福建省三明市泰寧縣第一中學(xué)高中物理6.5宇宙航行新人教版必修2

1、為什么飛船能像月亮那樣圍繞地球旋轉(zhuǎn)？飛船在什么條件下能掙脫地球的束縛？ 時(shí)至今日，數(shù)千顆人造衛(wèi)星正在按照萬有引力定律為它們“設(shè)定”的軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)著。牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律取得了如此輝煌的成就，以至于阿波羅8號(hào)從月球返航的途中，當(dāng)?shù)孛婵刂浦行膯柤啊笆钦l在駕駛”的時(shí)候，指令長(zhǎng)這樣回答：“我想現(xiàn)在是牛頓在駕駛?！币?、牛頓的設(shè)想一、牛頓的設(shè)想 牛頓就曾設(shè)想, 從高山上用不同的水平速度拋出物體,速度一次比一次大,則落點(diǎn)一次比一次遠(yuǎn),如不計(jì)空氣的阻力,當(dāng)速度足夠大時(shí), 物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來,而圍繞地球旋轉(zhuǎn),成為一顆人造地球衛(wèi)星了。1、牛頓對(duì)人造衛(wèi)星原理的描繪、牛頓對(duì)人造衛(wèi)星原理的描繪:一、牛頓的設(shè)

2、想一、牛頓的設(shè)想 1、牛頓對(duì)人造衛(wèi)星原理的描繪、牛頓對(duì)人造衛(wèi)星原理的描繪2、人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)原因。、人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)原因。人造衛(wèi)星在繞地球運(yùn)行時(shí)，只受到地球?qū)λ娜f有引力作用，人造衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬有引力提供。人造衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬有引力提供。 3、人造衛(wèi)星的運(yùn)行速度。設(shè)地球質(zhì)量為M，衛(wèi)星質(zhì)量為m，軌道半徑為r，由于萬有引力提供向心力，則22MmvGmrr=GMvr=高軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，線速度小、角速度小，周期長(zhǎng)。高軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，線速度小、角速度小，周期長(zhǎng)。討論討論線速度、角速度和周期與軌道半徑的關(guān)系呢？ G Mvr=3GMrw=GMrT32二、

3、宇宙速度二、宇宙速度討論討論 高軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星速度小，是否發(fā)射也容易呢？這就需要看衛(wèi)星的發(fā)射速度發(fā)射速度，而不是運(yùn)行速度運(yùn)行速度。分析分析 當(dāng)在地面附近繞地球運(yùn)行，軌道半徑r即為地球半徑R 22MmVGmRR=GMvR=二、宇宙速度二、宇宙速度1、第一宇宙速度、第一宇宙速度地球半徑R=6400km，地球質(zhì)量M=5.981024kg7.9km/GMvsR=衛(wèi)星在地面衛(wèi)星在地面附近附近環(huán)繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有環(huán)繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度的速度第一宇宙速度第一宇宙速度 。最小的發(fā)射速度最小的發(fā)射速度 ， 最大的環(huán)繞速度。（半徑最?。┳畲蟮沫h(huán)繞速度。（半徑最?。┮l(fā)射一顆半徑大于地

4、球半徑的人造衛(wèi)星，發(fā)射速度要發(fā)射一顆半徑大于地球半徑的人造衛(wèi)星，發(fā)射速度必須必須大于大于7.9km/s 。但所有衛(wèi)星的環(huán)繞速度（在軌道。但所有衛(wèi)星的環(huán)繞速度（在軌道上的速度）都必須上的速度）都必須小于小于7.9Km/s。所以。所以第一宇宙速度第一宇宙速度是：是：計(jì)算計(jì)算二、宇宙速度二、宇宙速度1、第一宇宙速度、第一宇宙速度計(jì)算計(jì)算 人造衛(wèi)星在地球表面做圓周運(yùn)動(dòng)的周期T.2224MmGmRRT=2MmmgGR=2gRT = =84.6min最小周期最小周期問題：?jiǎn)栴}：能否發(fā)射一顆周期為能否發(fā)射一顆周期為分鐘分鐘的人造衛(wèi)星？的人造衛(wèi)星？二、宇宙速度二、宇宙速度2、第二宇宙速度、第二宇宙速度 大?。?/p>

