宇宙航行及變軌

1、宇宙航行宇宙航行牛頓的猜想牛頓的猜想牛頓的手稿牛頓的手稿想一想想一想: :物體初速度達到多大時就可以成為一顆人造物體初速度達到多大時就可以成為一顆人造衛(wèi)星呢衛(wèi)星呢? 方法一：衛(wèi)星做圓周運動，由萬有引力提供向心力，根據牛頓第二定律得22M mvGmrr112466.67 105.89 10m/s 7.9km/s6.37 10GMvr方法二：由于衛(wèi)星在地球附近環(huán)繞時，衛(wèi)星做圓周運動的向心力可看作由重力提供，根據牛頓第二定律得 66.37 10 9.8m /s 7.9km /svgR 2vm gmR第一宇宙速第一宇宙速我們把我們把7 7.9km/s.9km/s叫做叫做第一宇宙速度第一宇宙速度第一宇宙

2、速度又叫環(huán)繞速度第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度意義：意義：它是人造衛(wèi)星在地面附它是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必須近繞地球做勻速圓周運動所必須具備的速度具備的速度 第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度和最大環(huán)繞星的最小發(fā)射速度和最大環(huán)繞速度速度為什么？為什么？ 在地面附近發(fā)射在地面附近發(fā)射物體，如果發(fā)射速物體，如果發(fā)射速度大于度大于7.9km/s7.9km/s，而，而小于小于11.2km/s11.2km/s，那，那么它繞地球運動的么它繞地球運動的軌道就不是圓，而軌道就不是圓，而是橢圓。是橢圓。V1=7.9km/s地球V2=11.2km/sV3=16.7km/s

3、 如果速度繼續(xù)增大，大于或等于如果速度繼續(xù)增大，大于或等于11.2km/s11.2km/s時，它就會克服地球的引力，永遠離開地時，它就會克服地球的引力，永遠離開地球，成為繞太陽運動的一顆人造行星。球，成為繞太陽運動的一顆人造行星。第二宇宙速度第二宇宙速度我們把我們把11.2km/s11.2km/s叫做叫做第二宇宙速度第二宇宙速度第二宇宙速度又叫脫離速度第二宇宙速度又叫脫離速度意義：意義：使衛(wèi)星掙脫地球引力使衛(wèi)星掙脫地球引力束縛的最小發(fā)射速度。束縛的最小發(fā)射速度。意義：意義：使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度。最小發(fā)射速度。第三宇宙速度第三宇宙速度 在地球表面發(fā)射物體如

4、果速度達在地球表面發(fā)射物體如果速度達到到16.7km/s16.7km/s或以上時，物體（或衛(wèi)或以上時，物體（或衛(wèi)星）就可以掙脫太陽的引力，飛到星）就可以掙脫太陽的引力，飛到太陽系以外的地方。這一速度太陽系以外的地方。這一速度 叫做第三宇宙速度。叫做第三宇宙速度。第三宇宙速度也叫逃逸速度第三宇宙速度也叫逃逸速度 2、據天文學家測量，月球、據天文學家測量，月球的半徑為的半徑為1738km，月球表面的，月球表面的重力加速度約為地球表面重力重力加速度約為地球表面重力加速度的加速度的1/6，月球表面在陽光，月球表面在陽光照射下的溫度可達照射下的溫度可達127，而此，而此時水蒸氣分子的平均速率達時水蒸氣分

5、子的平均速率達2000m/s。試分析月球表面沒。試分析月球表面沒有水的原因有水的原因衛(wèi)衛(wèi) 星星按用途分類按用途分類: :通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星, ,氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星, ,資源衛(wèi)星，偵察衛(wèi)星資源衛(wèi)星，偵察衛(wèi)星按軌道分類按軌道分類: :極地衛(wèi)星極地衛(wèi)星; ;赤道衛(wèi)赤道衛(wèi)星星; ;其他衛(wèi)星其他衛(wèi)星一、衛(wèi)星的分類一、衛(wèi)星的分類赤道軌道赤道軌道極地軌道極地軌道其他軌道其他軌道思考：衛(wèi)星的運動軌道思考：衛(wèi)星的運動軌道有何特征？有何特征？二、衛(wèi)星的軌道二、衛(wèi)星的軌道衛(wèi)星的運動軌道會如下嗎？F2FF1 因為是萬有引力束縛衛(wèi)星使因為是萬有引力束縛衛(wèi)星使其繞地球運動，所以其繞地球運動，所以軌道平軌道平面一定經過地球中心

