宇宙航行-课件(共61张).ppt

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1、6.56.56.56.5宇宙航行宇宙航行表面模型表面模型忽略自转的情况下忽略自转的情况下基本关系式：环绕模型环绕模型MR06 三月 2023嫦嫦娥娥奔奔月月06 三月 2023 敦煌飞天的美丽壁画敦煌飞天的美丽壁画 如今，人们的通信手段越来越多样，如今，人们的通信手段越来越多样，加强了世界的联系。要保证稳定通畅的通加强了世界的联系。要保证稳定通畅的通讯，需要讯，需要同步卫星同步卫星进行信号的传递。进行信号的传递。手机等便携设备手机等便携设备的的导航定位功能导航定位功能已经非常全面，已经非常全面，要实现精确的导要实现精确的导航，航，同步卫星同步卫星发发挥了极大的作用。挥了极大的作用。问题：问题：

2、怎么样才能把物体发射上天空，怎么样才能把物体发射上天空，且不再落回地面？且不再落回地面？牛顿的设想牛顿的设想 从高山上用不同的水平速度抛从高山上用不同的水平速度抛出物体出物体,速度越大速度越大,则落点越远。则落点越远。不计空气阻力不计空气阻力,当速度足够大时当速度足够大时,物体就永远不会落到地面上来物体就永远不会落到地面上来,而围绕地球运动而围绕地球运动,成为一颗人造成为一颗人造地球卫星了地球卫星了.牛顿的设想：牛顿的设想：应用：发射航天器应用：发射航天器基本关系式：V=7.9km/s是是最小发射速度最小发射速度，叫做，叫做第一宇宙速度（环绕速度）第一宇宙速度（环绕速度）思考思考1：要使物体绕

3、地球做匀速圆周运动，抛出物体：要使物体绕地球做匀速圆周运动，抛出物体的速度至少为多大？的速度至少为多大？思考思考2：这些卫星环绕地球运动的速度：这些卫星环绕地球运动的速度都一样么？与什么有关？请说明理由都一样么？与什么有关？请说明理由V=7.9km/s也是卫星绕地球做圆周也是卫星绕地球做圆周运动的运动的最大环绕速度最大环绕速度1、第一宇宙速度（环绕速度）：、第一宇宙速度（环绕速度）：v=7.9km/s，物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，也称为须具有的速度，也称为“最小发射速度最小发射速度”。一、宇宙速度一、宇宙速度l发射速度是指卫星在地面

4、附近离开发射火发射速度是指卫星在地面附近离开发射火箭的初速度。假若卫星发射后不再补充能箭的初速度。假若卫星发射后不再补充能量，那么要发射一颗人造地球卫星，其发量，那么要发射一颗人造地球卫星，其发射速度就不能小于第一宇宙速度射速度就不能小于第一宇宙速度。金星的半径是地球的金星的半径是地球的0.950.95倍，质量为倍，质量为地球的地球的0.820.82倍，求金星的倍，求金星的“第一宇宙第一宇宙速度速度”是多大？是多大？2、第二宇宙速度（脱离速度）：第二宇宙速度（脱离速度）：v=11.2km/s，物体会克服地球的物体会克服地球的引力，永远离开地球。引力，永远离开地球。l说明：若速度大于说明：若速度

5、大于7.9km/s而小于而小于11.2km/s，物体绕地球，物体绕地球运动的轨迹不是圆，是椭圆，运动的轨迹不是圆，是椭圆，但还在地球的引力范围之内。但还在地球的引力范围之内。3、第三宇宙速度（逃逸速度）：第三宇宙速度（逃逸速度）：v=16.7km/s，物体会挣脱太阳，物体会挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外。引力束缚，飞到太阳系外。地球v2=11.2km/sv3=16.7km/s11.2km/sv7.9km/s v1=7.9km/s二、人造卫星的运行规律二、人造卫星的运行规律人造卫星受到地球对它的万有引力作用，人造人造卫星作匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。卫星作匀速圆周运动的向心力由万有引力提

6、供。设地球质量为M，卫星质量为m，卫星的绕行速度v、角速度、周期T、向心加速度a与轨道半径 r 的关系r(a、V、T)卫星运动的线速度、角速度、向心加速度和周期：卫星运动的线速度、角速度、向心加速度和周期：可见：卫星运动情况可见：卫星运动情况(a、V、T)是是由由 r r 惟惟 一决定一决定(2)由由 得：得：GM mr2=mv2r(3)由由 得：得：GM mr2=m2r(4)由由 得得：GM mr2=m()rT2GM42r3(1)由由 得：得：aGM mr2=maGMr2记忆口诀：记忆口诀：“高轨低速长周期高轨低速长周期”1234v1v2=v3v4T1T2=T32=34 人造地球卫星的运动规

