人教版(新教材)高中物理必修2：7.4-宇宙航行ppt课件.pptx

4 宇宙航行 第七章第七章 万有引力与宇宙航行万有引力与宇宙航行【新课导入】【新课导入】如图所示，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；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。你知道这个速度究竟有多大吗？1、曾经的飞天2、牛顿的设想在高山上，平抛一物体，物体会落地，如果增加平抛初速度，会出现什么现象？v增大增大在简化之后，在高中物理中有：1、物体只受到指向地心指向地心的引力作用；2、物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动匀速圆周运动；3、万有引力提供物体运动所需的向心力万有引力提供物体运动所需的向心力。物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略。一、宇宙速度一、宇宙速度设地球的质量为m地，物体的质量为m，速度为v，它到地心的距离为r。万有引力提供物体运动所需的向心力万有引力提供物体运动所需的向心力，所以由此解出已知地球质量为5.981024kg，近地卫星在100200km的高度飞行，远小于地球半径（6400km），可以近似用地球半用地球半径径R代替卫星到地心的距离代替卫星到地心的距离r。把数据代入上式后算出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。第一宇宙速度。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，有思考与讨论：有人说，第一宇宙速度也可用 （式中g为重力加速度，R为地球半径）算出，你认为正确吗？在地面附近发射飞行器，如果速度等于 7.9 km/s，这一飞行器只能围绕地球做圆周运动，还不能脱离地球引力的束缚，飞离地球实现星际航行。第一宇宙速度v1=7.9km/s理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大于 7.9 km/s，又小于 11.2 km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于 11.2 km/s 时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把 11.2 km/s叫作第二宇宙速度第二宇宙速度v2=11.2km/s达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于 16.7 km/s，这个速度叫作第三宇宙速度.第三宇宙速度v3=16.7km/s总结：发射速度v运动情况v7.9km/s物体落回地面v=7.9km/s物体在地面附近做匀速圆周运动7.9km/sv11.2km/s物体绕地球运动，轨迹为椭圆11.2km/sv16.7km/s物体绕太阳运动16.7km/sv物体飞出太阳系二二 、人造地球卫星、人造地球卫星1、人造地球卫星的轨道人造卫星做匀速圆周运动：万有引力提供向心力轨道中心：地心2.卫星的绕行速度、角速度、周期和轨道半径的关系（1）线速度随轨道半径的关系：可见：卫星绕行轨道半径越大，绕行速度越小。（2）角速度随轨道半径的关系：可见：卫星绕行的角速度随轨道半径增大而减小。（3）周期随轨道半径的关系：可见：卫星绕行的周期随轨道半径增大而增大。由、式可以看出卫星的线速度随高度增大而减小，角速度随高度增大而减小，周期随高度增大而增大。在周期、角速度、线速度和轨道半径四个物理量中，一个量发生变化时，另外三个量一定同时变化。F赤道平面北南东西F思考：卫星的轨道3.人造地球卫星的运行轨道 卫星绕地球做匀速圆周运动时，是地球的引力提供向心力，卫星受到地球的引力方向指向地心，而做圆周运动的向心力方向始终指向圆心，所以卫星圆周运动的圆心和地球的地心重合。这样就存在三类人造地球卫星轨道：赤道轨道，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方；极地轨道，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空；一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。思考：众多人造地球卫星中，哪些卫星转动最快？R越小，v越大（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=7.9km/s所有人造卫星的最小发射速度，与最大环绕速度4.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，它跟着地球转，同步地球做匀速圆周运动，其周期T=24h.A、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。