6、。面一定經過地球中心。問題探究問題探究2 2：設地球和衛(wèi)星的質量設地球和衛(wèi)星的質量分別為分別為M M和和m m，衛(wèi)星到，衛(wèi)星到地心的距離為地心的距離為r r，你，你能求出衛(wèi)星環(huán)繞地球能求出衛(wèi)星環(huán)繞地球的線速度多大的線速度多大 ？角速？角速度多大？周期多大？向心加速度多大？度多大？周期多大？向心加速度多大？你能從中得出什么結論？你能從中得出什么結論？地球1234v1v2=v3v4T1T2=T32=34 三、三、人造地球衛(wèi)星的運動規(guī)律人造地球衛(wèi)星的運動規(guī)律結論：結論： 1 1、衛(wèi)星軌道半徑越大，環(huán)繞速度、衛(wèi)星軌道半徑越大，環(huán)繞速度v v越小。越小。 2 2、衛(wèi)星軌道半徑越大，角速度、衛(wèi)星軌道半徑越

7、大，角速度越小。越小。 4 4、人造地球衛(wèi)星軌道半徑越大，向心、人造地球衛(wèi)星軌道半徑越大，向心加速度加速度a a越小。越小。 3 3、人造地球衛(wèi)星軌道半徑越大，周期、人造地球衛(wèi)星軌道半徑越大，周期T T越大。越大。也可以說，衛(wèi)星的也可以說，衛(wèi)星的軌道半徑定軌道半徑定了，那么線速度，了，那么線速度，角速度，周期，向心加速度就定了角速度，周期，向心加速度就定了思考思考 對于同一軌道運行的衛(wèi)對于同一軌道運行的衛(wèi)星會不會相撞？為什么？星會不會相撞？為什么？四、地球同步衛(wèi)星四、地球同步衛(wèi)星 1、定義、定義所謂地球同步衛(wèi)星，是相對于地面所謂地球同步衛(wèi)星，是相對于地面靜止靜止的和地球具有相同的和地球具有相同

8、周期周期的衛(wèi)星，同步衛(wèi)的衛(wèi)星，同步衛(wèi)星必須位于星必須位于赤道平面內赤道平面內，且到地面的，且到地面的高高度一定度一定。r v T a “全部固定全部固定” 圓軌道在赤道平面，即圓軌道在赤道平面，即在赤道的正上方；周在赤道的正上方；周期與地球自轉周期相期與地球自轉周期相同，為同，為24小時；繞行小時；繞行方向為自西向東。方向為自西向東。 大家能否計大家能否計算出同步衛(wèi)星算出同步衛(wèi)星的高度，線速的高度，線速度呢？度呢？2、地球同步衛(wèi)星的運行特征、地球同步衛(wèi)星的運行特征可概括為四個一定可概括為四個一定定軌道平面定軌道平面,其運行軌道平面在赤道平面其運行軌道平面在赤道平面內；內；定周期定周期,即運行周

9、期等于地球自轉周期即運行周期等于地球自轉周期（24 h）定高度定高度，即離地面高度一定（，即離地面高度一定（h=36000 km）定速度定速度，即運行速度一定（，即運行速度一定（v3.1km/s）3 3、同步衛(wèi)星的應用：主要用于通信、同步衛(wèi)星的應用：主要用于通信3 3顆同步衛(wèi)星可實現全球覆蓋顆同步衛(wèi)星可實現全球覆蓋所以也叫所以也叫通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星4、近地衛(wèi)星 近地衛(wèi)星是指衛(wèi)星的軌道半近地衛(wèi)星是指衛(wèi)星的軌道半徑近似等于地球半徑，其周期徑近似等于地球半徑，其周期約為約為84分鐘。其向心力由萬有分鐘。其向心力由萬有引力提供。引力提供。5、同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星和赤道上赤道上隨地球自轉的物

