[初中教育]宇宙航行PPT

1、第5節(jié) 宇宙航行 中國人的飛天夢(mèng)中國人的飛天夢(mèng) 外國人的外國人的“飛天飛天”夢(mèng)夢(mèng) 飛天之夢(mèng)的歷史飛天之夢(mèng)的歷史 問題問題: : 一、牛頓關(guān)于衛(wèi)星的設(shè)想 地面上拋出的物體,由于受到地球引 力的作用,最終都要落回到地面。 1. 1.月球也要受到地球引力的作用月球也要受到地球引力的作用, ,為什么月亮為什么月亮 不會(huì)落到地面上來不會(huì)落到地面上來? ? 問問 題題 情情 境境 由于月球在繞地球沿近似圓周的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)由于月球在繞地球沿近似圓周的軌道運(yùn)轉(zhuǎn), ,此時(shí)月球受此時(shí)月球受 到的地球引力到的地球引力( (即重力即重力),),用來充當(dāng)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力用來充當(dāng)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力, ,故故 月球不會(huì)落到地

2、面上來月球不會(huì)落到地面上來. . 一、牛頓關(guān)于衛(wèi)星的設(shè)想 物體做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí),水平速度越大，飛行的 水平距離越遠(yuǎn)。 2. 2.若拋出物體的水平初速度足夠大若拋出物體的水平初速度足夠大, ,物體將會(huì)物體將會(huì) 怎樣怎樣? ?試大膽猜想。試大膽猜想。 由于地球是一個(gè)圓球由于地球是一個(gè)圓球, ,當(dāng)平拋的水平初速度足夠大時(shí)當(dāng)平拋的水平初速度足夠大時(shí), , 物體飛行的距離也很大物體飛行的距離也很大, , 故物體不能再落回地面故物體不能再落回地面, ,而成為一而成為一 顆繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星顆繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星. . ab c o v0 d 問題問題: : 問問 題題 情情 境境 從高山上水平拋出物體，速 度越大，

3、落地點(diǎn)離山腳越遠(yuǎn)。如 果沒有空氣阻力，當(dāng)速度足夠大 時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上 來，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一 顆永遠(yuǎn)繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星。 牛頓人造衛(wèi)星原理牛頓人造衛(wèi)星原理 圖圖 一、牛頓關(guān)于衛(wèi)星的設(shè)想 思考？思考？ 1. 1. 以多大的速度以多大的速度將物體拋出，它才會(huì)成為繞地球表面運(yùn)將物體拋出，它才會(huì)成為繞地球表面運(yùn) 動(dòng)的衛(wèi)星動(dòng)的衛(wèi)星? 推導(dǎo)方法一：推導(dǎo)方法一：萬有引力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力萬有引力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力 r gm v r v m r gmm , 2 2 , 2 2 r v mmg r gmm , 2 gmgr g=9.8m/s2，r=6400km，代入數(shù)據(jù)得：代

4、入數(shù)據(jù)得：skmv/9 . 7 推導(dǎo)方法二：推導(dǎo)方法二：地表附近，地表附近，重力近似等于萬有引力重力近似等于萬有引力 grv 人們把人們把7.9km/s這個(gè)速度稱作這個(gè)速度稱作第一宇宙速度第一宇宙速度,又叫又叫環(huán)繞速度環(huán)繞速度。 如果發(fā)射速度如小于第一宇宙速度如果發(fā)射速度如小于第一宇宙速度,衛(wèi)星將衛(wèi)星將落到地面落到地面; 如果發(fā)射速度等于第一宇宙速度，衛(wèi)星剛好能貼著地球表面作如果發(fā)射速度等于第一宇宙速度，衛(wèi)星剛好能貼著地球表面作 勻速圓周運(yùn)動(dòng)（近地衛(wèi)星）。勻速圓周運(yùn)動(dòng)（近地衛(wèi)星）。 所以，第一宇宙速度是發(fā)射所以，第一宇宙速度是發(fā)射地球地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度。衛(wèi)星的最小發(fā)射速度。 二、宇宙速度

5、第二宇宙速度（脫離速度）第二宇宙速度（脫離速度） v這是衛(wèi)星掙脫地球的引力束縛，成為繞太陽運(yùn)行的這是衛(wèi)星掙脫地球的引力束縛，成為繞太陽運(yùn)行的 人造行星的最小發(fā)射速度人造行星的最小發(fā)射速度 v如果人造天體的速度大于如果人造天體的速度大于11.2km/s而小于而小于16.7km/s， 則它的運(yùn)行軌道相對(duì)于太陽將是橢圓，太陽就成為則它的運(yùn)行軌道相對(duì)于太陽將是橢圓，太陽就成為 該橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)該橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn) v2=11.2 km/s 第三宇宙速度（逃逸速度） v這是衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射 速度 v如果人造天體具有這樣的速度，就可以 擺脫地球和太陽引力的束縛而飛到太陽 系外了 v3=1

