宇宙航行课.ppt

嫦嫦娥娥奔奔月月 敦敦敦敦煌煌煌煌飞飞飞飞天天天天的的的的壁壁壁壁画画画画探究宇宙的奥秘，奔向遥远的太空。自古以来就是探究宇宙的奥秘，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？人类的梦想，怎样才能实现这一梦想呢？6.5宇宙航行宇宙航行n对比思考：在地面上扔一段粉笔，粉对比思考：在地面上扔一段粉笔，粉笔会落回地面上，而发射出去的卫星，笔会落回地面上，而发射出去的卫星，会不会掉回地面？如果不落回地面，会不会掉回地面？如果不落回地面，需要具备需要具备怎样的条件怎样的条件呢呢？牛顿的设想过程牛顿的设想过程小结论：n在地球上抛出物体，当它的速度足够大在地球上抛出物体，当它的速度足够大时，将不会再落回地面上，而是围绕地时，将不会再落回地面上，而是围绕地球旋转，成为一颗人造地球卫星。简称球旋转，成为一颗人造地球卫星。简称“人造卫星人造卫星”。牛顿设想的牛顿设想的人造卫星原理图人造卫星原理图探究n当卫星以多大的速度当卫星以多大的速度发射发射时，刚好不时，刚好不落回地面，而围绕地球做匀速圆周运落回地面，而围绕地球做匀速圆周运动呢？动呢？n已知已知=6.6710-11Nm2/kg2,地球质地球质量量M=5.981024kg,卫星质量为卫星质量为m，地，地球半径球半径R=6400km在在在在地球表面地球表面地球表面地球表面运行时运行时运行时运行时r r R RvmmMMrR R 设地球的质量为设地球的质量为设地球的质量为设地球的质量为MM，绕地球做匀速圆周运动的飞，绕地球做匀速圆周运动的飞，绕地球做匀速圆周运动的飞，绕地球做匀速圆周运动的飞行器的质量为行器的质量为行器的质量为行器的质量为mm，飞行器的速度为，飞行器的速度为，飞行器的速度为，飞行器的速度为v v，它到地心的距，它到地心的距，它到地心的距，它到地心的距离为离为离为离为r r。飞行器运动所需要的向心力由地球对它的万有引力飞行器运动所需要的向心力由地球对它的万有引力飞行器运动所需要的向心力由地球对它的万有引力飞行器运动所需要的向心力由地球对它的万有引力提供提供提供提供 :=7.9km/s思考思考：如果不知道地球的质量，但知道地球如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度表面的重力加速度g，如何这一速度，如何这一速度v？解：近似认为地球对地面的物体的万有引力解：近似认为地球对地面的物体的万有引力等于其重力等于其重力mg。物体在地面物体在地面附近附近绕地球做匀速圆绕地球做匀速圆周运动的线速度，叫周运动的线速度，叫第一宇宙速度第一宇宙速度，也叫地面附近的也叫地面附近的环绕速度环绕速度。数值为。数值为7.9km/s二二 宇宙速度宇宙速度计算方法一计算方法一计算方法二计算方法二一、宇宙速度 第一宇宙速度第一宇宙速度 v v1 1=7.9km/s=7.9km/sn说明：说明：（）（）第一宇宙速度是第一宇宙速度是发射卫星的最小速度发射卫星的最小速度，发，发射速度低于它，卫星将落回地面而不能绕地球射速度低于它，卫星将落回地面而不能绕地球运转；运转；（）等于这个速度，卫星刚好能在地球表面（）等于这个速度，卫星刚好能在地球表面附近做匀速圆周运动；附近做匀速圆周运动；(环绕速度）环绕速度）它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度所必须具备的速度 （3 3）如果卫星发射速度大于如果卫星发射速度大于7.9km/s，而小，而小于于11.2km/s，卫星将沿椭圆轨道绕地球运，卫星将沿椭圆轨道绕地球运行行、第二宇宙速度、第二宇宙速度 v2=11.2 km/s 当物体的发射速度等于或大于当物体的发射速度等于或大于11.2km/s11.2km/s时，它就会克时，它就会克服地球引力，永远离开地球。服地球引力，永远离开地球。3 3、第三宇宙速度、第三宇宙速度 如如果果人人造造天天体体具具有有这这样样的的速速度度，就就可可以以摆摆脱脱地球和太阳引力的束缚而飞到太阳系外了地球和太阳引力的束缚而飞到太阳系外了v3=16.7 km/s行星思考：这两颗绕地球思考：这两颗绕地球飞行的速度谁大？