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1、人人类类已已经经将将脚脚步步踏踏向向广广阔阔的的宇宇宙宙人类对未知太空的探索永不止歇人类对未知太空的探索永不止歇中国的航天事业飞速发展圆了飞天之梦中国的航天事业飞速发展圆了飞天之梦知识回顾知识回顾 上上节节课课我我们们学学习习了了用用万万有有引引力力定定律律计计算天体的质量，请同学们回忆其推导过程。算天体的质量，请同学们回忆其推导过程。其其中中M是是中中心心天天体体的的质质量量，m是是环环绕绕天天体体的的质质量量，r是是中中心心天天体体与与环环绕绕天天体体之之间间的的距距离离，是环绕天体公转的角速度，是环绕天体公转的角速度，T是公转周期。是公转周期。导入新课导入新课 在在高高山山上上用用不不同
2、同的的水水平平初初速速度度抛抛出出一一个个物物体体，不不计计空空气气阻阻力力，它它们们的的落落地地点点相相同吗？同吗？它它们们的的落落地地点点不不同同，速速度度越越大大，落落地地点点离离山山脚脚越越远远。因因为为在在同同一一座座高高山山上上抛抛出出，它它们们在在空空中中运运动动的的时时间间相相同同，速速度度大大的的水水平平位位移移大大，所以落地点也较远。所以落地点也较远。假设被抛出物体的速度足够大，物体的运假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？动情形又如何呢？第五节第五节 宇宙航行宇宙航行内容解析内容解析一一 . . 牛顿的设想牛顿的设想设想在高山上有一门大炮，水平发射炮弹，设想
3、在高山上有一门大炮，水平发射炮弹，初速度越大，水平射程就越大，可以想象当初速初速度越大，水平射程就越大，可以想象当初速度足够大时，这颗炮弹将不会落到地面，将和月度足够大时，这颗炮弹将不会落到地面，将和月球一样成为地球的一颗卫星。球一样成为地球的一颗卫星。人造卫星在绕地球运行时，只受到地球对它人造卫星在绕地球运行时，只受到地球对它的万有引力作用，的万有引力作用，人造卫星作圆周运动的向心力人造卫星作圆周运动的向心力由万有引力提供。由万有引力提供。设地球的质量为设地球的质量为M，卫星的质量为，卫星的质量为m，r是轨是轨道半径，由于万有引力提供向心力，则道半径，由于万有引力提供向心力，则人造地球卫星的
4、运行速度人造地球卫星的运行速度可见，高轨道上运行的卫星线速度小。可见，高轨道上运行的卫星线速度小。角速度与周期和轨道半径的关系如何呢？角速度与周期和轨道半径的关系如何呢？可见，高轨道上运行的卫星角速度小，周期可见，高轨道上运行的卫星角速度小，周期长。长。二二 . . 宇宙速度宇宙速度高轨道上运行的卫星速度小，是否发射也高轨道上运行的卫星速度小，是否发射也容易呢？容易呢？这就需要看卫星的发射速度，而不是运行这就需要看卫星的发射速度，而不是运行速度。速度。那么发射速度应该达到多少才能使卫星绕那么发射速度应该达到多少才能使卫星绕地球做圆周运动而不会落回地面呢？地球做圆周运动而不会落回地面呢？牛顿实验
5、中，炮弹至少要以多大的速度发牛顿实验中，炮弹至少要以多大的速度发射，才能在地面附近绕地球做匀速圆周运动？射，才能在地面附近绕地球做匀速圆周运动？分析：在地面附近绕地球运行，轨道半径分析：在地面附近绕地球运行，轨道半径即为地球半径。由万有引力提供向心力即为地球半径。由万有引力提供向心力得：得： 第一宇宙速度第一宇宙速度这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做运动的速度，叫做第一宇宙速度第一宇宙速度。结结论论：如如果果发发射射速速度度小小于于7.9km/s，炮炮弹弹将将落落到到地地面面，而而不不能能成成为为一一颗颗卫卫星星；发发射射速速度度等等于于7
6、.9km/s，它它将将在在地地面面附附近近作作匀匀速速圆圆周周运运动动；要要发发射射一一颗颗轨轨道道半半径径大大于于地地球球半半径径的的人人造造卫卫星星，发发射射速速度度必必须须大大于于7.9km/s。可可见见，向向高高轨轨道道发发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。射卫星比向低轨道发射卫星要困难。第一宇宙速度的第一宇宙速度的意义意义：第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，所以也称为环周运动所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。绕速度。大小：大小：第二宇宙速度的第二宇宙速度的意义意义：使卫星挣脱地球的：使卫星挣脱地
7、球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度。速度。注意注意：发射速度大于：发射速度大于7.9km/s，而小于，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆；等，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆；等于或大于于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。力，不再绕地球运行。第二宇宙速度第二宇宙速度大小：大小：第三宇宙速度的第三宇宙速度的意义意义：使卫星挣脱太阳引：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。力束缚的最小发射速度。注意注意：发射速度大于：发射速度大于11.2km/s，而小于，而小于16.7km/s，