7、律人造地球卫星的运动规律练习：对于练习：对于绕地球绕地球运动的人造卫星：运动的人造卫星：（1）离地面越高，线速度越）离地面越高，线速度越（2）离地面越高，周期越）离地面越高，周期越（3）离地面越高，角速度越）离地面越高，角速度越（4）离地面越高，向心加速度越）离地面越高，向心加速度越（5）离地面越高，向心力越）离地面越高，向心力越小小长长小小小小小小 两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，它们的质量不相等，轨道半径之运行，它们的质量不相等，轨道半径之比比r1:r2=1:4,则它们的则它们的(1)线速度大小之比线速度大小之比 v1:v2=(2)周期之比周期之比 T

8、1:T2=三、近地卫星 近地卫星是指卫星的轨道半径近地卫星是指卫星的轨道半径近似等于地球半径，其周期约为近似等于地球半径，其周期约为84分钟。其向心力由万有引力提供。分钟。其向心力由万有引力提供。06 三月 2023练习：求近地卫星的周期练习：求近地卫星的周期我们能否发射一颗周我们能否发射一颗周期为期为80min的卫星？的卫星？四、地球同步卫星四、地球同步卫星 1、定义、定义所谓地球同步卫星，是相对于地面所谓地球同步卫星，是相对于地面静止静止的和地球具有相同的和地球具有相同周期周期的卫星，同步卫的卫星，同步卫星必须位于星必须位于赤道平面内赤道平面内，且到地面的，且到地面的高高度一定度一定。r

9、v T a “全部固定全部固定”圆轨道在赤道平面，即圆轨道在赤道平面，即在赤道的正上方；周在赤道的正上方；周期与地球自转周期相期与地球自转周期相同，为同，为24小时；绕行小时；绕行方向为自西向东。方向为自西向东。大家能否计算大家能否计算出同步卫星的出同步卫星的高度，线速度高度，线速度呢？呢？2、地球同步卫星的运行特征可概括为四个一定可概括为四个一定定轨道平面定轨道平面,其运行轨道平面在赤道平面内；其运行轨道平面在赤道平面内；定周期定周期,即运行周期等于地球自转周期（即运行周期等于地球自转周期（24 h）定高度定高度，即离地面高度一定（，即离地面高度一定（h=36000 km）定速度定速度，即运

10、行速度一定（，即运行速度一定（v3.1km/s）3、同步卫星的应用：主要用于通信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所所以以也也叫叫通通信信卫卫星星06 三月 2023 为了卫星之间不互相干扰，大约3左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。2005年年10月月12日日,我国成功发射了我国成功发射了“神舟神舟”六号载人飞船。某同学通过因特网查到六号载人飞船。某同学通过因特网查到“神舟神舟”六号飞船在圆形轨道上运行一周六号飞船在圆形轨道上运行一周的时间大约为的时间大约为90min。他将这一信息与地。他将这一信息与地球同步卫星进行了比较，可知

11、（球同步卫星进行了比较，可知（）A.飞船运行的速度比同步卫星小飞船运行的速度比同步卫星小 B.飞船运行的加速度比同步卫星小飞船运行的加速度比同步卫星小C.飞船距地面的高度比同步卫星小飞船距地面的高度比同步卫星小 C.飞船运行的角速度比同步卫星小飞船运行的角速度比同步卫星小C 由由F F引引=F Fn n知轨道平面知轨道平面一定经过地球中心；一定经过地球中心；思考思考:哪条轨道可能是人造卫星的运哪条轨道可能是人造卫星的运行轨道？行轨道？ABC“高轨低速长周期高轨低速长周期”五、人造卫星的轨道五、人造卫星的轨道极地轨道极地轨道一般轨道一般轨道赤道轨道赤道轨道所有卫星都在以地心为圆所有卫星都在以地心

12、为圆心的轨道上心的轨道上(原因原因？）？）平面平面立体立体赤道平面赤道平面赤道轨道赤道轨道极地轨道极地轨道倾斜轨道倾斜轨道思考思考:同步卫星的轨道属于哪一种？同步卫星的轨道属于哪一种？人造卫星的轨道06 三月 2023六、人造卫星的超重和失重六、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七、卫星变轨七、卫星变轨VF引F引引F向向F引引F向向卫星变

