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1、第五节、宇宙航行第五节、宇宙航行泰安英雄山中学高一物理组 2013年4月 1 、了解人造卫星的有关知识2 、知道三个宇宙速度的涵义，会 推导第一宇宙速度 3 、能运用万有引力定律及匀速圆 周运动的规律解决卫星运动的 有关问题 4 、感知人类探索宇宙的梦想，培 养献身科学的人生价值观目标引领需要给物体以需要给物体以多大多大的速度，它才会不落回到地面呢的速度，它才会不落回到地面呢? ?从从 高山上水平抛出物体，速度一次比一次大，落地高山上水平抛出物体，速度一次比一次大，落地 点也就一次比一次远。如果速度足够大，物体就不再落点也就一次比一次远。如果速度足够大，物体就不再落 回地面，它将绕地球运动，成
2、为人造地球卫星。回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星。以以平抛运动为模型的推理过程平抛运动为模型的推理过程地地 球球牛顿人造卫星原理图牛顿人造卫星原理图R R建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动基本思路：卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对 卫星的万有引力提供。探究一：探究一：F Fv vr rmmMM设地球的质量为M，绕地球做匀速圆周运 动的人造卫星的质量 m，它到地心的距离 为r， 试推倒人造卫 星的线速度v v 、角速 度 、周期T T 、向心 加速度a a 随半径 的变化关系？r人造卫星的运行人造卫星的运行v v、 、T T、a a与与r r的关系的关系规律总结 ：一正全 反探究二：
3、要使一个物体在地面附近恰能围绕着 地球做圆周运动，需要为它提供多大的速度?R R这就是人造地球卫星在地面附近绕地球 做匀速圆周运动所必须具有的最小发射速 度，叫做第一宇宙速度。运行速度：运行速度：指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。发射速度：发射速度： 指被发射物在地面附近离开发射装置时的水平初速度。指被发射物在地面附近离开发射装置时的水平初速度。v环绕v发射难点突破：运行速度与发射速度辨析难点突破：运行速度与发射速度辨析阅读课本回答： 什么是第一宇宙速度？ 什么是第二宇宙速度？ 什么是第三宇宙速度？物体在物体在地面附近地面附近绕地球做匀
4、速圆周运动的线速度，绕地球做匀速圆周运动的线速度，叫第一宇宙速度，也叫地面附近的环绕速度。数值为叫第一宇宙速度，也叫地面附近的环绕速度。数值为 7.9km/s7.9km/s。1 1、第一宇宙速度是、第一宇宙速度是发射发射卫星的卫星的最小最小速度速度（发射速度不能低于它，否则卫星将不能环绕地球做圆周运动而落回地面）（发射速度不能低于它，否则卫星将不能环绕地球做圆周运动而落回地面）第一宇宙速度（环绕速度）第一宇宙速度（环绕速度）2 2、第一宇宙速度是、第一宇宙速度是最大最大的的环绕环绕速度速度（在环绕地球做匀速圆周运动的所有可能速度中）（在环绕地球做匀速圆周运动的所有可能速度中）在地面附近发射飞行
5、器，如果发射速度大于在地面附近发射飞行器，如果发射速度大于 7.97.9km/skm/s，而小于而小于11.211.2km/skm/s，它绕地球运行的轨它绕地球运行的轨 迹就不是圆，而是椭圆。迹就不是圆，而是椭圆。第二宇宙速度：第二宇宙速度：11.2km/s11.2km/s当物体的速度大于或等于当物体的速度大于或等于11.2km/s11.2km/s时，卫星就会挣脱时，卫星就会挣脱地球的引力束缚，不再绕地球运行，而是飞向太阳系的地球的引力束缚，不再绕地球运行，而是飞向太阳系的 其它空间中去。我们把这个速度叫第二宇宙速度。其它空间中去。我们把这个速度叫第二宇宙速度。第二宇宙速度第二宇宙速度第三宇宙
