7.4 宇宙航行 课件（45张PPT）

学习目标：
1.知道三个宇宙速度的含义和数值，会计算第一宇宙速度．(重点)　
2.掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系．(重点)　
3.理解近地卫星、同步卫星的区别．(难点)　
4.掌握卫星的变轨问题．(难点)
嫦娥五号奔月全程回顾
思考讨论
登月过程需要解决的问题？
1、如何让嫦娥五号飞出地球？
2、如何让嫦娥五号飞向月球？
3、如何让航天器飞向宇宙？
思考讨论
1、拿一支粉笔水平抛出，粉笔做什么运动？
2、在相同高度使抛出时的速度更大一些，与第一次抛出有什么区别？
3、是否可以一直运动不掉下来？为什么会这样呢？
可以看作平抛运动
水平飞出的距离更远
不可以，因为受到重力作用，粉笔会向下运动。
思考
事实上，在高山上抛出一个物体，速度越大，落地点离高山就越远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球转动，成为一颗永远绕地球运动的人造卫星。
思考
以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运动的卫星?
方法一：万有引力提供向心力
思考
以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运动的卫星?
方法二：重力充当向心力
第一宇宙速度
定义：卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度。
不同高度的卫星绕地球做匀速圆周运动的速度相同吗？试比较它们的大小！
卫星的运动半径与速度的关系
设卫星离地高度h，地球半径为R，由万有引力定律可得
????????????(????+????)????=????????????(????+????)
?
????=????????????+????
?
h越大，v越小。
h最小可以为0，因此
????=????????????≈????.????????????/????
?
是最大速度。
第一宇宙速度
定义：卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度。
卫星运动半径越大，卫星绕地球转动的线速度就越小，角速度越小，周期越小。
第一宇宙速度
定义：卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度。
“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力．近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度．
“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由公式可得，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度．
卫星发射速度与运动轨道
如果卫星发射速度大于7.9km/s，又会发生什么呢?
（1）发射速度为v=7.9km/s时，地球对卫星的引力恰好等于卫星绕地球做匀速圆周运动所需要的向心力，卫星贴近地表运动（供给=需求）
（2）发射速度为v>7.9km/s时，地球对卫星的引力小于卫星该速度下绕地球做圆周运动所需要的向心力，卫星做离心运动（供给<需求）。
v
F引
由于受地球万有引力作用，卫星不会直接飞离地球，而是在万有引力作用下绕地球做轨迹为椭圆的运动。
发射速度越大，卫星椭圆运动的轨道半径越大！
第二宇宙速度
第三宇宙速度
发射速度不断增大，卫星是否一直做椭圆运动呢?
经过精确的计算和实践探索，当卫星发射速度v>11.2km/s时，卫星将克服地球引力而飞向更远的地方被太阳引力捕获，不再绕着地球转动，而是绕太阳转动。
11.2km/s是使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度，称为第二宇宙速度。
当卫星发射速度v>16.7km/s时，卫星将克服太阳引力而飞向更远的地方不再绕太阳转动。这个速度也称为第三宇宙速度。
六大宇宙速度
例题讲解
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？
?
解析：
公式v＝ωr中速度与半径成正比的条件是????不变。
由????引=????????????????2????向=????????2????得????=????????????3可知卫星轨道半径增大时????减小。因此这个说法是不成立的。
?
例题讲解
“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，若练习与应用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＝ 6.0×1024 kg，地球半径R＝6.4×103km。
审题指导：
结合所学过的圆周运动相关物理量的计算公式，题目给出的信息中重点突出了“飞船绕地球飞行14圈”、发射时间及返回时间，可以利用这些信息来求出飞船绕地球转动的周期T。
例题讲解
由题意可得，飞船总运动时间t=（21×60+23）×60=76980s
?
总运动圈数n=14
则飞船的运动周期T≈5500s
?
由????引=????????????????2????向=????4????2????2????可得????=3????????????24????2
?
代入数据可得运行半径????≈6.7×103km
?
则离地高度h=r-R=300km
人造地球卫星
1957年10月4日，苏联发射了第一颗地球人造卫星。它的本体是一只用铝合金做成的圆球，直径58厘米，重83.6公斤。它在拜克努尔发射场由一支三级运载火箭发射。起飞以后几分钟，卫星从第三级火箭中弹出，达到第一宇宙速度(7.9公里/秒)，进人环绕地球飞行的轨道。它距离地面最远时为964.1公里，最近时为228.5公里，轨道与地球赤道平面的夹角为65度，以96.2分钟时间绕地球1周，比原来预计的所需时间多1分20秒。
世界上第一颗人造卫星：“斯普特尼克”一号。它是航天启蒙时代的产物，是冷战时期太空竞争的标志。
人造地球卫星
东方红一号卫星于1958年提出设想计划，1965年开始研制工作，于1970年4月24日在酒泉卫星发射中心成功发射。东方红一号卫星重173千克，由长征一号运载火箭送入近地点441千米、远地点2368千米、倾角68.44度的椭圆轨道，进行了轨道测控和《东方红》乐曲的播送。东方红一号卫星工作28天（设计寿命20天）。卫星于5月14日停止发射信号。东方红一号卫星仍在空间轨道上运行。
东方红一号发射成功，开创了中国航天史的新纪元，使中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。
人造地球卫星
人造卫星分类：通信卫星、测地卫星、气象卫星、科学卫星等
人造地球卫星轨道示意图
认真观察各轨道，它们都有什么特点？
根据发射速度和目的的不同，各卫星的运动轨道一般是不同的，但它们都以地球地心为圆心（或椭圆的其中一个焦点）转动。
地球同步卫星
地球同步卫星有何特点？
地球同步卫星转动周期和地球自转周期保持一致，因此轨道平面在赤道平面上，始终在地面某点上空与地球同步转动。
地球同步卫星
试计算地球同步卫星的轨道半径和线速度？
由????引=????????????????2????向=????4????2????2????可得????=3????????????24????2
?
代入数据，得R≈4.25×107m≈6.6R0
?
离地高度h=R-R0=5.6R0
由????=2????????????可得，????≈465????/????
?
载人航天与太空探索
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。
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。”
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。
中国航天史
科学的未来,只能属于勤奋而又谦虚的年轻一代—— 巴甫洛夫
年轻是最大的资本，名垂青史的科学家如牛顿、爱因斯坦、劳伦斯·布拉格、维纳·海森堡、李政道等等都是在青年时代就取得了伟大的成就。
中国的航天未来，属于你们这一代人。你们是否有幸投身于未来的航天事业，为祖国、为世界贡献自己的价值，就决定于现在付出的辛劳与汗水。
例题讲解
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：
设同步卫星离地高度为h，向心加速度大小为a
由万有引力定律可得????????????????2=????????????????????(????+?)2=????????···①
由????向=????4????2????2（????+?）=???????? ··· ②
联立①②，解得????=316????4????2????????4
?
例题讲解
CD
例题讲解
例题讲解
B
例题讲解
例题讲解
例题讲解
B
例题讲解
例题讲解
C
例题讲解
例题讲解
AD
例题讲解
例题讲解
A
例题讲解
例题讲解
CD
例题讲解
谢谢观看，完成课后作业！