10、體隨地球自轉的物體的三種勻速圓周運動的異同（1）、軌道半徑：）、軌道半徑： 赤道上的物體赤道上的物體和和近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星的軌的軌道半徑相等，都等于地球半徑；道半徑相等，都等于地球半徑；同同步衛(wèi)星步衛(wèi)星的軌道半徑約為地球半徑的的軌道半徑約為地球半徑的六倍。六倍。（2）、運行周期：）、運行周期： 同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星與與赤道上的物赤道上的物體體的運動周期都等于地球的的運動周期都等于地球的自轉周期；自轉周期；近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星的運行的運行周期約為周期約為84分鐘。分鐘。（3）、向心加速度：）、向心加速度： 對對同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星與與近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星，由，由aGM/r2知，因為知，因為r同同r近近，所以，所以

11、a同同a近近；而對；而對赤道上的物體赤道上的物體與與近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星，其半徑相同，由其半徑相同，由ar2知，知，a近近a物物。（4）、受力情況及動力學規(guī)律：）、受力情況及動力學規(guī)律： 近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星和和同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星在繞地球運在繞地球運行時都只受到地球的引力，提供其做行時都只受到地球的引力，提供其做勻速圓周運動的向心力；在勻速圓周運動的向心力；在赤道上的赤道上的物體物體受到地球的引力和地面的支持力受到地球的引力和地面的支持力（其大小等于物體的重力），兩個力（其大小等于物體的重力），兩個力的合力提供向心力，不適用衛(wèi)星的規(guī)的合力提供向心力，不適用衛(wèi)星的規(guī)律公式。律公式。1、回顧航天史、回顧航天

12、史世界上第世界上第一個想利一個想利用火箭飛用火箭飛行的人行的人 1414世紀世紀夢想成真（航空領域重大成就）夢想成真（航空領域重大成就）19611961年年4 4月月1212日蘇聯空軍日蘇聯空軍少校加加林乘坐東方一少校加加林乘坐東方一號載人飛船進入太空，號載人飛船進入太空，實現了人類進入太空的實現了人類進入太空的夢想。夢想。19691969年年7 7月月2020日，阿波羅日，阿波羅1111號將人類送上了月球。號將人類送上了月球。20032003年年1010月月1515日神日神舟五號舟五號楊利偉楊利偉20052005年年1010月月1212日日神神舟六號費舟六號費俊龍聶?？↓埪櫤賱? 3、展望

13、未來、展望未來美國美國“鳳凰鳳凰”號火星探測器號火星探測器20072007年年8 8月月4 4日發(fā)射，日發(fā)射，20082008年年5 5月月2525日在火星著陸。日在火星著陸?！翱ㄎ髂峥ㄎ髂帷碧柾列翘綔y器號土星探測器19971997年年1010月月1515日發(fā)射升空，日發(fā)射升空，20042004年年1 1日飛抵土星。日飛抵土星?！跋闰屨呦闰屨摺?010號號太空探測器太空探測器19721972年年3 3月月2 2日發(fā)射升空，日發(fā)射升空， 19861986年年6 6月飛出太陽系月飛出太陽系光子火箭光子火箭星球大戰(zhàn)星球大戰(zhàn)超光速飛船超光速飛船“千年隼千年隼”號號宇宙航行宇宙航行變軌問題變軌問題思考：

14、思考：人造衛(wèi)星在人造衛(wèi)星在低軌道上運行低軌道上運行，要想讓其，要想讓其 在在高軌道上運行高軌道上運行，應采取什么措施？，應采取什么措施？在低軌道上加速，使在低軌道上加速，使其沿橢圓軌道運行，其沿橢圓軌道運行，當行至橢圓軌道的遠當行至橢圓軌道的遠點處時再次加速，即點處時再次加速，即可使其沿可使其沿高軌道運行。高軌道運行。. PQ22RMmGRmv122211,vRMmGRmv使使衛(wèi)星加速到222LMmGLmv2233vLMmGLmv，使使衛(wèi)星加速到1、如圖所示，發(fā)射同步衛(wèi)星時，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓、如圖所示，發(fā)射同步衛(wèi)星時，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道軌道1，然后經點火使其沿橢圓軌道，然后經點火使其沿橢圓軌道2運行；最后再次點運行；最后再次點火將其送入同步圓軌道火將其送入同步圓軌道3。軌道。軌道1、2相切于相切于P點，點，2、3相切于相切于Q點。當衛(wèi)星分別在點。當衛(wèi)星分別在1、2、3上正常運行時，