宇宙航行第一課時

1、6.5宇宇宙航行宙航行大安市第二中學校大安市第二中學校李春梅李春梅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?牛頓的設想過程 方法一：衛(wèi)星做圓周運動，由萬有引力提供向心力，根據(jù)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(jù)牛頓第二定律得 66.37 10 9.8m/s 7.9km/svgR2vm gmR第一宇宙速第一宇宙速我們把我們把7.9km/s叫做叫做第一宇宙速

2、度第一宇宙速度。第一宇宙速度又叫環(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宇宙速度（宇宙速度（1） 討論討論1： 質(zhì)量為質(zhì)量為 m 的人造衛(wèi)的人造衛(wèi)星，繞質(zhì)量為星，繞質(zhì)量為 M 的地球的地球作半徑為作半徑為 r 的勻速圓周運的勻速圓周運動，衛(wèi)星的線速度有動，衛(wèi)星的線速度有 V 與軌道半徑與軌道半徑r之間有何關之間有何關系呢？系呢？mMV=?r分析：分析：萬有引力作為向心力萬有引力作為向心力:方程：方程：結(jié)論：結(jié)論：小大萬VrrGMVrVmrMmGF22半徑越大，環(huán)半徑越大，環(huán)繞

3、速度越小。繞速度越小。宇宙速度（宇宙速度（2）雖然雖然“R大，大，V小小”，但向高，但向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星難。衛(wèi)星難。因為向高軌道發(fā)射衛(wèi)星，因為向高軌道發(fā)射衛(wèi)星，火箭要克服地球引力對它的引火箭要克服地球引力對它的引力做的功多。力做的功多。小大 VrrGMV高軌道高軌道低軌道低軌道討論討論2：向高軌道向高軌道發(fā)射衛(wèi)星容易還是發(fā)射衛(wèi)星容易還是向低軌道發(fā)射衛(wèi)星向低軌道發(fā)射衛(wèi)星容易？容易？ 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？為什么為什么由萬有引力提供向心力 ，22M mvGmrr112

4、466.67 105.89 10m/s 7.9km/s6.37 10GMvr1.當發(fā)射速度v越大有需要的向心力越大，即 Fn F需需向向 做離心運動，則半徑做離心運動，則半徑r增大會被升到大半徑的軌道上，增大會被升到大半徑的軌道上，則當則當v=7.9km/s剛好在地球表面，剛好在地球表面，萬有引力提供向心力，供需平衡，即是發(fā)射 衛(wèi)星的最小速度。2.根據(jù)上式可知，衛(wèi)星進入軌道運行，r增大,v減小，則當當r是地球半徑時是地球半徑時v=7.9km/s是環(huán)繞地球運行的最大速是環(huán)繞地球運行的最大速度。度。 1 1、火星的質(zhì)量是地球質(zhì)量、火星的質(zhì)量是地球質(zhì)量的的1/101/10，火星半徑是地球半徑的，火星

5、半徑是地球半徑的1/21/2，地球的第一宇宙速度是，地球的第一宇宙速度是7.9km/s7.9km/s，求火星的第一宇宙速，求火星的第一宇宙速度？度？ 做一做做一做 在地面附近發(fā)射飛行器或物在地面附近發(fā)射飛行器或物體，如果它的速度大于體，如果它的速度大于7.9km/s物體物體會會怎么怎么樣運動呢樣運動呢？問題探究問題探究1 1： 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/s，而，而小于小于11.2km/s，那么，那么它繞地球運動的軌它繞地球運動的軌道就不是圓，而是道就不是圓，而是橢圓。橢圓。V1=7.9km/s地球V2=11.2km/sV3=16.7km

6、/s 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/s且小于且小于16.7km/s時，它就會克服地球的引力，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永遠離開地球，成為繞太陽運動的一顆人造行星。造行星。第二宇宙速第二宇宙速我們把我們把11.2km/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。 在地面附近發(fā)射飛行器或物在地面附近發(fā)射飛行器或物體，如果它的速度大于體，如果它的速度大于16.7km/s, ,物體物體會會怎么樣運動呢怎