飞行的速度谁大？低轨道上的卫星运行速度大低轨道上的卫星运行速度大高轨道上的卫星运行速度小高轨道上的卫星运行速度小行星思考：思考：既然高轨既然高轨道上的卫道上的卫星运行速星运行速度小，是度小，是不是说把不是说把卫星送入卫星送入高轨道需高轨道需要的能量要的能量更小，更更小，更容易？容易？n区分两种速度：发射速度和卫星绕区分两种速度：发射速度和卫星绕地旋转的速度（绕行速度）地旋转的速度（绕行速度）1、发射速度、发射速度：是指被发射物在地面附近：是指被发射物在地面附近 离开发射装置时的速度。离开发射装置时的速度。第一宇宙速度第一宇宙速度7.9km/s发射速度发射速度 第二宇宙速度第二宇宙速度11.2km/s 第三宇宙速度第三宇宙速度16.7km/s2、运行速度：运行速度：指卫星在稳定的轨道上指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度绕地球转动的线速度线速度、角速度、周期、向心加速度与半径的关系：线速度、角速度、周期、向心加速度与半径的关系：2MmGr小结：小结：当半径当半径r越越大时，大时，v、w、an越小，越小，而而T越大。越大。3、思考与讨论：思考与讨论：求近地卫星的周期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？=84.6min=84.6min或：或：我们能否发射一颗周期为我们能否发射一颗周期为80min80min的卫星吗？的卫星吗？中国航天事业中国航天事业19701970年，中国第一颗人造卫星年，中国第一颗人造卫星（“东方红东方红”一号）一号）发射成功。发射成功。19921992年年载人航天工程载人航天工程正式启动正式启动20032003年年1010月月1515日日9 9时，神州时，神州5 5号宇宙飞船成功发射，将第一号宇宙飞船成功发射，将第一位航天员杨利伟送入太空绕行位航天员杨利伟送入太空绕行1414圈，圈，1010月月1616日日6 6时时2323分降分降落在内蒙古主着陆场落在内蒙古主着陆场中国成为世界上第三个独立开展载人航天活动的国家中国成为世界上第三个独立开展载人航天活动的国家2005年年10月月12日日9时时整，航天员费整，航天员费俊龙、聂海胜俊龙、聂海胜驶乘驶乘神舟六号神舟六号载人飞船载人飞船飞向飞向太空，开始了太空，开始了中国人首次双中国人首次双人太空多日行。人太空多日行。这标志着中国载人航天飞行由神舟五号的验这标志着中国载人航天飞行由神舟五号的验证性飞行试验完全过渡到真正意义上有人参与的证性飞行试验完全过渡到真正意义上有人参与的空间飞行试验。空间飞行试验。20082008年年9 9月月2525日日2121时时神舟七号飞船神舟七号飞船升空升空,载有三名宇航员载有三名宇航员分别为分别为翟志刚翟志刚、刘伯明刘伯明和和景海鹏景海鹏。实施了。实施了中国航天员中国航天员首首次空间出舱活动次空间出舱活动，同时开展，同时开展卫星卫星伴飞、卫星数据中继等伴飞、卫星数据中继等空间科学和技术试验。空间科学和技术试验。20072007年年1010月月2424日，我国首颗探月卫星日，我国首颗探月卫星嫦娥一号嫦娥一号发发射成功。射成功。20102010年年1010月月1 1日，日，嫦娥二号嫦娥二号在西昌卫星发射中心在西昌卫星发射中心发射升空，并获得了圆满成功。我国的航天事业发射升空，并获得了圆满成功。我国的航天事业进入进入探月时代探月时代。在地球上抛出的物体，当它的速在地球上抛出的物体，当它的速度足够大时，物体就永远不会落到地度足够大时，物体就永远不会落到地面上，它将围绕地球旋转，成为一颗面上，它将围绕地球旋转，成为一颗人造地球卫星。简称人造卫星。人造地球卫星。简称人造卫星。地球 二、宇宙速度：二、宇宙速度：1、第一宇宙速度：、第一宇宙速度：v=7.9km/s2、第二宇宙速度：、第二宇宙速度：v=11.2km/s3、第三宇宙速度：、第三宇宙速度：v=16.7km/sV1=7.9km/s地球V2=11.2km/sV3=16.7km/s课堂小结课堂小结1关于地球的第一宇宙速度，下列说法正确的是（）关于地球的第一宇宙速度，下列说法正确的是（）A.它是人造地球卫星绕地球运行的最小速度它是人造地球卫星绕地球运行的最小速度B.