5、大?。簐=11.2km/s意義：以這個(gè)速度發(fā)射，物意義：以這個(gè)速度發(fā)射，物體剛好能克服地球的引力作體剛好能克服地球的引力作用，永遠(yuǎn)的離開地球而繞太用，永遠(yuǎn)的離開地球而繞太陽運(yùn)動(dòng)。也叫陽運(yùn)動(dòng)。也叫脫離速度脫離速度。注意：注意：發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡不是圓不是圓，而是橢圓橢圓；等于或大于等于或大于11.2km/s時(shí)，時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行。衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行。二、宇宙速度二、宇宙速度3、第三宇宙速度、第三宇宙速度 大?。捍笮。簐=16.7km/s意義：以這個(gè)速度發(fā)射，物意義：以這個(gè)速度發(fā)射，物體剛好能擺脫太陽

6、引力的束體剛好能擺脫太陽引力的束縛而飛到太陽系以外，也叫縛而飛到太陽系以外，也叫逃逸速度逃逸速度。注意：注意：發(fā)射速度大于發(fā)射速度大于11.2km/s，而小于，而小于16.7km/s，衛(wèi)星，衛(wèi)星繞太陽作橢圓運(yùn)動(dòng)，成為一顆人造行星。如果發(fā)射速度繞太陽作橢圓運(yùn)動(dòng)，成為一顆人造行星。如果發(fā)射速度大于等于大于等于16.7km/s，衛(wèi)星將掙脫太陽引力的束縛，飛到，衛(wèi)星將掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的空間太陽系以外的空間三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 1957年10月，原蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星衛(wèi)星重83.6kg，每96min繞地球飛行一圈請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)所學(xué)知識(shí)計(jì)算這顆衛(wèi)星的軌道半徑是多少？衛(wèi)星距地面的高

7、度是多少？衛(wèi)星的線速度是多少？世界航天世界航天mgTRrmgRGMmrTrGMm632226322222221094. 614. 34)6096(8 . 9)1037. 6(4,4所以，又kmmRrh570)1037. 61094. 6(66sKmsmTrv/6.7/60961094.614.3226三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 幾年之后，1961年4月12日蘇聯(lián)空軍少校加加林進(jìn)入了東方一號(hào)載人飛船。實(shí)現(xiàn)了人類第一次進(jìn)入太空。他的非凡勇氣，鼓舞了更多人為航天事業(yè)奮斗。 火箭點(diǎn)火起飛，飛船繞地球飛行一圈，歷時(shí)108分，然后重返大氣層，安全降落在地面，鑄就了人類進(jìn)入太空的豐碑。世界航天世界航天三、三、

8、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 1969年7月20日，阿波羅11號(hào)將人類送上了月球。當(dāng)時(shí)，上億人通過電視注視著走出登月艙的阿姆斯特朗，他在月球上邁出了一小步，確是人類邁出的一大步。世界航天世界航天三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 航天飛機(jī)資料：可重復(fù)使用的用運(yùn)載火箭發(fā)射的飛行器，用于進(jìn)入地球軌道，在地球與軌道航天器之間運(yùn)送人員和物資，并滑翔降落于地面。 1984年4月12日，第一架航天飛機(jī)哥倫比亞號(hào)發(fā)射成功。世界航天世界航天2003年年2月月1日，哥日，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在重返地面的過程在重返地面的過程中突然發(fā)生解體燃中突然發(fā)生解體燃燒，航天飛機(jī)上的燒，航天飛機(jī)上的七名宇航員，包括七名宇航員，包括六