13、轨原理卫星变轨原理MmA点速度点速度内小外大内小外大（在（在A点看轨迹）点看轨迹）在在A点万有引力点万有引力相同相同A思考：思考：人造卫星在人造卫星在低轨道上运行低轨道上运行，要想让其在，要想让其在高轨道上运行高轨道上运行，应采取什么措施？，应采取什么措施？在在低轨道上加速低轨道上加速，使其沿，使其沿椭椭圆轨道圆轨道运行，当行至椭圆轨运行，当行至椭圆轨道的道的远点远点处时再次处时再次加速加速，即，即可使其沿可使其沿高轨道运行高轨道运行。卫星变轨原理卫星变轨原理1 1、卫星在二轨道相切点、卫星在二轨道相切点万有引力万有引力相同相同速度速度内小外大内小外大（切点看轨迹）（切点看轨迹）2 2、卫星在

14、椭圆轨道运行、卫星在椭圆轨道运行近地点近地点-速度速度大大，动能大，动能大远地点远地点-速度速度小小，动能小，动能小v vF F引引引引12R卫星在圆轨卫星在圆轨道运行速度道运行速度V1V2900减小减小卫星变轨原理卫星变轨原理v v3 3F F引引引引L卫星变轨原理卫星变轨原理使使使使卫卫卫卫星星星星进进进进入入入入更更更更高高高高轨轨轨轨道道道道做做做做圆圆圆圆周周周周运运运运动动动动v3 3v4 4卫卫星星的的回回收收 1 1、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地近地圆轨道圆轨道1 1，然后经点火使其沿，然后经点火使其沿椭圆轨道椭圆轨道2

15、 2运行；最后再次运行；最后再次点火将其送入同步点火将其送入同步圆轨道圆轨道3 3。轨道。轨道1 1、2 2相切于相切于P P点，点，2 2、3 3相切于相切于Q Q点。当卫星分别在点。当卫星分别在1 1、2 2、3 3上正常运行时，以下上正常运行时，以下说法正确的是（说法正确的是（）A A、在轨道、在轨道3 3上的速率大上的速率大 于于1 1上的速率上的速率 B B、在轨道、在轨道3 3上的角速度上的角速度 小于小于1 1上的角速度上的角速度 C C、在轨道、在轨道2 2上经过上经过Q Q点时点时 的速率等于在轨道的速率等于在轨道3 3上经过上经过Q Q点时的速率点时的速率 D D、在轨道、

16、在轨道1 1上经过上经过P P点时的加速度等于在轨道点时的加速度等于在轨道2 2上上 经过经过P P点时的加速度点时的加速度 QQP P231BD八、对接问题：八、对接问题：宇宙飞船与空间站的对接宇宙飞船与空间站的对接空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何到达空间站，空间站上的人又如地球上的人如何到达空间站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。思考：思考：能否把宇宙飞船先发射到空间

17、站的同一轨道能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？l不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间站对接。轨道而无法与空间站对接。飞船首先在比空间站低的飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当轨道运行，当运行到适当位置时，再位置时，再加速加速运行到一运行到一个椭圆轨道。个椭圆轨道。通过控制轨道使飞船跟空通过控制轨道使飞船跟空间站间站恰好恰好同时运行到两轨同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对接，当减速，便可实现对接，如图

18、示。如图示。空间站空间站空间站空间站飞船飞船对接方法：例：在太空中有两飞行器例：在太空中有两飞行器a a、b b，它们在绕地，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，球的同一圆形轨道上同向运行，a a在前在前b b在后，在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想机，现要想b b 尽快追上尽快追上a a 并完成对接，并完成对接，b b应采应采取的措施是（取的措施是（）A A、沿运动方向喷气、沿运动方向喷气 B B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气C C、沿运动反方向喷气、沿运动反方向喷气 D D、先沿运

19、动反方向喷气，后沿运动方向喷气、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气B在我国的甘肃酒泉和四川西昌有两个著名的卫星在我国的甘肃酒泉和四川西昌有两个著名的卫星发射基地，它们为我国的航天事业立下了汗马功发射基地，它们为我国的航天事业立下了汗马功劳。如果请你参与卫星的发射工作，要发射一颗劳。如果请你参与卫星的发射工作，要发射一颗地球同步通信卫星，从节能的角度分析，你认为地球同步通信卫星，从节能的角度分析，你认为在这两个基地中的发射地点和发射方向应选（在这两个基地中的发射地点和发射方向应选（）A.酒泉酒泉，向西发射，向西发射 B.酒泉酒泉，向东发射，向东发射C.西昌西昌，向西发射，向西发射 D.西昌西昌

