(共37张PPT)
5 宇宙航行
一、人造卫星的发射原理
二、宇宙速度
三、人造卫星的运动规律
四、人造卫星的超重和失重
五、地球同步卫星
5 宇宙航行
牛顿设想：抛出速度很大时，物体就不会落回地面
一、人造卫星的发射原理
设地球质量为M，半径为R。人造地球卫星在圆轨道上运行，质量为m，轨道半径为r。那么，在该轨道上做匀速圆周运动的卫星的速度v如何推算？
卫星离地心越远，它运行的速度越慢。
这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的最低发射速度，叫做第一宇宙速度。
近地面的卫星的速度是多少呢？
M=5.98×1024kg
1、第一宇宙速度： (环绕速度）
V1=7.9km/s
地球
11.2km/s>v>7.9km/s
2、第二宇宙速度： (脱离速度)
V2=11.2km/s
V3=16.7km/s
3、第三宇宙速度：（逃逸速度）
→人造行星
→人造恒星
人造卫星
二、宇宙速度
概念辨析 发射速度和运行速度
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：是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。
r↗ v↘
近地卫星
其它卫星
①宇宙速度均指发射速度
②第一宇宙速度为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
练习： 求近地卫星的周期
我们能否发射一颗周期为80min的卫星呢？
法二：
在某星球表面上以v0竖直上抛一物体，经时间t回到抛出点，问在此星球上至少以多大的速度水平抛出该物，才能是该物不再回到星球上？（设星球的半径为R）
例题分析
竖直上抛
近地运行
抛体运动与万有引力综合
三、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 = GM/r2
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
凡人造卫星的问题都可从下列关系去列运动方程，即:
重力=万有引力=向心力
例题分析 人造卫星的超失重问题
在火箭的实验平台上放有测试仪器，火箭起动后以g/2的加速度竖直匀加速上升，到某一高度时仪器对平台的压力为起动前对平台压力的17/18，求：此时火箭离地面的高度？ （已知地球半径为R,地面重力加速度为g)
地面时：
空中时：
在绕地球做匀速圆周运动的航天飞机外表面，有一隔热陶磁片自动脱落，则（ ）
A、陶磁片做平抛运动
B、陶磁片做自由落体运动
C、陶磁片按原轨道做匀速圆周运动
D、陶磁片做圆周运动，逐渐落后于航天飞机
C
例题分析 完全解读P136第10题
四、地球同步卫星
1、所谓地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星，它在轨道上跟着地球自转，同步地做匀速圆周运动，它的周期：T＝24h
2、所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上 ，即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫星离地面高度及线速度均为定值。
v
F引
同步卫星
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。
同步卫星
近地卫星
月球
近地卫星、同步卫星、月球三者比较
赤道轨道
极地轨道
倾斜轨道
同步轨道
自转轴
1999年5月10日，我国成功地发射了“一箭双星”，将“风云1号”气象卫星和“实验5号”科学实验卫星送入离地面870km的轨道，已知地球半径为6400km，这两颗卫星的运动速度约为 A、11.2km／s B、7.9km／s C、7.4km／s D、2.1km／s
C
例题分析
用m表示地球通讯卫星（同步卫星）的质量，h表示它离开地面的高度，R0表示地球的半径，g0表示地面处的重力加速度，ω0表示地球自转的角速度，则通讯卫星所受的地球对它的万有引力的大小为 [ ]
B C
例题分析
同步卫星离地距离r，运行速率为V1，加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，第一宇宙速度为V2，地球半径为R，则
A、 B、 C、 D、
例题分析
AD
11.我国自行研制发射的“风云一号”“风云二号”气象卫星的飞行轨道是不同的，“风云一号”是极地圆形轨道卫星，其轨道平面与赤道平面垂直，周期为T1=12 h；“风云二号”是同步轨道卫星，其轨道平面就是赤道平面，周期为T2=24 h.两颗卫星相比：______离地面较高；______观察范围较大；______运行速度大.若某天上午8点“风云一号”正好通过赤道附近太平洋上一个小岛的上空，那么“风云一号”下一次通过该小岛上空将是 。
二号
一号
一号
次日上午8点
卫星的追击问题
2006年江苏卷14、
14、A是地球的同步卫星，另一卫星B的圆形轨道位于赤道平面内，离地面高度为h，已知地球半径为R，地球自转角速度ω0，地球表面的重力加速度为g，O为地球中心。
（1）求卫星B的运动周期
（2）如卫星B绕行方向与地球自转方向相同，某时刻A、B两卫星相距最近（O、B、A在同一直线上）则至少经过多长时间，它们再一次相距最近？
解:（1）
联立①②得
（2）由题意得 (ωB-ω0)t=2π ④
由③得
代入④得
(A) 机械能逐渐减小 (B) 动能逐渐减小 (C) 运行周期逐渐减小 (D) 加速度逐渐减小
1.神六在绕地球运行的过程中，由于高空稀薄空气的阻力影响，将很缓慢地逐渐向地球靠近，做轨道逐渐减小的螺旋线运动，设每时刻可以近似看作是一个圆周运动（只是半径逐渐减小），则神六的
神州六号的相关问题
AC
卫星运动中的能量问题
例题分析
卫星的变轨问题
点火
改变v大小
改变所需向心力
变轨原理：
2、神六变轨
神六飞船入轨后先是在近地点200公里，远地点350公里的椭圆轨道上运行，运行5圈时，然后变轨到距地面343公里的圆形轨道。为什么它的轨道是椭圆轨道？
10月12日15时55分，北京航天飞控中心发出指令，启动神舟六号轨控发动机，从15时54分45秒开始，发动机工作了63秒，飞船的运动已接近圆形，飞船变轨如何实现？
比较v1、v2、v3的大小?