9、名美國(guó)人及一名六名美國(guó)人及一名以色列人全部遇難。以色列人全部遇難。 三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 無數(shù)探索者用自己的汗水和生命鋪設(shè)了人類通往宇宙的道路。無數(shù)探索者用自己的汗水和生命鋪設(shè)了人類通往宇宙的道路。世界航天世界航天“哈勃哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡太空望遠(yuǎn)鏡哈勃望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)哈勃望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)13.3米，米，直徑直徑4.3米，重米，重11.6噸，噸，造價(jià)近造價(jià)近30億美元，于億美元，于1990年年4月月25日由美國(guó)日由美國(guó)航天飛機(jī)送上高航天飛機(jī)送上高590千千米的太空軌道。米的太空軌道。 哈勃望遠(yuǎn)鏡是有史以來最大、最精確的天文望遠(yuǎn)鏡。它上面哈勃望遠(yuǎn)鏡是有史以來最大、最精確的天文望遠(yuǎn)鏡。它上面的廣角行星相機(jī)可拍攝到

10、幾十到上百個(gè)恒星照片，其清晰度是的廣角行星相機(jī)可拍攝到幾十到上百個(gè)恒星照片，其清晰度是地面天文望遠(yuǎn)鏡的地面天文望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，其觀測(cè)能力等于從華盛頓看到倍以上，其觀測(cè)能力等于從華盛頓看到1.6萬千米外悉尼的一只螢火蟲。萬千米外悉尼的一只螢火蟲。 三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 世界航天世界航天 19751975年，返回式遙感年，返回式遙感衛(wèi)星，中國(guó)第一顆返回衛(wèi)星，中國(guó)第一顆返回式衛(wèi)星，用于對(duì)地觀測(cè)，式衛(wèi)星，用于對(duì)地觀測(cè)，運(yùn)行三天后按計(jì)劃返回運(yùn)行三天后按計(jì)劃返回地面；中國(guó)是第三個(gè)掌地面；中國(guó)是第三個(gè)掌握衛(wèi)星回收技術(shù)的國(guó)家握衛(wèi)星回收技術(shù)的國(guó)家。 19701970年，年， “東方東方紅紅”1號(hào)，中國(guó)第

11、一號(hào)，中國(guó)第一顆人造衛(wèi)星。中國(guó)顆人造衛(wèi)星。中國(guó)是第五個(gè)能自行發(fā)是第五個(gè)能自行發(fā)射衛(wèi)星的國(guó)家射衛(wèi)星的國(guó)家。三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 中國(guó)航天中國(guó)航天風(fēng)云一號(hào)風(fēng)云二號(hào)中國(guó)首顆氣象衛(wèi)星；中國(guó)是第三個(gè)獨(dú)立研中國(guó)首顆氣象衛(wèi)星；中國(guó)是第三個(gè)獨(dú)立研制并發(fā)射太陽同步軌道衛(wèi)星的國(guó)家。制并發(fā)射太陽同步軌道衛(wèi)星的國(guó)家。三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 中國(guó)航天中國(guó)航天1984年，試驗(yàn)通信衛(wèi)星：“東方紅”2號(hào)，標(biāo)志著中國(guó)是世界上第5個(gè)能發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星的國(guó)家。通信衛(wèi)星三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 中國(guó)航天中國(guó)航天三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 中國(guó)航天中國(guó)航天地球同步衛(wèi)星：相對(duì)于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星叫地球同步衛(wèi)星

12、，又叫通訊衛(wèi)星。三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星中國(guó)航天中國(guó)航天同步衛(wèi)星有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、同步衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致。2、同步衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同。T=24h3、同步衛(wèi)星的運(yùn)行角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度。(=0)4、同步衛(wèi)星的軌道平面均在赤道平面上，即所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方。（不可能定點(diǎn)在我國(guó)某地上空，為什么？ ） 要與地球同步，衛(wèi)星的軌道平面必須與赤道平面平行，又由于向心力是萬有引力提供的，衛(wèi)星軌道的圓心必須是地心。三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星中國(guó)航天中國(guó)航天同步衛(wèi)星有以下幾個(gè)特點(diǎn)：5、同步衛(wèi)星高度固定不變（） 解得高度解得高度 ： k