20、，向东发射，向东发射D3 3 3 3、第三宇宙速度（、第三宇宙速度（、第三宇宙速度（、第三宇宙速度（逃逸速度逃逸速度逃逸速度逃逸速度）：）：）：）：v v=16.7=16.7千米千米千米千米/秒秒秒秒（卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度）（卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度）（卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度）（卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度）1、第一宇宙速度（、第一宇宙速度（环绕速度环绕速度）：）：v=7.9千米千米/秒秒（地球卫星最大的绕行速度，地球卫星的最小发射速度）（地球卫星最大的绕行速度，地球卫星的最小发射速度）2 2、第二宇宙速度（、第二宇宙速度（、第二宇宙速度（、第二宇宙速度（脱离速度脱离

21、速度脱离速度脱离速度）：）：）：）：v v=11.2=11.2千米千米千米千米/秒秒秒秒（卫星挣脱地球束缚变成小行星的最小发射速度）（卫星挣脱地球束缚变成小行星的最小发射速度）（卫星挣脱地球束缚变成小行星的最小发射速度）（卫星挣脱地球束缚变成小行星的最小发射速度）或或小结小结第第5节节 宇宇 宙宙 航航 行行九九梦想成真梦想成真 1957年年10月，原苏月，原苏联发射联发射第一颗人造地第一颗人造地球卫星球卫星卫星重卫星重83.6kg，每，每96min绕地球飞行绕地球飞行一圈一圈请同学们根据所学知识计算这颗卫星的轨道半径是多少请同学们根据所学知识计算这颗卫星的轨道半径是多少？卫星距地面的高度是多

22、少？卫星的角速度是多少？卫星距地面的高度是多少？卫星的角速度是多少？九、九、梦想成真梦想成真 几年之后，几年之后，1961年年4月月12日苏联空军少日苏联空军少校加加林进入了东方一校加加林进入了东方一号载人飞船。实现了人号载人飞船。实现了人类第一次进入太空。他类第一次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更的非凡勇气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。多人为航天事业奋斗。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108分，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就分，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。了人类进入太空的丰碑。九、九、梦想成真梦想成真 1969

23、年年7月月20日，阿波罗日，阿波罗11号将人类送上了月球。当时，上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，他在月球上迈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。出了一小步，却是人类迈出的一大步。九九梦想成真梦想成真 航天飞机资料：可重复使航天飞机资料：可重复使用的用运载火箭发射的飞用的用运载火箭发射的飞行器，用于进入地球轨道，行器，用于进入地球轨道，在地球与轨道航天器之间在地球与轨道航天器之间运送人员和物资，并滑翔运送人员和物资，并滑翔降落于地面。降落于地面。1984年年4月月12日，第一日，第一架航天飞机哥伦比亚号架

24、航天飞机哥伦比亚号发射成功。发射成功。2003年年2月月1日，哥伦日，哥伦比亚号航天飞机在重比亚号航天飞机在重返地面的过程中突然返地面的过程中突然发生解体燃烧，航天发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航员，飞机上的七名宇航员，包括六名美国人及一包括六名美国人及一名以色列人全部遇难。名以色列人全部遇难。九九梦想成真梦想成真 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 19701970年，年，“东方红东方红”1号，中国第一颗人号，中国第一颗人造卫星。中国是第五个能自行发射卫星的国造卫星。中国是第五个能自行发射卫星的国家家。九九梦想成真梦想成

25、真 风云一号风云一号风云二号风云二号中国首颗气象卫星；中国是第三个独立研制并发射太阳中国首颗气象卫星；中国是第三个独立研制并发射太阳同步轨道卫星的国家。同步轨道卫星的国家。三三梦想成真梦想成真 1984年，试验通信卫星：年，试验通信卫星：“东方红东方红”2号，标志着号，标志着中国是世界上第中国是世界上第5个能发个能发射地球静止轨道卫星的射地球静止轨道卫星的国家。国家。通信卫星通信卫星三三梦想成真梦想成真 2007年年10月月24日日18时时05分，嫦娥一号探测器从西昌分，嫦娥一号探测器从西昌卫星发射中心由长征三号甲运载火箭成功发射。卫星发射中心由长征三号甲运载火箭成功发射。九九梦想成真梦想成真 飞船绕地球飞行飞船绕地球飞行14圈后，于圈后，于10月月16日日6时时23分安全分安全降落在内蒙古主着陆场试估算神州五号绕地球飞行降落在内蒙古主着陆场试估算神州五号绕地球飞行时距地面的高度。时距地面的高度。九九梦想成真梦想成真 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”五号宇宙飞船在酒泉卫五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送人太空一位航天员杨利伟送人太空九九梦想成真梦想成真 嫦嫦 娥娥 工工 程程