星的轨道半径增大2倍，卫星的速度也增大2倍。 但由公式 可知，轨道半径增大时，人造地球卫星的速度是减小的。应当怎样正确理解这个问题？
解：
只有当角速度不变时，才满足半径增大2倍，线速度就增大2倍；
实际上，随着半径的增大，由开普勒第三定律 可知，周期在变大，
故角速度在减小，而不能保持不变，即角速度为：
四、练习与应用
教材第64页
2. “2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。”根据以上消息，若不计发射与降落时间，飞船看作绕地球做匀速圆周运动，试估算神舟五号绕地球飞行时距地面的高度。已知地球质量m地＝ 6.0×10 kg，地球半径R＝6.4×10 km。
24
3
解：
其中
四、练习与应用
教材第64页
3. 已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，地球自转的周期为T，求地球同步卫星的向心加速度大小。
解：
其中地球表面上的物体所受的万有引力可以近似认为重力：
四、练习与应用
教材第64页
4. 已知金星的半径是地球半径的95%，质量为地球质量的82%，金星表面的自由落体加速度是多大？金星的“第一宇宙速度”是多大？
解：
在金星表面：
在地球表面：
1、如图所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造卫星，a和b的质量相等，且小于c的质量，则(　　)
A．b所需向心力最小
B．b、c的周期相等且大于a的周期
C．b、c的向心加速度大小相等，且大于
a的向心加速度
D．b、c的线速度大小相等，且小于a的
线速度
ABD
五、当堂检测
2、我国“中星11号”商业通信卫星是一颗同步卫星，它定点于东经98.2度的赤道上空，关于这颗卫星的说法正确的是(　　)
A．运行速度大于7.9 km/s
B．离地面高度一定，相对地面静止
C．绕地球运行的角速度比月球绕地球
运行的角速度大
D．向心加速度与静止在赤道上物体的
向心加速度大小相等
近地卫星的速度
T一定，r一定
B
五、当堂检测
3、某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t后，物体以速率v落回手中．已知该星球的半径为R，求该星球上的第一宇宙速度的大小．
解析 据匀变速的规律，该星球表面的重力加速度
由牛顿第二定律:
近地卫星的速度
星球对卫星的引力(重力)提供向心力
星球的第一宇宙速度:
五、当堂检测
4.如图所示，在“嫦娥”探月工程中，设月球半径为R，月球表面的重力加速度为g0。飞船在半径为4R的圆型轨道Ⅰ上运动，到达轨道的A点时点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ，到达轨道的近月点B时，再次点火进入近月轨道Ⅲ绕月做圆周运动，则（　　）
A．飞船在轨道Ⅲ的运行速率大于
B．飞船在轨道Ⅰ上运行速率等于在轨道Ⅱ上B处的速率
C．飞船在轨道Ⅰ上的重力加速度小于在轨道Ⅱ上B处重力加速度
D．飞船在轨道Ⅰ、轨道Ⅲ上运行的周期之比TI∶TIII=4∶1
C
五、当堂检测
5．“荧火二号”在2020年7月至8月间的地球—火星霍曼转移轨道发射窗口择机发射。已知火星的质量约为地球质量的1/9，火星的半径约为地球半径的1/2。下列关于“荧火二号”火星探测器的说法中正确的是（　　）
A．发射速度只要大于第一宇宙速度即可
B．发射速度只有达到第三宇宙速度才可以
C．发射速度应大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度
D．火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的
CD
五、当堂检测
6．如图所示，A，B，C三颗人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，已知三颗卫星的质量关系为mA=mBA．线速度大小关系为vA>vB=vC
B．加速度大小关系为aAC．向心力大小关系为FA=FBD．周期关系为TA>TB=TC
A
五、当堂检测