6、速度第三宇宙速度: 16.7km/s: 16.7km/s如果物体的速度等于或大于如果物体的速度等于或大于 16.7km/s16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空 间去间去第三宇宙速度第三宇宙速度各种各样的卫星各种各样的卫星1957年10月4日，前苏联发射了 世界上第一颗人造地球卫星我国在1970年4月20日发射了第 一颗人造地球卫星2003年10月15日，神州五号载人 宇宙飞船发射升空卫星圆周运动的卫星圆周运动的圆心和地球的地心重合圆心和地球的地心重合。存在三类人造地球卫星轨道：存在三类人造地球卫星轨道： 赤道轨
7、道赤道轨道，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方；，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方；极地轨道极地轨道，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空；，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空；一般轨道一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。，卫星轨道和赤道成一定角度。人造地球卫星的运行轨道人造地球卫星的运行轨道 地球同步卫星的特点地球同步卫星的特点1 1、同步卫星与地球同步转动，又称静止卫星（相对、同步卫星与地球同步转动，又称静止卫星（相对 地面静止）地面静止）（1 1）周期、角速度与地球自转周期、角速度相同，）周期、角速度与地球自转周期、角速度相同， 所有同步卫星所有同步卫星T
8、 T=24h=24h。（2 2）轨道确定：）轨道确定：只能在赤道面的正上方，且为一定高度处。只能在赤道面的正上方，且为一定高度处。F F引引赤道平面赤道平面北北南南东东西西美国的间谍卫星美国的间谍卫星B BA A先将卫星发射至圆形近地的先将卫星发射至圆形近地的 圆轨道上，圆轨道上，在卫星经过在卫星经过A A点时点火加速进点时点火加速进 入椭圆形转移轨道入椭圆形转移轨道, ,到达远地点时再次自动点火加到达远地点时再次自动点火加 速，进入同步轨道。速，进入同步轨道。两次点火过程都使卫星沿切线两次点火过程都使卫星沿切线 方向加速，并且点火时间很短方向加速，并且点火时间很短 。发射同步卫星的一种程序发
9、射同步卫星的一种程序设卫星在近地圆轨道上运设卫星在近地圆轨道上运 行的速率为行的速率为v v1 1，在，在A A点短时间点短时间 加速后的速率为加速后的速率为v v2 2，沿转移，沿转移 轨道刚到达远地点轨道刚到达远地点B B时的速时的速 率为率为v v3 3，在，在B B点短时间加速后点短时间加速后 进入同步轨道后的速率为进入同步轨道后的速率为v v4 4。试比较。试比较v v1 1、v v2 2、v v3 3、v v4 4的大的大 小，并用小于号将它们排列小，并用小于号将它们排列 起来。起来。发射同步卫星的一种程序发射同步卫星的一种程序B Bv v2 2v v3 3A Av v4 4v v
10、1 1“ “神六神六” ”发射及运行过程可简化为：先由运载火箭将发射及运行过程可简化为：先由运载火箭将 飞船送入椭圆轨道，然后在椭圆轨道的远地点飞船送入椭圆轨道，然后在椭圆轨道的远地点A A实施实施 变轨，进入预定圆轨道，飞船变轨前后速度分别为变轨，进入预定圆轨道，飞船变轨前后速度分别为v v1 1、v v2 2，变轨前后的运行周期分别为，变轨前后的运行周期分别为T T1 1、T T2 2，飞船变轨，飞船变轨 前后通过前后通过A A点时的加速度分别为点时的加速度分别为a a1 1、a a2 2，则下列说法正，则下列说法正 确的是确的是( )( ) A AT T1 1T T2 2，v v1 1v