B、关于同步卫星的六个“一定”轨道平面一定周期与角速度一定运转方向一定轨道半径一定向心加速度的大小一定速度大小一定赤道平面24h6.6R3.08km/s自西向东C、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。h=3.6107mr=4.2107mv=3km/sT=24hh=3.8108mr3.8108mv=1km/sT=27天h0r=6.4106mv=7.9km/sT=84分钟同步卫星近地卫星月球近地卫星、同步卫星、月球三者比较4.人造卫星的发射速度与运行速度人造卫星的发射速度与运行速度（1）发射速度发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度的速度,并且一旦发射就再也没有补充能量并且一旦发射就再也没有补充能量,被发射物仅依被发射物仅依靠自身的初动能克服地球引力做功上升一定高度靠自身的初动能克服地球引力做功上升一定高度,进入运进入运行轨道行轨道.因卫星上升过程中要克服引力和空气阻力因卫星上升过程中要克服引力和空气阻力(在大气在大气层中时层中时)做功消耗动能做功消耗动能,所以卫星越高所以卫星越高,发射速度越大。发射速度越大。（2）运行速度运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度周运动的线速度,根据根据 可知可知,卫星越高轨道半卫星越高轨道半径越大径越大,卫星运行速度卫星运行速度(环绕速度环绕速度)就越小就越小,近近 地卫星可认地卫星可认为为v发发=v运运,其它较高卫星的其它较高卫星的v发发 v运运.（1）嫦娥探月轨道图5.5.卫星变轨卫星变轨（2）卫星变轨原理MmF引引vF引引=F向向F引引F向向升入高轨升入高轨 降入低轨降入低轨(3)卫星发射1 12 2卫星在圆形轨道运行速度为v1v2rF引v减小减小3 32 2v3v4（4）卫星回收3 32 21 13 32 21 1（5）小结A、在轨道相切点，万有引力相同，加速度相同B、椭圆轨道上：近地点：速度大，加速度大远地点：速度小，加速度小3 32 21 1v2 v1 v4 v3 v4v3v2v1C、速度关系人类航天始祖-万户人类航天的始祖是我国明朝的万户。在15世纪的我国明朝早期，一位名叫“万户”的官员，在一把椅子的背后装上47支火箭。当然，那是当时能买到的最大的火箭。他自己坐在椅子上，并用绳子绑紧。两手则各拿一个大风筝。然后他要仆人将47支火箭同时点燃，想借用火箭的力量把他推向空中。这是美国人罗伯特吉姆在1945年出版的火箭与喷射一书中的叙述。英国、德国和前苏联的一些火箭专家，在他们的著作中也提到或引用了这件事。可见，万户是世界上公认的“第一个尝试利用火箭进行飞行的人”。为表彰他的功绩，国际天文联合会将月球上的一座环形山命名为“万户”。三、载人航天与太空探索三、载人航天与太空探索1957年10月，苏联发射第一颗人造地球卫星。1961年4月12日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，实现了人类进入太空的梦想。1969年7月20日，阿波罗11号将人类送上了月球。四、梦想成真四、梦想成真谁为人类迈向太空提供科学思想1919世纪中叶俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基世纪中叶俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基（喷气推进的多级火箭）（喷气推进的多级火箭）第一颗人造地球卫星何时何地发射成功19571957年年1010月月4 4日苏联日苏联第一艘载人飞船何时何地发射成功19611961年年4 4月月1212日日 苏联苏联 加加林加加林 东方一号载人飞船东方一号载人飞船人类何时登上月球19691969年年7 7月月1616日日9 9时时3232分，美国分，美国 阿波罗阿波罗1111号升空，号升空，1919日进入月球轨日进入月球轨道，道，2020日下午日下午4 4时时1717分着陆，分着陆，1010时时5656分阿姆斯特朗踏上月面。分阿姆斯特朗踏上月面。对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大飞跃。对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大飞跃。人类遨游太空回顾人类遨游太空回顾蒂托2001年4月30日，第一位太空游客、美国人蒂托（中）快乐地进入国际空间站，开始了他为期一周的太空观光生活。太空旅游的开辟使得普通人也能够像宇航员一样畅游星际之间。1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空 我国的航天成就我国的航天成就2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功1992年我国载人航天工程正式启动20032003年年1010月月1515日日神舟五号神舟五号 杨利伟杨利伟20052005年年1010月月1212日日神舟六号神舟六号 费俊龙费俊龙 聂海胜聂海胜20082008年年9 9月月2525日日神舟七号神舟七号翟志刚翟志刚 刘伯明刘伯明 景海鹏景海鹏