6、6.7 km/s 第二宇宙速度第二宇宙速度: :物體克服地球引力物體克服地球引力, ,永遠(yuǎn)脫離地球的速度永遠(yuǎn)脫離地球的速度 （脫離速度）（脫離速度） 第三宇宙速度第三宇宙速度: :物體掙脫太陽引力物體掙脫太陽引力, ,飛出太陽系的速度飛出太陽系的速度. . ( (逃逸速度逃逸速度) ) 11.2 km/s v 7.9 km/s v = 16.7 km/s v = 11.2 km/sv = 7.9km/s 繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡就不再是圓，而是橢繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡就不再是圓，而是橢 圓，發(fā)射速度越大，橢圓軌道越圓，發(fā)射速度越大，橢圓軌道越“扁扁”。 第一宇宙速度第一宇宙速度: :物體在地表附近繞地球做勻

7、速圓周運(yùn)動(dòng)的速度物體在地表附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度. （環(huán)繞速度）（環(huán)繞速度） 二、宇宙速度 1 1、當(dāng)發(fā)射速度為、當(dāng)發(fā)射速度為7.9km/s,7.9km/s, 物體恰好環(huán)繞地球表面做圓周運(yùn)動(dòng)；物體恰好環(huán)繞地球表面做圓周運(yùn)動(dòng)； 2 2、當(dāng)發(fā)射速度大于、當(dāng)發(fā)射速度大于7.9km/s 7.9km/s 時(shí)：時(shí)： 7.9km/s7.9km/sv11.2km/s,11.2km/s,但環(huán)繞速度但環(huán)繞速度7.9km/s7.9km/s 物體仍繞地球運(yùn)行，但徑跡是橢圓；物體仍繞地球運(yùn)行，但徑跡是橢圓； 11.2km/s11.2km/s v 16.7km/s16.7km/s 物體物體脫離太陽的吸引，而成為自

8、由天體。脫離太陽的吸引，而成為自由天體。 二、宇宙速度 1 1、第一宇宙速度（環(huán)繞速度）、第一宇宙速度（環(huán)繞速度）: :就是物體在地就是物體在地 面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度v=7.9km/sv=7.9km/s，若，若 7.9km/sv11.2km/s 7.9km/sv11.2km/s ，它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓，它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓. . ( (最大環(huán)繞速度最大環(huán)繞速度,最小發(fā)射速度最小發(fā)射速度) ) 2 2、第二宇宙速度（脫離速度）：、第二宇宙速度（脫離速度）：當(dāng)物體的速度當(dāng)物體的速度 大于或等于大于或等于11.2km/s11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星克服

9、地球的引力，永時(shí)，衛(wèi)星克服地球的引力，永 遠(yuǎn)離開地球。我們把這個(gè)速度叫第二宇宙速度。達(dá)遠(yuǎn)離開地球。我們把這個(gè)速度叫第二宇宙速度。達(dá) 到第二宇宙速度的還受到太陽的引力。到第二宇宙速度的還受到太陽的引力。 3 3、第三宇宙速度（逃逸速度）、第三宇宙速度（逃逸速度）：如果物體的速如果物體的速 度等于或大于度等于或大于16.7km/s16.7km/s，物體就擺脫了太陽引力的束，物體就擺脫了太陽引力的束 縛，飛到太陽系以外的宇宙空間去。我們把這個(gè)速度縛，飛到太陽系以外的宇宙空間去。我們把這個(gè)速度 叫第三宇宙速度。叫第三宇宙速度。 表征人造衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的物理量有三個(gè)表征人造衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的物理量有三個(gè): :

10、 環(huán)繞速度環(huán)繞速度v, , 轉(zhuǎn)動(dòng)半徑轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r( (或或r+h,h為離地的高度為離地的高度) ) 轉(zhuǎn)動(dòng)周期轉(zhuǎn)動(dòng)周期t. . 將各種衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)都近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)將各種衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)都近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則，則衛(wèi)衛(wèi) 星環(huán)繞速度、角速度、周期、向心加速度與軌道半徑的關(guān)系：星環(huán)繞速度、角速度、周期、向心加速度與軌道半徑的關(guān)系： 三、人造地球衛(wèi)星運(yùn)行的規(guī)律人造地球衛(wèi)星運(yùn)行的規(guī)律 n mar t mrm r v m r mm g) 4 ( 2 2 2 2 2 r v r gm v 1 ,即 33 1 , rr gm 即 3 32 , 4 rt gm r t即 22 1 , r a r gm a即