7、么樣運動呢？問題探究問題探究1 1：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)射物體如果速度達在地球表面發(fā)射物體如果速度達到到16.7km/s或以上時，物體（或衛(wèi)星）或以上時，物體（或衛(wèi)星）就可以掙脫太陽的引力，飛到太陽就可以掙脫太陽的引力，飛到太陽系以外的地方。這一速度系以外的地方。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一宇宙速度一宇宙速度1. 第一宇宙速度（第一宇宙速度（環(huán)繞速度環(huán)繞速度）v1=7.9km/s它是人造衛(wèi)星在它是人造衛(wèi)星在地面附近地面附近

8、繞地球做繞地球做勻速圓周運勻速圓周運動動所必須具備的速度所必須具備的速度 2. 第二宇宙速度（第二宇宙速度（脫離速度脫離速度） v2=11.2km/s 使物體使物體掙脫地球束縛掙脫地球束縛，成為，成為繞太陽運行繞太陽運行的人造的人造行星的最小發(fā)射速度行星的最小發(fā)射速度 1. 第三宇宙速度（第三宇宙速度（逃逸速度逃逸速度）v3=16.7km/s 使物體使物體掙脫太陽的引力束縛掙脫太陽的引力束縛的最小發(fā)射速度，的最小發(fā)射速度，也稱為也稱為“逃逸速度逃逸速度”。 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:

9、 :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(jīng)過地球中心。面一定經(jīng)過地球中心。問題探究問題探究2 2：設地球和衛(wèi)星的質(zhì)量設地球和衛(wèi)星的質(zhì)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

10、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(jié)論？你能從中得出什么結(jié)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(jié)論：結(jié)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)星軌道半徑越大，角速度越小。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越越大。大。 4 4、人造地球衛(wèi)星軌道半徑越大，向心加、人造地球衛(wèi)星軌道半徑越大，向心加速度速度a a越小。越小。也可以說

11、，衛(wèi)星的也可以說，衛(wèi)星的軌道半徑定軌道半徑定了，那么線了，那么線速度，角速度，周期，向心加速度就定了。速度，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？ 不會，因為同一軌道運行不會，因為同一軌道運行的衛(wèi)星速度相同。的衛(wèi)星速度相同。22MmvGmrrGMvr22MmvGmrr2224MmGmrrT22MmGmrr2M mGm arGMvr3GMr2 34rTGM2GMar23gRr2324rTgR22gRar2gRvr2M mm gGR2M mm gGR黃金代換黃金代換1我們在推導第一宇宙速度時，需要做我們在推導第

12、一宇宙速度時，需要做一些假設例如：一些假設例如：(1)衛(wèi)星做勻速圓周運動；衛(wèi)星做勻速圓周運動；(2)衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)周期等于地球自轉(zhuǎn)周期；衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)周期等于地球自轉(zhuǎn)周期；(3)衛(wèi)星的軌道半徑等于地球半徑；衛(wèi)星的軌道半徑等于地球半徑；(4)衛(wèi)星需要的向心力等于它在地面上的重衛(wèi)星需要的向心力等于它在地面上的重力上面的四種假設正確的是力上面的四種假設正確的是()A(1)(2)(3)B(2)(3)(4)C(1)(2)(4) D(1)(3)(4)D 2.我國成功地發(fā)射了歷史上的第二艘載人宇宙我國成功地發(fā)射了歷史上的第二艘載人宇宙飛船飛船“神舟神舟”六號飛船在中國酒泉衛(wèi)星六號飛船在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射場用長征發(fā)射場