它是近地圆形轨道上人造卫星的环绕速度它是近地圆形轨道上人造卫星的环绕速度C.它是能使卫星进入近地轨道的最小发射速度它是能使卫星进入近地轨道的最小发射速度D.它是能使卫星进入轨道的最大发射速度它是能使卫星进入轨道的最大发射速度答案：答案：BC2在地面上某一高度运行的人造卫星，下列在地面上某一高度运行的人造卫星，下列说法中正确的是说法中正确的是()A该卫星在轨道上的运行速度大于第一宇宙该卫星在轨道上的运行速度大于第一宇宙速度速度B该卫星在轨道上的运行速度小于第一宇宙该卫星在轨道上的运行速度小于第一宇宙速度速度C发射该卫星时的发射速度大于第一宇宙速发射该卫星时的发射速度大于第一宇宙速度度D发送该卫星时的发射速度小于第一宇宙速发送该卫星时的发射速度小于第一宇宙速度度BC3人造地球卫星绕地球做圆周运动的线速度可以人造地球卫星绕地球做圆周运动的线速度可以是是()11.2km/s7.9km/s6km/s16.7km/sABCDB4.近地表附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星近地表附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星（近地卫星）周期。我们能否发射一颗周期（近地卫星）周期。我们能否发射一颗周期为为70min的卫星呢？的卫星呢？在地球上抛出的物体，当它的速在地球上抛出的物体，当它的速度足够大时，物体就永远不会落到地度足够大时，物体就永远不会落到地面上，它将围绕地球旋转，成为一颗面上，它将围绕地球旋转，成为一颗人造地球卫星。简称人造卫星。人造地球卫星。简称人造卫星。地球 二、宇宙速度：二、宇宙速度：1、第一宇宙速度：、第一宇宙速度：v=7.9km/s2、第二宇宙速度：、第二宇宙速度：v=11.2km/s3、第三宇宙速度：、第三宇宙速度：v=16.7km/sV1=7.9km/s地球V2=11.2km/sV3=16.7km/s四、人造卫星的超重和失重四、人造卫星的超重和失重1、发射和回收阶段、发射和回收阶段发射发射加速上升加速上升超重超重回收回收减速下降减速下降超重超重2、沿圆轨道正常运行、沿圆轨道正常运行只受重力只受重力a=g完全失重完全失重与重力有关的现象全部消失与重力有关的现象全部消失天平天平弹簧秤测重力弹簧秤测重力液体压强计液体压强计从卫星的受力角度分析：卫星的轨道有什么特点轨道特点：万有引力轨道特点：万有引力提供向心力提供向心力.所以轨所以轨道平面一定经过地球道平面一定经过地球中心中心对于圆轨道：地心位对于圆轨道：地心位于其圆心；于其圆心；对于椭圆轨道：地心对于椭圆轨道：地心位于一个焦点上。位于一个焦点上。第二课时第二课时同步卫星同步卫星问题：你能否形象的描述它的轨道？问题：你能否形象的描述它的轨道？什么是地球同步卫星？什么是地球同步卫星？所谓地球同步卫星是指相对于地面静止且所谓地球同步卫星是指相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的与地球自转具有相同周期的人造人造卫星卫星,又叫又叫通讯卫星通讯卫星它的周期它的周期T地球同步卫星地球同步卫星能否位于北京正上方某一确能否位于北京正上方某一确定高度定高度h？所有的同步卫星只能分布在赤道上方所有的同步卫星只能分布在赤道上方 的一个确定轨道上的一个确定轨道上1 1、只能分布在一个确定的赤道轨道上。、只能分布在一个确定的赤道轨道上。轨道平面轨道平面(赤道平面赤道平面)2 2、周期与地球自转的周期相同、周期与地球自转的周期相同:T T2424h h。3 3、角速度、角速度与地球的自转角速度相同。与地球的自转角速度相同。4 4、离地面高度、离地面高度:h h=36000km=36000km。5 5、线速度、线速度:v v=3.1=3.1km/skm/s。特点：定轨道、定周期、定角速度、定高度、定线速度特点：定轨道、定周期、定角速度、定高度、定线速度同步卫星的特点同步卫星的特点结论：结论：地球同步卫星必须发射在赤道正上方地球同步卫星必须发射在赤道正上方的固定高度，并且以固定的速度环绕地球做的固定高度，并且以固定的速度环绕地球做圆周运动。圆周运动。