11、 結(jié)論：結(jié)論： 衛(wèi)星的運(yùn)行速度、角速度、運(yùn)轉(zhuǎn)周期 與其本身質(zhì)量無關(guān)，僅由軌道半徑?jīng)Q定。 離地面越高的衛(wèi)星，運(yùn)行速度越小， 周期越長，發(fā)射需要的初速度越大。 所以，第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最所以，第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最 小小發(fā)射速度發(fā)射速度，也是衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，也是衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng) 的最大的最大環(huán)繞速度環(huán)繞速度。 （補(bǔ)充）：（補(bǔ)充）：衛(wèi)星發(fā)射速度和衛(wèi)星環(huán)繞速度的區(qū)別衛(wèi)星發(fā)射速度和衛(wèi)星環(huán)繞速度的區(qū)別 三、人造地球衛(wèi)星運(yùn)行的規(guī)律人造地球衛(wèi)星運(yùn)行的規(guī)律 如圖所示，a、b、c是地球大氣層外圓形 軌道上運(yùn)行的三顆人造地球衛(wèi)星，a、b質(zhì)量 相同，且小于c的質(zhì)量，則（） b所需向心力最小 b、c

12、周期相等，且大于a周期 b、c向心加速度相等，且大于a的向心 加速度 b、c線速度相等， 且小于a的線速度 a b d 問題：問題： 將衛(wèi)星送入低軌道和高軌道所需的將衛(wèi)星送入低軌道和高軌道所需的 速度哪一個(gè)更大？哪一個(gè)更容易？為速度哪一個(gè)更大？哪一個(gè)更容易？為 什么？什么？ 三、人造地球衛(wèi)星運(yùn)行的規(guī)律人造地球衛(wèi)星運(yùn)行的規(guī)律 向高軌道發(fā)射衛(wèi)星時(shí)向高軌道發(fā)射衛(wèi)星時(shí), 需要的初速需要的初速 度越大，火箭克服地球?qū)πl(wèi)星的引度越大，火箭克服地球?qū)πl(wèi)星的引 力而需更多的能量力而需更多的能量,對(duì)火箭的要求更對(duì)火箭的要求更 高一些高一些,所以比較困難所以比較困難. 四、課堂練習(xí)課堂練習(xí) 例題例題: 我國發(fā)射的

13、第一顆探月衛(wèi)星我國發(fā)射的第一顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)嫦娥一號(hào)” 的軌道圓形的，的軌道圓形的，且貼近月球表面且貼近月球表面。已知月球質(zhì)量約為地球。已知月球質(zhì)量約為地球 質(zhì)量的質(zhì)量的1/801/80，月球的半徑約為地球半徑的，月球的半徑約為地球半徑的1/41/4，地球上的，地球上的 第一宇宙速度約為第一宇宙速度約為7.9km/s7.9km/s，求，求“嫦娥一號(hào)嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星繞探月衛(wèi)星繞 月球運(yùn)行的速率？月球運(yùn)行的速率？ 所有衛(wèi)星都在以地心為圓心的圓（或橢圓）軌道上所有衛(wèi)星都在以地心為圓心的圓（或橢圓）軌道上 相對(duì)于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)同步的衛(wèi)相對(duì)于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)同步的衛(wèi) 星叫地球同步衛(wèi)星，又

14、叫通訊衛(wèi)星。星叫地球同步衛(wèi)星，又叫通訊衛(wèi)星。 對(duì)于同步衛(wèi)星的對(duì)于同步衛(wèi)星的 發(fā)射及軌道定位發(fā)射及軌道定位 有什么要求呢，有什么要求呢， 怎樣才能保持與怎樣才能保持與 地球同步呢？地球同步呢？ 地球同步衛(wèi)星：地球同步衛(wèi)星： 同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星 同步衛(wèi)星有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （1）在赤道平面內(nèi)）在赤道平面內(nèi) （2）“四四”一定：一定： 周期一定周期一定 t=24h 高度一定高度一定 h=3.6x104km 角速度一定角速度一定 7.3x10-5/s,每小時(shí)每小時(shí)15 線速度一定線速度一定 v= 3.1x103m/s a 、近地衛(wèi)星、近地衛(wèi)星 r t m r v mmg r gmm 2 ) 2 ( 2 2