神州六号的相关问题
v1____v2
v2____v3
v1____v3
>
<
>
v1>v3>v2
10.发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于Q点。轨道2、3相切于P点，如图所示。当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是
A.卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
B.卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度
C.卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度
D.卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度
BD
若飞船要与轨道空间站对接，飞船为了追上轨道空间站（ ）
A、可以从较低的轨道上加速
B、可以从较高的轨道上加速
C、可以从与空间站同一轨道上加速
D、无论在什么轨道上，只要加速都行
例题分析
A
12
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。
例题分析
D
小 结：
一、宇宙速度
1、第一宇宙速度（环绕速度） v1=7.9km/s
2、第二宇宙速度（脱离速度） v2=11.2km/s
3、第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s
二、同步卫星
1、周期T=24h
2、卫星轨道平面与地球赤道平面重合
例题分析 完全解读P126考题6
解题思路：
求r
求sinθ
求h
求S
例题分析 完全解读P127考题8
日照
解题思路：
求T1
求一个周期内通过光照面的次数n
求l
θ
（16分）某颗地球同步卫星正下方的地球表面上有一观察者，他用天文望远镜观察被太阳光照射的此卫星，试问，春分那天（太阳光直射赤道）在日落12小时内有多长时间该观察者看不见此卫星？已知地球半径为R，地球表面处的重力加速度为g,地球自转周期为T，不考虑大气对光的折射。
2004年广西卷16、
解：设所求的时间为t，用m、M分别表示卫星和地球的质量，r 表示卫星到地心的距离.
春分时，太阳光直射地球赤道，如图所示，
图中圆E表示赤道，S表示卫星，
A表示观察者，O表示地心.
由图可看出当卫星S绕地心O转到图示位置以后（设地球自转是沿图中逆时针方向），其正下方的观察者将看不见它. 据此再考虑到对称性，有
rsinθ =R ②
由以上各式可解得
例题分析
例题分析 完全解读P128考题10
黑洞问题
原理：
1、光子恰沿黑洞表面做匀速圆周运动
2、第二宇宙速度＞真空中光速的天体
第五节 宇宙航行
第六节 经典力学的局限性
【巩固教材—稳扎稳打】
1．关于第一宇宙速度，下面说法正确的是 ( )
A．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B．它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度
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
2．关于环绕地球运转的人造地球卫星，有如下几种说法，其中正确的是 ( )
A. 轨道半径越大，速度越小，周期越长
B. 轨道半径越大，速度越大，周期越短
C. 轨道半径越大，速度越大，周期越长
D. 轨道半径越小，速度越小，周期越长
3．启动卫星的发动机使其速度加大，待它运动到距离地面的高度比原来大的位置，再定位使它绕地球做匀速圆周运动成为另一轨道的卫星，该卫星后一轨道与前一轨道相比
( )
A. 速率增大 B．周期增大
C．向心力增大 D. 加速度增大
4. 人造地球卫星绕地球作匀速圆周运动，其速率是下列的 ( )
A．一定等于7.9 km/s B. 等于或小于7.9 km/s
C. 一定大于7.9 km/s D. 介于7.9 km/s~11.2 km/s
【重难突破—重拳出击】
1. 下列说法正确的是 ( )
A．经典力学能够说明微观粒子的规律性
B．经典力学适用于宏观物体的低速运动问题，不适用于高速运动问题
C．相对论和量子力学的出现，表示经典力学已失去意义
D．对于宏观物体的高速运动问题，经典力学仍能适用
2．同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星 ( )
A．它可以在地面上任一点的正上方，且离地心的距离可按需要选择不同值
B．它可以在地面上任一点的正上方，但离地心的距离是一定的
C．它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要选择不同值
D．它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的
