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第六章 万有引力与航天 第五节 宇宙航行人教版必修人教版必修2嫦嫦娥娥奔奔月月探究宇宙的奥秘，奔向遥远的太空。自古以来就探究宇宙的奥秘，奔向遥远的太空。自古以来就是人类的梦想，怎样才能实现这一梦想呢？是人类的梦想，怎样才能实现这一梦想呢？0 0、牛顿的设想、牛顿的设想 牛顿曾设想牛顿曾设想, 从高山上用不同的从高山上用不同的水平速度抛出物体水平速度抛出物体,速度一次比速度一次比一次大一次大,则落点一次比一次远则落点一次比一次远,如如不计空气的阻力不计空气的阻力,当速度足够大当速度足够大时时, 物体就永远不会落到地面上物体就永远不会落到地面上来来,而围绕地球旋转而围绕地球旋转,成为一颗人成为一颗人造地球卫星，简称造地球卫星，简称人造卫星人造卫星 由此可见，人造地球卫星运由此可见，人造地球卫星运行遵从的规律是：行遵从的规律是：探究问题一：探究问题一：思考与讨论：思考与讨论：如图所示，如图所示，A A、B B、C C、D D四条轨四条轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条？道中可以作为卫星轨道的是哪一条？根据：卫星做圆周运动的根据：卫星做圆周运动的向心力必须指向地心。向心力必须指向地心。 卫星运动轨道特点：卫星运动轨道特点： 万有引力提供向心力，万有引力提供向心力，所以轨道平面一定经所以轨道平面一定经过地球中心，卫星围过地球中心，卫星围绕地球的中心做匀速绕地球的中心做匀速圆周运动。圆周运动。卫星常见的轨道：卫星常见的轨道：其他轨道其他轨道 想一想：速度为多大时，物体将不会落回地面想一想：速度为多大时，物体将不会落回地面而成为绕地球旋转的人造卫星呢？而成为绕地球旋转的人造卫星呢？赤道轨道赤道轨道极地轨道极地轨道建立模型：建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动卫星绕地球做匀速圆周运动思路：思路：卫星绕地球做圆周运动的卫星绕地球做圆周运动的由地由地球对卫星的球对卫星的。GMmr2=mv2rv=GMr请同学们请同学们计算计算：已知地球半径：已知地球半径R=6400kmR=6400km，地球质量，地球质量M=6.0M=6.010102424kgkg，卫星在，卫星在环绕环绕地球作匀速圆地球作匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？周运动所必须具有的速度有多大？7.9km/GMvsR=一、宇宙速度一、宇宙速度1、第一宇宙速度、第一宇宙速度即：卫星在即：卫星在环绕环绕地球作匀速圆周运动所必须具地球作匀速圆周运动所必须具有的速度有的速度第一宇宙速度第一宇宙速度 思考：如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力思考：如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度加速度g g，如何求宇宙第一速度，如何求宇宙第一速度v v？7.9km/GMvsR=由由2222MmMmGmGm gGMgRRRR和gRv sm/104.68.96skm/9 . 7第一宇宙速度的计算方法二：第一宇宙速度的计算方法二：则则所以所以7.9km/s7.9km/s是是最小最小发射发射速度，速度，也是也是最大最大环绕（运行）环绕（运行）速度。速度。 思考：若发射速度大于思考：若发射速度大于7.9km/s7.9km/s，则人造卫星将如何运动？则人造卫星将如何运动？ 发射速度大于发射速度大于7.9km/s7.9km/s，而小于，而小于11.2km/s11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹，卫星绕地球运动的轨迹不是圆，而是不是圆，而是椭圆椭圆。 等于或大于等于或大于11.2km/s11.2km/s时，卫星就会脱离地球的时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行引力，不再绕地球运行。2、第二宇宙速度、第二宇宙速度 大小：v=11.2km/s意义：以这个速度发射，物体刚好能克服地球的引力作用，永远的离开地球而绕太阳运动。3、第三宇宙速度 大小：v=16.7km/s意义：以这个速度发射，物体刚好能摆脱太阳引力的束缚而飞到太阳系以外。