13、用長征2號號F運載火箭發(fā)射成功，飛船返運載火箭發(fā)射成功，飛船返回艙于回艙于2005年年10月月17日成功著陸飛船共飛行日成功著陸飛船共飛行115小時小時32分鐘，繞地球飛行分鐘，繞地球飛行77圈，下列論述圈，下列論述正確的是正確的是()A飛船由火箭承載升空過程中，飛船中飛船由火箭承載升空過程中，飛船中的宇航員處于超重狀態(tài)的宇航員處于超重狀態(tài)B飛船返回艙打開減速傘下降的過程中，飛船返回艙打開減速傘下降的過程中，飛船中的宇航員處于失重狀態(tài)飛船中的宇航員處于失重狀態(tài)C“神舟神舟”六號飛船繞地球飛行速度比六號飛船繞地球飛行速度比月球繞地球運行的速度要小月球繞地球運行的速度要小D“神舟神舟”六號飛船繞地

14、球飛行周期比六號飛船繞地球飛行周期比月球繞地球運行的周期要大月球繞地球運行的周期要大A 3.下圖是下圖是“嫦娥一號奔月嫦娥一號奔月”，衛(wèi)星發(fā)射后通過自帶的小，衛(wèi)星發(fā)射后通過自帶的小型火箭多次變軌，進入地月轉(zhuǎn)移軌道，最終被月球引力型火箭多次變軌，進入地月轉(zhuǎn)移軌道，最終被月球引力捕獲，成為繞月衛(wèi)星，并開展對月球的探測，說法正確捕獲，成為繞月衛(wèi)星，并開展對月球的探測，說法正確的是的是()A發(fā)射發(fā)射“嫦娥一號嫦娥一號”的速度必須達到第三宇宙速度的速度必須達到第三宇宙速度B在繞月圓軌道上，衛(wèi)星周期與衛(wèi)星質(zhì)量有關在繞月圓軌道上，衛(wèi)星周期與衛(wèi)星質(zhì)量有關C衛(wèi)星受月球的引力與它到月球中心距離的平方成反比衛(wèi)星受月

15、球的引力與它到月球中心距離的平方成反比D在繞月圓軌道上衛(wèi)星受地球的引力大于受月球的引力在繞月圓軌道上衛(wèi)星受地球的引力大于受月球的引力C 4.地球上有兩位相距非常遠的觀察者，都發(fā)地球上有兩位相距非常遠的觀察者，都發(fā)現(xiàn)自己的正上方有一顆人造衛(wèi)星，相對自己現(xiàn)自己的正上方有一顆人造衛(wèi)星，相對自己靜止不動，則這兩位觀察者的位置以及兩顆靜止不動，則這兩位觀察者的位置以及兩顆人造衛(wèi)星到地球中心的距離可能是人造衛(wèi)星到地球中心的距離可能是()A一人在南極，一人在北極，兩衛(wèi)星到地一人在南極，一人在北極，兩衛(wèi)星到地球中心的距離一定相等球中心的距離一定相等B一人在南極，一人在北極，兩衛(wèi)星到地一人在南極，一人在北極，兩

16、衛(wèi)星到地球中心的距離可以不等，但應成整數(shù)倍球中心的距離可以不等，但應成整數(shù)倍C兩人都在赤道上，兩衛(wèi)星到地球中心的兩人都在赤道上，兩衛(wèi)星到地球中心的距離一定相等距離一定相等D兩人都在赤道上，兩衛(wèi)星到地球中心的兩人都在赤道上，兩衛(wèi)星到地球中心的距離可以不等，但應成整數(shù)倍距離可以不等，但應成整數(shù)倍C 5.一飛船在某行星表面附近沿圓軌道繞該行一飛船在某行星表面附近沿圓軌道繞該行星飛行認為行星是密度均勻的球體要確星飛行認為行星是密度均勻的球體要確定該行星的密度，只需要測量定該行星的密度，只需要測量()A飛船的軌道半徑飛船的軌道半徑B飛船的運行速度飛船的運行速度C飛船的運行周期飛船的運行周期 D行星的質(zhì)量行星的質(zhì)量C 6.從地面上的從地面上的A點發(fā)射一枚遠程彈道導彈，在引力點發(fā)射一枚遠程彈道導彈，在引力作用下沿著作用下沿著ACB橢圓軌道飛行擊中地面上