高中物理第六章萬有引力與航天第5節(jié)宇宙航行新人教版必修 (2)

1、6.5 宇宙航行宇宙航行 如今，人們的通信手段越來越多樣，如今，人們的通信手段越來越多樣，加強(qiáng)了世界的聯(lián)系。要保證穩(wěn)定通暢的通加強(qiáng)了世界的聯(lián)系。要保證穩(wěn)定通暢的通訊，需要訊，需要同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)的傳遞。進(jìn)行信號(hào)的傳遞。手機(jī)等便攜設(shè)備手機(jī)等便攜設(shè)備的的導(dǎo)航定位功能導(dǎo)航定位功能已經(jīng)非常全面，已經(jīng)非常全面，要實(shí)現(xiàn)精確的導(dǎo)要實(shí)現(xiàn)精確的導(dǎo)航，航，同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星發(fā)發(fā)揮了極大的作用。揮了極大的作用。問題問題1： 怎么樣才能把物體發(fā)射上天空，怎么樣才能把物體發(fā)射上天空，且不再落回地面？且不再落回地面？牛頓的設(shè)想：牛頓的設(shè)想：一、人造衛(wèi)星一、人造衛(wèi)星 在地球上拋出的物體，當(dāng)它的速度在地球上拋出的物體，

2、當(dāng)它的速度足夠足夠大大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上，它時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆人造衛(wèi)星。將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆人造衛(wèi)星。u 1、人造衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的條件：、人造衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的條件： 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，地球?qū)πl(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，地球?qū)πl(wèi)星的引力提供向心力。衛(wèi)星的引力提供向心力。問題問題2: 人造衛(wèi)星的發(fā)射速度至少人造衛(wèi)星的發(fā)射速度至少達(dá)到多少才能繞地球做穩(wěn)定的達(dá)到多少才能繞地球做穩(wěn)定的圓周運(yùn)動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng)? ? 設(shè)地球的質(zhì)量為設(shè)地球的質(zhì)量為M，繞地球做勻速圓，繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的飛行器的質(zhì)量為周運(yùn)動(dòng)的飛行器的質(zhì)量為m，飛行器的速，飛行器的速度為度為v，

3、它到地心的距離為，它到地心的距離為r由：由： rmvrMmG22rGMv 地球半徑地球半徑R=6400km，若是若是近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星，可認(rèn)為可認(rèn)為在在“地面附近地面附近”飛行，則飛行，則rR，可得，可得v。解得：解得：1、第一宇宙速度：、第一宇宙速度：v=7.9km/s，物體在地面附，物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度，近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度，也稱為也稱為“最小發(fā)射速度最小發(fā)射速度”。l發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射火箭的初速發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射火箭的初速度。假若衛(wèi)星發(fā)射后不再補(bǔ)充能量，那么要發(fā)射一度。假若衛(wèi)星發(fā)射后不再補(bǔ)充能量，那么要發(fā)射一顆

4、人造地球衛(wèi)星，其發(fā)射速度就不能小于第一宇宙顆人造地球衛(wèi)星，其發(fā)射速度就不能小于第一宇宙速度速度。二、宇宙速度二、宇宙速度2、第二宇宙速度：第二宇宙速度：v=11.2km/s，物體會(huì)克服地球的引力，永物體會(huì)克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球。遠(yuǎn)離開地球。而小于而小于km/s，物體繞地球運(yùn)動(dòng)，物體繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡不是圓，是橢圓，但的軌跡不是圓，是橢圓，但還在地球的引力范圍之內(nèi)。還在地球的引力范圍之內(nèi)。3、第三宇宙速度：第三宇宙速度：v，物體會(huì)，物體會(huì)掙脫太陽引力束縛，飛到太掙脫太陽引力束縛，飛到太陽系外。陽系外。 地球v2v311.2km/sv v1 由由F F引引= =F Fn n知軌道平面知軌道平面