15、 s km grv9 . 7 小小時(shí)時(shí)4 . 1min8510.752 3 s g r t b、同步衛(wèi)星、同步衛(wèi)星 小時(shí) （ 24 3 ) 2 gm hr th3.6x104 km 1 2 所有地球衛(wèi)星運(yùn)行速度小于所有地球衛(wèi)星運(yùn)行速度小于7.9km/s、周期大于、周期大于1.4小時(shí)小時(shí) 提示提示 ：同學(xué)們算算，近地衛(wèi)星的周期（最小周期）又是多少呢？：同學(xué)們算算，近地衛(wèi)星的周期（最小周期）又是多少呢？ 思考：思考：我們能否發(fā)射一顆周期為我們能否發(fā)射一顆周期為 80min80min的衛(wèi)星呢？的衛(wèi)星呢？ 不能！不能！ hss g r t m r mm 4 . 1min851007. 5 8 . 9

16、6400000 8.26t r 2t, 4 g 3 2 2 2 代入數(shù)據(jù)，代入數(shù)據(jù)， 得得 人類探索太空的過程人類探索太空的過程 1961年，蘇聯(lián)宇航員尤里尤里加加林加加林，完成人類歷史人類歷史 上第一次宇宙飛行上第一次宇宙飛行，人類飛天夢(mèng)想終于變成現(xiàn)實(shí)。 1963年，瓦蓮蒂娜瓦蓮蒂娜捷列什科娃捷列什科娃， 人類第一位進(jìn)入太空的女性人類第一位進(jìn)入太空的女性。 1969年7月20日，美國宇航員尼尼 爾爾阿姆斯特朗、邁克爾阿姆斯特朗、邁克爾柯林柯林 斯、巴茲斯、巴茲奧爾德林奧爾德林(上圖從左至 右)，成功登月成功登月。 左圖為月球上的奧爾德林，頭 盔中人影為阿姆斯特朗。 19841984年，美國宇

17、航員布魯年，美國宇航員布魯 斯斯麥坎德利斯離開航天飛機(jī)麥坎德利斯離開航天飛機(jī)320320 英尺，完成英尺，完成人類首次無安全索太空人類首次無安全索太空 行走。行走。 20012001年，年，第一位太空游客美國人美國人蒂 托( (中中) )，進(jìn)入國際空間站，開始太空觀，進(jìn)入國際空間站，開始太空觀 光。光。 我國載人航天回顧我國載人航天回顧 楊利偉在太空展示中國和聯(lián)合國國旗楊利偉在太空展示中國和聯(lián)合國國旗我國首位航天員我國首位航天員楊利偉楊利偉 20032003年年 “ “神舟神舟”五號(hào)五號(hào) 中國人中國人“飛天飛天”夢(mèng)圓夢(mèng)圓 費(fèi)費(fèi) 俊俊 龍龍 在在 做做 身身 體體 檢檢 查查 美味佳肴飄進(jìn)來美味

18、佳肴飄進(jìn)來 成功返航成功返航 奉奉 命命 出出 征征 20052005年年 “ “神舟神舟”六號(hào)六號(hào) 首次首次“多人多天多人多天”空間飛行空間飛行 20082008年年 “ “神舟神舟”七號(hào)七號(hào) 首次太空行走首次太空行走 1、三個(gè)宇宙速度三個(gè)宇宙速度： v1=7.9km/s（會(huì)推導(dǎo)會(huì)推導(dǎo)）；v2=11.2 km/s； v3=16.7 km/s 2 2、研究天體運(yùn)動(dòng)，包括人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)基本方法研究天體運(yùn)動(dòng)，包括人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)基本方法： 把天體或人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)看作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且把天體或人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)看作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且 萬有引力全部提供天體或人造衛(wèi)星的向心力，萬有引力全部提供天體或人造衛(wèi)星的向心力， ( (v為線速度為線速度、為角速度為角速度、t為周期為周期、n為轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速) ) 五、課堂小結(jié)課堂小結(jié) 布置作業(yè)布置作業(yè) 1. .閱讀教材后邊閱讀教材后邊“科學(xué)漫步科學(xué)漫步”和和“sts”sts” 的材料；的材料； 2. 上網(wǎng)上網(wǎng)查閱查閱黑洞、同步衛(wèi)星的黑洞、同步衛(wèi)星的相關(guān)資料相關(guān)資料. . 發(fā)射速度：發(fā)射速度：衛(wèi)星在