13、m -線速度：skmsmTrv/1 . 3/36002410237. 414. 3227角速度：sradsradT/103 . 7/36002414. 3225三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 中國(guó)航天中國(guó)航天同步衛(wèi)星有以下幾個(gè)特點(diǎn)：三顆同步衛(wèi)星作為三顆同步衛(wèi)星作為通訊衛(wèi)星，則可覆通訊衛(wèi)星，則可覆蓋全球。（兩級(jí)有蓋全球。（兩級(jí)有部分盲區(qū)）部分盲區(qū)） 飛船繞地球飛行14圈后，于10月16日6時(shí)23分安全降落在內(nèi)蒙古主著陸場(chǎng)這次成功發(fā)射實(shí)現(xiàn)了中華民族千年的飛天夢(mèng)想，標(biāo)志著中國(guó)成為世界上第三個(gè)能夠獨(dú)立開展載人航天活動(dòng)的國(guó)家，為進(jìn)一步的空間科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 中國(guó)航天中國(guó)航天

14、1992年，中國(guó)載人航天工程正式啟動(dòng) 2003年10月15日9時(shí)，我國(guó)“神舟”五號(hào)宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，把中國(guó)第一位航天員楊利偉送人太空 伴隨著“神舟五號(hào)的發(fā)射成功，中國(guó)已正式啟動(dòng)“嫦娥工程”，開始了宇宙探索的新征程三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 中國(guó)航天中國(guó)航天三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 中國(guó)航天中國(guó)航天嫦 娥 工 程三、三、夢(mèng)想成真夢(mèng)想成真 中國(guó)航天中國(guó)航天世界航天世界航天 盡管人類已經(jīng)跨入太空，登上月球，但是，相對(duì)于宇宙之宏大，地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對(duì)于宇宙之久長(zhǎng)，人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕 宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊。宇宙有沒有邊界？有沒有起

15、始和終結(jié)？地外文明在哪里？ 愛因斯坦曾經(jīng)說過：“一個(gè)人最完美和最強(qiáng)烈的情感來自面對(duì)不解之謎”。你想加入破解它的行列嗎？你想加入破解它的行列嗎？65宇宙航行宇宙航行 問題與練習(xí)參考解答：?jiǎn)栴}與練習(xí)參考解答：1解：解：“神神”5號(hào)繞地球運(yùn)動(dòng)的向心力由其受號(hào)繞地球運(yùn)動(dòng)的向心力由其受到的地球萬有引力提供。到的地球萬有引力提供。2MmGr22= m() r T2324GMTr =得得 其中周期其中周期T=2460（26037）/14min=91.64min，則：，則： 11242326.67 10104r-=xxx6.0(91.65 60)=6.7106m 其距地面的高度為其距地面的高度為h= r-R=

16、6.71066.4106=3105=300km 已知已知: “神神”5號(hào)繞地球運(yùn)行時(shí)其距地面的高號(hào)繞地球運(yùn)行時(shí)其距地面的高度為度為343km。根據(jù)牛頓第二定律有。根據(jù)牛頓第二定律有： 2MmGr22= m() r T2M mGR地地= mg 在地面附近有：在地面附近有： 又又r =R+h22()2RhTgR+=2)RhRhRg+(666(6.40.3) 106.7 1026.4 109.8+得：得：=5436 s=90.6 min2解：解：繞地球表面勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星繞地球表面勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星需要的向心力，由地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供，需要的向心力，由地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供，即：即： 2MmGR2v= m RGMvR=得：得： 2MmGR= mg GM2= R g 2R gvRgR=在地面附近有：在地面附近有： 得：得：聯(lián)立得：聯(lián)立得：3解：解：（1）設(shè)金星質(zhì)量為）設(shè)金星質(zhì)量為M1、半徑為、半徑為R1、金、金星表面自由落體加速度為星表面自由落體加速度為g1，在金星表面：在金星表面： 121M mGR1= mg 設(shè)地球質(zhì)量為設(shè)地球質(zhì)量為M2、半徑為、半徑為R2、地球表面自由落、地球表面自由落體加速度為體加速度為g2，在地球表面：在地球表面： 222M mGR2= mg 由以上兩式得：由以上兩式得： 得：得：212