5、一定經(jīng)過地球中心；一定經(jīng)過地球中心；思考思考:哪條軌道可能是人造衛(wèi)星的運(yùn)哪條軌道可能是人造衛(wèi)星的運(yùn)行軌道？行軌道？ABC赤道軌道赤道軌道極地軌道極地軌道傾斜軌道傾斜軌道思考思考:同步衛(wèi)星的軌道屬于哪一種？同步衛(wèi)星的軌道屬于哪一種？三、同步衛(wèi)星三、同步衛(wèi)星 1、同步衛(wèi)星：、同步衛(wèi)星：相對(duì)于地面靜止的人造衛(wèi)星，它在相對(duì)于地面靜止的人造衛(wèi)星，它在軌道上跟著地球自西向東同步地做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，軌道上跟著地球自西向東同步地做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，軌道平面與赤道平面重合，軌道平面與赤道平面重合，T24h.2、同步衛(wèi)星的高度、同步衛(wèi)星的高度h（距地表的距離）（距地表的距離）由由F引引=Fn有：有：）（hRTmhRMm

6、G22)2()(hR解得解得:hRRR90815 . 6cosarcRR至少需要至少需要3顆顆。思考：思考：要想使同步衛(wèi)星信號(hào)能夠覆蓋完整個(gè)要想使同步衛(wèi)星信號(hào)能夠覆蓋完整個(gè)赤道，至少需要多少顆同步衛(wèi)星？赤道，至少需要多少顆同步衛(wèi)星？要實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋全球，不僅需要同步衛(wèi)要實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋全球，不僅需要同步衛(wèi)星，還需要傾斜軌道衛(wèi)星。星，還需要傾斜軌道衛(wèi)星。 為了衛(wèi)星之間不互相干擾，大為了衛(wèi)星之間不互相干擾，大約約3左右才能放置左右才能放置1顆，這樣地顆，這樣地球的同步衛(wèi)星只能有球的同步衛(wèi)星只能有120顆。顆?？臻g位置是一種空間位置是一種極其有限的資源極其有限的資源。思考：思考：全球有哪些衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

7、？全球有哪些衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)？為什么我國(guó)要自主研發(fā)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)？為什么我國(guó)要自主研發(fā)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)？u 科技強(qiáng)國(guó)，夢(mèng)想成真科技強(qiáng)國(guó)，夢(mèng)想成真美國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)美國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GPGPS S俄羅斯格羅納斯系統(tǒng)俄羅斯格羅納斯系統(tǒng) 歐洲伽利略系統(tǒng)歐洲伽利略系統(tǒng)中國(guó)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)中國(guó)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)1、維護(hù)國(guó)家安全的需要；、維護(hù)國(guó)家安全的需要； 現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)拼的是高科技，高科技的武現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)拼的是高科技，高科技的武器都離不開衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的制導(dǎo)。器都離不開衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的制導(dǎo)。 要實(shí)現(xiàn)主權(quán)的獨(dú)立，要實(shí)現(xiàn)主權(quán)的獨(dú)立，就不能依賴別國(guó)的導(dǎo)就不能依賴別國(guó)的導(dǎo)航系統(tǒng)航系統(tǒng)。 在勝利大閱兵中，在勝利大閱兵

8、中，我軍已使用了北斗系我軍已使用了北斗系統(tǒng)來進(jìn)行輔助。統(tǒng)來進(jìn)行輔助。 北斗系統(tǒng)既可實(shí)北斗系統(tǒng)既可實(shí)時(shí)顯示每輛車的精確時(shí)顯示每輛車的精確位置和速度，提供的位置和速度，提供的坐標(biāo)數(shù)據(jù)誤差小于坐標(biāo)數(shù)據(jù)誤差小于2厘米，速度數(shù)據(jù)誤差厘米，速度數(shù)據(jù)誤差小于小于0.03米米/秒，方向秒，方向數(shù)據(jù)誤差小于數(shù)據(jù)誤差小于0.1度，度，橫滾數(shù)據(jù)誤差小于橫滾數(shù)據(jù)誤差小于0.2度。度。 在電力、金融在電力、金融證券和移動(dòng)通信等證券和移動(dòng)通信等重要領(lǐng)域，都需要重要領(lǐng)域，都需要授時(shí)系統(tǒng)授時(shí)系統(tǒng)，對(duì)時(shí)間對(duì)時(shí)間同步和時(shí)間精度的同步和時(shí)間精度的要求越來越高要求越來越高。 “北斗北斗”系統(tǒng)系統(tǒng)的授時(shí)功能是公開的授時(shí)功能是公開使用的