对同步卫星：对同步卫星：其其r、v、T、g 均为定值均为定值h练习：练习：求同步卫星离地面高度求同步卫星离地面高度同步卫星的线速度同步卫星的线速度解：万有引力提供向心力解：万有引力提供向心力 故故 =由此解出由此解出v=将地球质量将地球质量M及及轨道半径轨道半径r带入带入h=3.6107mr=4.26107mv=3.1km/sT=24hh=3.8108mr3.8108mv=1km/sT=27天天h0r=6.4106mv=7.9km/sT=85分钟分钟同同步步卫卫星星近近地地卫卫星星月球月球近地卫星、近地卫星、同步卫星、同步卫星、月球三者比月球三者比较较比较赤道上的某一点、近地卫星、比较赤道上的某一点、近地卫星、同步卫星的同步卫星的T、v、a向向3 3颗同步卫星可实现全球覆盖颗同步卫星可实现全球覆盖1.1.同步卫星主要用同步卫星主要用同步卫星主要用同步卫星主要用于通讯。要实现于通讯。要实现于通讯。要实现于通讯。要实现全球通讯，只需全球通讯，只需全球通讯，只需全球通讯，只需三颗同步卫星即三颗同步卫星即三颗同步卫星即三颗同步卫星即可。可。可。可。2.2.为了同步卫星之为了同步卫星之为了同步卫星之为了同步卫星之间不互相干扰，间不互相干扰，间不互相干扰，间不互相干扰，大约大约大约大约33左右才能左右才能左右才能左右才能放置放置放置放置1 1颗，这样颗，这样颗，这样颗，这样地球的同步卫星地球的同步卫星地球的同步卫星地球的同步卫星只能有只能有只能有只能有120120颗。颗。颗。颗。可见，空间位置可见，空间位置可见，空间位置可见，空间位置也是一种资源。也是一种资源。也是一种资源。也是一种资源。问题问题5 5：如何发射同步卫星？：如何发射同步卫星？五、同步卫星变 轨时的各参量比较v1v3v2Av1v3v2Bv1v3v2Av1v3v2Bv1v2Av2Bv3vtv2AAv2BB速度关系：五、同步卫星变轨时的各参量比较v1v3v2AAv2BB加速度关系：a1A=a2Aa2B=a3B周期关系：T3T2T1凡是人造卫星的问题都可从下列关凡是人造卫星的问题都可从下列关系去列运动方程，即系去列运动方程，即:重力重力=万有引力万有引力=向心力向心力2、两颗人造地球卫星质量之比、两颗人造地球卫星质量之比m1 m2=1 2,轨轨道半径之比道半径之比R1 R2=3 1，下列有关数据之比正确，下列有关数据之比正确的是的是()A、周期之比、周期之比T1 T2=3 1 B、线速度之比、线速度之比v1 v2=3 1C、向心力之比、向心力之比F1 F2=1 9 D、向心加速度之比、向心加速度之比a1 a2=1 9例题分析例题分析1、人造地球卫星的轨道半径越大，则、人造地球卫星的轨道半径越大，则()A、速度越小，周期越小、速度越小，周期越小B、速度越小，加速度越小、速度越小，加速度越小C、加速度越小、加速度越小,周期越大周期越大D、角速度越小、角速度越小,加速度越大加速度越大BCD1999年年5月月10日，我国成功地发射了日，我国成功地发射了“一箭双星一箭双星”，将，将“风云风云1号号”气象卫星和气象卫星和“实验实验5号号”科学科学实验卫星送入离地面实验卫星送入离地面870km的轨道，已知地球半的轨道，已知地球半径为径为6400km，这两颗卫星的运动速度约为，这两颗卫星的运动速度约为 A、11.2kms B、7.9kms C、7.4kmsD、2.1kmsC例题分析例题分析例3：关于地球同步卫星，下列说法正确的是（）A.它的运行速度小于7.9km/sB.它的运行速度大于7.9km/s C.它的周期是24h，且轨道平面于赤道平面重D.每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样的ACD西昌卫星发射中心西昌卫星发射中心酒泉卫星发射基地酒泉卫星发射基地太太原原卫卫星星发发射射中中心心小小 结结：一、宇宙速度一、宇宙速度 1、第一宇宙速度（环绕速度）第一宇宙速度（环绕速度）v1=7.9km/s 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 3、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