11、 v2 2，a a1 1a a2 2B BT T1 1T T2 2，v v1 1v v2 2，a a1 1a a2 2C CT T1 1T T2，v v1 1v v2 2，a a1 1a a2 2D DT T1 1T T2 2，v v1 1v v2 2，a a1 1a a2 2地球地球预预A A定定轨轨道道B B梦想成真梦想成真在科学技术欠发达的古代，在科学技术欠发达的古代，“ “嫦娥奔月嫦娥奔月” ”只能是美丽的传说。 只能是美丽的传说。 19571957年年1010月月4 4日，前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星，从而日，前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星，从而 开创了人类的航天新纪元
12、。 开创了人类的航天新纪元。 19611961年年4 4月月1212日，前苏联成功地发射了第一艘日，前苏联成功地发射了第一艘“ “东方号东方号” ”载入飞船，载入飞船， 揭开了人类进入太空的序幕。 揭开了人类进入太空的序幕。 19691969年年7 7月月2020日，美国日，美国“ “阿波罗阿波罗” ”1111号飞船的登陆舱降落在月球附近号飞船的登陆舱降落在月球附近 的静海区，首次实现了人类登上月球的理想的静海区，首次实现了人类登上月球的理想 20032003年年1010月月1515日，中国宇航员杨利伟乘坐日，中国宇航员杨利伟乘坐“ “神舟五号神舟五号” ”飞船绕行地飞船绕行地 球球1414圈
13、圈 人类进入了航天时代 人类进入了航天时代 阿波罗蹬月.wmv梦想成真梦想成真黑洞黑洞黑洞黑洞. .asxasx恒星被黑洞撕裂科学家借助太空 望远镜在一个距地 球亿光年的星系 中观测到了耀眼的 射线暴发。科 学家相信，这是被 位于该星系中央的 黑洞所吞噬的一颗 恒星发出的“临终呼 叫”。 1 1、同步卫星是指相对于地面不动的人造地、同步卫星是指相对于地面不动的人造地 球卫星（球卫星（ ）。）。 A A、它可以在地面上任一点的正上方，但离地它可以在地面上任一点的正上方，但离地 心的距离可按需要选择不同值心的距离可按需要选择不同值 B B、它可以在地面上任一点的正上方，但离地它可以在地面上任一点的
14、正上方，但离地 心的距离是一定的心的距离是一定的 C C、它只能在赤道的正上方，但离地心的距离它只能在赤道的正上方，但离地心的距离 可按需要选择不同值可按需要选择不同值 D D、它只能在赤道的正上方，且离地心的距离它只能在赤道的正上方，且离地心的距离 是一定的。是一定的。2 2、已知地球的半径为、已知地球的半径为R R、自转角速度为自转角速度为 、 周期为周期为T T、地球的质量为地球的质量为MM、地球表面的重地球表面的重 力加速度为力加速度为g g0 0、万有引力常量为万有引力常量为GG，在赤道在赤道上空一颗相对地球静止的同步卫星离开地面上空一颗相对地球静止的同步卫星离开地面 的高度的高度h
15、 h有几种计算方法？列出全部的表达有几种计算方法？列出全部的表达式。式。3 3、设地球的质量为、设地球的质量为MM，半径为半径为R R，自转角速度为，自转角速度为 ，万有引力常量为，万有引力常量为GG，地球表面重力加速度为地球表面重力加速度为g g，同，同 步卫星的质量为步卫星的质量为mm，离地心的距离为离地心的距离为h h，则同步卫星则同步卫星 的环绕速度的环绕速度v v为（为（ ）。）。hhABCD火箭发射人造卫星进入卫星轨道火箭发射人造卫星进入卫星轨道, ,大致分为三个阶大致分为三个阶段。段。第一阶段：第一阶段：火箭在大气密度最大的一层内飞行，火箭在大气密度最大的一层内飞行，阻力很大。为
16、了尽快摆脱稠密的大气层，通常采用阻力很大。为了尽快摆脱稠密的大气层，通常采用 垂直向上发射，在几分钟内使火箭加速到足够大的垂直向上发射，在几分钟内使火箭加速到足够大的 速度，这是加速阶段。一般靠第一级和第二级火箭速度，这是加速阶段。一般靠第一级和第二级火箭 完成完成 。第二阶段：第二阶段：第二级火箭脱落后，火箭已经飞出了第二级火箭脱落后，火箭已经飞出了稠密的大气层，这时第三级火箭并不立即发动，它稠密的大气层，这时第三级火箭并不立即发动，它 靠第一阶段获得的速度继续升高而作惯性飞行。同靠第一阶段获得的速度继续升高而作惯性飞行。同 时在地面中心控制站的控制下，火箭轨道偏离垂直时在地面中心控制站的控制下，火箭轨道偏离垂直 方向，逐渐转变为水平方向。方向，逐渐转变为水平方向。 加