发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。思考与讨论：思考与讨论：人造卫星在地球表面做圆周运动的周期最小是多少？人造卫星在地球表面做圆周运动的周期最小是多少？2224MmGmRRT=2Mmm gGR=2gRT = =84.6min=84.6min或：或：=842.6minRTv=思考：人造卫星的周期能否为思考：人造卫星的周期能否为24小时？小时？二、地球同步卫星二、地球同步卫星1、所谓地球同步卫星是指所谓地球同步卫星是指相对于地心静止的人造卫星，相对于地心静止的人造卫星，它在轨道上跟着地球自转，它在轨道上跟着地球自转，同步地做匀速圆周运动，它同步地做匀速圆周运动，它的周期：的周期：T24h2、所有的同步卫星只能所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个分布在赤道上方的一个确定轨道上确定轨道上 ，即同步卫星轨道平面与地球赤道，即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫星离地面高度为定值。平面重合，卫星离地面高度为定值。对同步卫星：对同步卫星：其其r、 v、T 、均为定值、均为定值mm10103.63.6R R4 4 GMTGMTh hh)h)(R(RT T4 4 mmh)h)(R(RGMmGMm7 73 32 22 22 22 22 2计算同步卫星高度计算同步卫星高度由万有引力提供向心力由万有引力提供向心力同步通讯卫星轨道半径：74.2 10Rhm同步卫星的线速度同步卫星的线速度22MmGmrr解：由万有引力提供向心力解：由万有引力提供向心力 故故 : 将地球质量将地球质量M及轨道半径及轨道半径r代入，可得同步通讯代入，可得同步通讯卫星的速率卫星的速率由此解出由此解出:GMr1124376.67 106.0 10/3.1 10/4.2 10GMm sm sr三、太空中的失重环境三、太空中的失重环境19691969年年7 7月月2020日，阿波罗日，阿波罗1111号将人类送上了月球。当时号将人类送上了月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他在月球上迈出了一小步，却是人类迈出的一大步。在月球上迈出了一小步，却是人类迈出的一大步。四、梦想成真四、梦想成真20032003年年2 2月月1 1日，哥日，哥伦比亚号航天飞机伦比亚号航天飞机在重返地面的过程在重返地面的过程中突然发生解体燃中突然发生解体燃烧，航天飞机上的烧，航天飞机上的七名宇航员，包括七名宇航员，包括六名美国人及一名六名美国人及一名以色列人全部遇难以色列人全部遇难。 无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙的道路。的道路。这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。 1992年，中国载人航天工程年，中国载人航天工程正式启动。正式启动。2003年年10月月15日日9时，我国时，我国“神舟神舟”五号宇宙五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨发射，把中国第一位航天员杨利伟送入太空利伟送入太空2007年年10月月24日嫦娥一日嫦娥一号月球探测器发射成功。号月球探测器发射成功。2008年年9月月25日神舟七号日神舟七号翟志刚、刘伯明、景海鹏。翟志刚、刘伯明、景海鹏。神舟八号神舟八号神舟九号神舟九号爱因斯坦曾说过：爱因斯坦曾说过：“一个人最完美和最强烈的情感一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜来自面对不解之谜”。你想加入破解它的行列吗？你想加入破解它的行列吗？神舟十号神舟十号一、宇宙速度一、宇宙速度 1.第一宇宙速度第一宇宙速度 v1=7.9km/s 推导式：推导式： 2.第二宇宙速度（脱离速度）第二宇宙速度（脱离速度） v2=11.2km/s 第三宇宙速度（逃逸速度）第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s二、同步卫星二、同步卫星 1.周期周期T=24h 2.卫星轨道平面与地球赤道平面重合卫星轨道平面与地球赤道平面重合RGMv =7.9km/sgRv =7.9km/s