3．两颗人造卫星A、B绕地球做圆周运动，周期之比为，则轨道半径之比和运动速率之比分别为 ( )
A．，
B．，
C．，
D．，
4. 人造卫星绕地球做匀速圆周运动，设地球的半径为R，地面处的重力加速度为g，则人造卫星： ( )
A．绕行的最大线速度为 B．绕行的最小周期为
C．在距地面高为R处的绕行速度为 D．在距地面高为R处的周期为
5．宇宙飞船要与环绕地球运转的轨道空间站对接，飞船为了追上轨道空间站 ( )
A．可以从较低轨道上加速
B．可以从较高轨道上加速．
C．只能从与空间站同一高度轨道上加速
D．无论在什么轨道上，只要加速都行
6．发射地球同步卫星时，先将卫星发射到近地圆轨道1，然后在圆轨道1的Q点经点火使卫星沿椭圆轨道2运行，待卫星到椭圆轨道2上距地球最远点P处，再次点火，将卫星送入同步圆轨道3，如图7-2所示．则卫星在轨道1、2和3上正常运行时，有： ( )
A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
B．卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度
C．卫星在轨道1上经Q点的加速度等于它在轨道2上经Q点的加速度
D．卫星在轨道2上运行时经过P点的加速度跟经过Q点的加速度相等
7．1998年8月20日，中国太原卫星发射中心为美国“铱”星公司成功发射了两颗“铱”星系统的补网星。1998年9月23日，“铱”卫星通讯系统正式投入商业运行，标志着一场通讯技术革命开始了。原计划的“铱”卫星通讯系统是在距地球表面780 km的太空轨道上建立一个由77颗小卫星组成的星座。这些小卫星均匀分布在覆盖全球的7条轨道上，每条轨道上有11颗卫星，由于这一方案的卫星排布像化学元素“铱”原子的核外77个电子围绕原子核运动一样，所以称为“铱”星系统。后来改为由66颗卫星，分布在6条轨道上，每条轨道上由11颗卫星组成，仍称它为“铱”星系统。“铱”星系统的66颗卫星，其运行轨道的共同特点是 ( )
A．以地轴为中心的圆形轨道
B．以地心为中心的圆形轨道
C．轨道平面必须处于赤道平面内
D．铱星运行轨道远低于同步卫星轨道
8．在地球大气层外有很多太空垃圾绕地球做匀速圆周运动，每到太阳活动期，由于受太阳的影响，地球大气层的厚度开始增加，而使得部分垃圾进入大气层，开始做靠近地球的向心运动，产生这一结果的原因是 ( )
A．由于太空垃圾受到地球引力减小而导致的向心运动
B．由于太空垃圾受到地球引力增大而导致的向心运动
C．由于太空垃圾受到空气阻力而导致的向心运动
D．地球的引力提供了太空垃圾做匀速圆周运动所需的向心力，故产生向心运动的结果，与空气阻力无关
【巩固提高—登峰揽月】
1．经典力学的适用范围是什么？
2．1986年2月20日发射升空的“和平号”空间站，在服役15年后于2001年3月23日坠落在太平洋．“和平号”风风雨雨15年铸就了辉煌业绩，已成为航天史上的永恒篇章．
“和平号”空间站总质量137t，工作容积超过400m3．是迄今为止人类探索太空规模最大的航天器，有“人造天宫”之称．在太空运行的这一“庞然大物”按照地面指令准确降落在预定海域，这在人类历史上还是第一次．“和平号”空间站正常运行时，距离地面的平均高度大约是350km．为保证空间站最终安全坠毁，俄罗斯航天局控制中心对空间站的运行做了精心安排和控制．在坠毁前空间站已经顺利进入指定的低空轨道，此时“和平号”距离地面的高度大约为240km．在“和平号”沿指定的低空轨道运行时，其轨道高度平均每昼夜降低2.7km．
设“和平号”空间站正常运行时沿高度为350km圆形轨道运行，在坠落前沿高度240km的指定圆形低空轨道运行．而且沿指定的低空轨道运行时，每运行一周空间站高度变化很小，因此计算时对空间站的每一周的运动都可以作为匀速圆周运动处理．（计算中取地球半径R=6.4×103km）”
（1）空间站沿正常轨道运行时的加速度与沿指定的低空轨道运行时加速度大小的比值多大？（计算结果保留2位有效数字）
（2）空间站沿指定的低空轨道运行时，每运行一周过程中空间站高度平均变化多大？（计算中取地球半径 R=6.4×103km，计算时保留1位有效数字．）
第五节 宇宙航行
第六节 经典力学的局限性
【巩固教材－稳扎稳打】1.BC 2.A 3.B 4. B
【重难突破—重拳出击】1.B 2.D 3.D 4.AB 5.A 6.BC 7.BD 8.C
【巩固提高—登峰揽月】1.以牛顿运动定律为基础的经典力学只适用于解决低速运动问题，不适用于处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子；只使用于弱引力，而不使用于强引力的情况。
2.（1）0.97 （2） 0.2km
【课外拓展—超越自我】⑴.能到地球大气层以外的宇宙空间去执行科学探索、开发、利用宇宙天体星际活动等航天任务的宇宙航行飞行器，称为航天器 ⑵.专用有效载荷系统
P
1
2
3
Q
图7-2