9、高精度授時(shí)使用的高精度授時(shí)領(lǐng)域領(lǐng)域精度最高的精度最高的。2、應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害的保障；、應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害的保障； 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特有的系統(tǒng)特有的雙向報(bào)雙向報(bào)文通信功能文通信功能，能夠，能夠準(zhǔn)確判明受災(zāi)位置、準(zhǔn)確判明受災(zāi)位置、傳達(dá)指令，最大限傳達(dá)指令，最大限度保證度保證“72小時(shí)黃小時(shí)黃金搶救時(shí)間金搶救時(shí)間”的最的最有效利用。有效利用。 汶川地震發(fā)生后，重災(zāi)區(qū)的通信完全中斷。首批救汶川地震發(fā)生后，重災(zāi)區(qū)的通信完全中斷。首批救災(zāi)官兵通過北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)終端機(jī)向重災(zāi)區(qū)發(fā)出災(zāi)官兵通過北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)終端機(jī)向重災(zāi)區(qū)發(fā)出了第一束生命急救電波，把偵測(cè)到的災(zāi)情準(zhǔn)確發(fā)給救災(zāi)了第一束生命急救電

10、波，把偵測(cè)到的災(zāi)情準(zhǔn)確發(fā)給救災(zāi)指揮部，在第一時(shí)間獲知部隊(duì)距離震中的準(zhǔn)確位置。指揮部，在第一時(shí)間獲知部隊(duì)距離震中的準(zhǔn)確位置。3、經(jīng)濟(jì)效益顯著、經(jīng)濟(jì)效益顯著 衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，不僅可以滿足國(guó)內(nèi)需要，還可以走出國(guó)不僅可以滿足國(guó)內(nèi)需要，還可以走出國(guó)門。實(shí)現(xiàn)亞洲的信號(hào)覆蓋后，門。實(shí)現(xiàn)亞洲的信號(hào)覆蓋后，北斗導(dǎo)航北斗導(dǎo)航可以為東盟國(guó)家提供服務(wù)可以為東盟國(guó)家提供服務(wù)。在鐵路、公。在鐵路、公路、水利、河運(yùn)、航運(yùn)、物流、位置服路、水利、河運(yùn)、航運(yùn)、物流、位置服務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助力東盟經(jīng)濟(jì)助力東盟經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。增長(zhǎng)。 2012年年12月月27日，日，

11、“北斗北斗”衛(wèi)星導(dǎo)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)航系統(tǒng)開始向亞太大部分地區(qū)開始向亞太大部分地區(qū)正式提供正式提供連續(xù)天源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)。連續(xù)天源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)。 如果北斗衛(wèi)星全面建成，我國(guó)將成為如果北斗衛(wèi)星全面建成，我國(guó)將成為少數(shù)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的國(guó)家之一，少數(shù)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的國(guó)家之一，國(guó)家綜合實(shí)力會(huì)有進(jìn)一步的增強(qiáng)。國(guó)家綜合實(shí)力會(huì)有進(jìn)一步的增強(qiáng)?！氨倍繁倍贰?，既是中國(guó)的，也是世界的。，既是中國(guó)的，也是世界的?！氨倍繁倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)預(yù)計(jì)到預(yù)計(jì)到2020年完全建成年完全建成，它將為，它將為全球用戶提供穩(wěn)定、可靠、優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航服務(wù)，全球用戶提供穩(wěn)定、可靠、優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航服務(wù)，并與世界其他導(dǎo)航系統(tǒng)攜手，共同促進(jìn)人類文并與世界其他導(dǎo)航系統(tǒng)攜手，共同促進(jìn)人類文明和社會(huì)發(fā)展。明和社會(huì)發(fā)展。從從“萬戶飛天萬戶飛天”到載人飛船到載人飛船u 科技強(qiáng)國(guó)，夢(mèng)想成真科技強(qiáng)國(guó)，夢(mèng)想成真u 科技強(qiáng)國(guó)，夢(mèng)想成真科技強(qiáng)國(guó)，夢(mèng)想成真天宮一號(hào)，天宮一號(hào)，太空的家太空的家從從“嫦娥奔月嫦娥奔月”到到“玉兔號(hào)玉兔號(hào)”u 科技強(qiáng)國(guó)，科技強(qiáng)國(guó)， 夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 為我國(guó)能擁有為我國(guó)能擁有獨(dú)立的獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航通訊技術(shù)、載衛(wèi)星導(dǎo)航通訊技術(shù)、載人航天技術(shù)、月球探測(cè)技術(shù)而驕傲，這是我們?nèi)撕教旒夹g(shù)