7.4宇宙航行 课件（共32张PPT）

(共32张PPT)
第4节宇宙航行
年 级：高一
学 科：物理（人教版）
万有引力成就
推磨
“称量”地球的质量
计算天体的质量
发现未知天体
海王星，预言哈雷彗星回归
一、宇宙速度
平抛运动
人站在地面上水平向前扔出一个小球，不计空气阻力，则小球的运动为：
如果不断增加抛出的初速度，则有：
一、宇宙速度
平抛运动
人站在地面上水平向前扔出一个小球，不计空气阻力，则小球的运动为：
如果不断增加抛出的初速度，则有：
那么可不可能小球的速度达到某一值时，小球便不会落回地面上了？
平抛运动
一、宇宙速度
人站在地面上水平向前扔出一个小球，不计空气阻力，则小球的运动为：
在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：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。
Newton’s cannon
平抛运动
一、宇宙速度
人站在地面上水平向前扔出一个小球，不计空气阻力，则小球的运动为：
在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：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。
有没有可能当抛出速度足够大时，物体就不会落回地面了？
这个时候，小球就成了一颗人造地球卫星了。小球会从后面绕回来打到人的身上。
这个使小球不会落回地面的速度究竟是多大呢？
平抛运动
一、宇宙速度
人站在地面上水平向前扔出一个小球，不计空气阻力，则小球的运动为：
平抛运动
一、宇宙速度
人站在地面上水平向前扔出一个小球，不计空气阻力，则小球的运动为：
物体在地球附近绕地球运动时，物体只受到指向地心的引力作用，物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动。
若知道地球的质量M和物体做圆周运动的轨道半径r，就可求出物体绕行速度的大小。
平抛运动
一、宇宙速度
人站在地面上水平向前扔出一个小球，不计空气阻力，则小球的运动为：
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).
1. 第一宇宙速度
平抛运动
一、宇宙速度
人站在地面上水平向前扔出一个小球，不计空气阻力，则小球的运动为：
1. 第一宇宙速度
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时，还可近似认为是重力来提供需要的向心力：
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
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）
二、人造地球卫星
北斗导航卫星
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
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)
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。
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
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：