7.4宇宙航行 课件（30张PPT）

(共30张PPT)
中物理
第4节 宇宙航行
第七章 万有引力与宇宙航行
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。
实际上，早在 1687 年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿就设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。
A
v
课堂引入
1、发射人造卫星的两个阶段和两个速度
（1）发射阶段：即发射升空过程，有动力加速上升和减速上升，
无动力箭星分离到达运行轨道。
（2）发射速度：指人造卫星在发射阶段的最大速度。
（3）环绕阶段：卫星在既定轨道无动力匀速圆周运动的过程。
（4）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。
两个速度关系：同一运行轨道的发射速度大于环绕速度，即V发射>V环绕．
一、宇宙速度
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。
注意：宇宙速度都是对应状态下的发射速度最小值；
以上三个宇宙速度都是地球上的宇宙速度，
不同中心天体发射人造天体的三个宇宙速度不相同。但求值方法相同．
3.第三宇宙速度：
（1）概念：飞行器逃到太阳系之外成为自由天体的地面最小发射速度v3=16.7km/s，也称逃逸速度
（2）状态：摆脱太阳引力，逃出太阳系。成为自由天体
2.第二宇宙速度：
（1）概念：飞行器脱离地球引力，绕太阳运行成为人造行星的地面最小发射速度为v2=11.2km/s，也称脱离速度
（2）飞行器状态：绕太阳运行，成为人造行星
v=11.2km/s
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）
一、宇宙速度
三个宇宙速度
一、宇宙速度
（1）运动方式: 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：地球球心，万有引力指向地心。
（4）轨道平面。轨道平面必过地心。
1、人造卫星动力学特点：
（1）赤道轨道：轨道在赤道平面上，卫星在
赤道正上方（一般赤道轨道和同步轨道）。
（2）极地轨道：轨道平面与赤道平面
垂直，卫星通过两极上空。
（3）倾斜轨道：卫星轨道和赤道平面成一般夹角。
2、人造卫星的三类可能轨道：
二、人造卫星
极地轨道
倾斜轨道
同步轨道
一般赤道轨道
F引
人造地球卫星的无动力轨道可以像这样的“天使环”吗？
最终稳定轨道的平面如何？
在赤道平面上
F引
F1
F2
3、一般卫星运行参量与轨道半径关系：
相同中心天体时，卫星运动情况(a、V 、ω 、T )是由 r 惟 一决定
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
1
3
2
三个“速”：线速度、角速度、向心加速度
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_______
地球
小
大
小
小
小
“高轨低速长周期”
轨道半径越大, 环绕速度越小，发射速度越大。
发射卫星1、2、3送入对应轨道时所需的发射速度哪一个最大？哪个最小？
和环绕速度结果有矛盾吗？
1
2
3
轨道半径越大，火箭要克服更多的地球引力做功，发射速度越大
人造地球卫星的轨道
卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力充当向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，其轨道可分为三类：
1.赤道轨道：卫星的轨道与赤道共面，卫星始终处于赤道正上方。
3.任意轨道：卫星的轨道与赤道平面成某一角度。
2.极地轨道：卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上空。
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
（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:
（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
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
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.多选）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匀速圆周运行的最小速度
B.它等于人造地球卫星在近地圆形轨道上的运动速度
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动至近地点的速度
典例分析
【正确答案】BC
2.我国中星11号商业通信卫星是一颗地球同步卫星,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小
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
典例分析
【正确答案】B
3.(多选)地球同步卫星离地心的距离为r，运行速度为v1，加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则以下正确的是(　　)
AD
v2
a2
r
R
v1
a1
典例分析
4.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
典例分析
THANKS
“
”