8、卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗，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，飞到太阳系以外卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。的空间。第三宇宙速度第三宇宙速度区分概念区分概念人造卫星的人造卫星的发射速度发射速度： 指卫星在地面附近离开发射装置的初速指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，要发射一颗度，一旦发射后再无能量补充，要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。速度。人造卫星的人造卫星的运行速度运行速度： 指卫星在进入
9、运行轨道后绕地球做圆周指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。当卫星运动的线速度。当卫星“贴着贴着”地面飞行时，地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。宙速度。所所谓谓同同步步卫卫星星，是是相相对对于于地地面面静静止止的的，和和地地球球具具有有相相同同周周期期的的卫卫星星，T=24h，同同步步卫卫星星必必须须位位于于赤赤道道上上方方距距地地面面高高h处处，并并且且h是是一一定的。同步卫星也叫通讯卫星。定的。同步卫星也叫通讯卫星。由由 得：得： T为地球自转
10、周期，为地球自转周期，M、R分别为地球的分别为地球的质量、半径。代入数值得质量、半径。代入数值得同步卫星同步卫星2RGMTh-=324p三三 . .梦想成真梦想成真探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。是人类自古以来的梦想。19世纪中叶的俄世纪中叶的俄罗斯学者齐奥尔科夫罗斯学者齐奥尔科夫斯基指出，利用喷气斯基指出，利用喷气推进的多级火箭，是推进的多级火箭，是实现太空飞行最有效实现太空飞行最有效的工具。的工具。1957年年10月月4日，世界上第一颗人造地球日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星在苏联发射成功。1961年年4月月
11、12日，苏联空军少校加加林进日，苏联空军少校加加林进入东方一号宇宙飞船绕地球飞行一圈。入东方一号宇宙飞船绕地球飞行一圈。1969年年7月月20日，阿姆斯特朗踏上了月球，日，阿姆斯特朗踏上了月球，在另一个星球上留下了人类的足迹。在另一个星球上留下了人类的足迹。2003年年10月月15日，我国第一位航天员杨利日，我国第一位航天员杨利伟乘神舟五号进入太空。伟乘神舟五号进入太空。2007年年10月月24日，我国首颗绕月探测卫星日，我国首颗绕月探测卫星“嫦娥一号嫦娥一号”发射成功。发射成功。人人类类的的航航天天事事业业获获得得了了瞩瞩目目的的成成就就，但但其其中中也也付付出出了了无无数数的的汗汗水水和和
12、牺牺牲牲。2003年年2月月1日日美美国国哥哥伦伦比比亚亚号号航航天天飞飞机机返返舱舱时时在在大大气气层层中中解解体，体，7名航天员全部遇难。名航天员全部遇难。地球和月亮只是茫茫宇宙中的两粒尘埃，地球和月亮只是茫茫宇宙中的两粒尘埃，还有更为广阔的未知世界需要我们去探索。还有更为广阔的未知世界需要我们去探索。课堂小结课堂小结1 .1 .牛顿的设想牛顿的设想 从高山上水平抛出的物体如果速度足从高山上水平抛出的物体如果速度足够大，他将绕地球运动，成为人造地球卫够大，他将绕地球运动，成为人造地球卫星。星。2 .2 .宇宙速度宇宙速度 第一宇宙速度第一宇宙速度人造卫星在地面附人造卫星在地面附近环绕地球作
13、匀速圆周运动所必须具有的近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度速度第二宇宙速度第二宇宙速度使卫星挣脱地球的使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度发射速度第三宇宙速度第三宇宙速度使卫星挣脱太阳引使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度力束缚的最小发射速度3. 3.梦想成真梦想成真 飞天的梦想已然成真，人类已经迈向了飞天的梦想已然成真，人类已经迈向了太空，进入更为深远的探索。太空，进入更为深远的探索。高考链接高考链接 1. 1.（0707山东山东)2007)2007年年4 4月月2424日，欧洲科日，欧洲科学家宣布在太阳系之外发现了一颗可能适
14、合学家宣布在太阳系之外发现了一颗可能适合人类居住的类地行星人类居住的类地行星Gliese581c.Gliese581c.这颗围绕红这颗围绕红矮星矮星Gliese581cGliese581c运行的星球有类似地球的温运行的星球有类似地球的温度，表面可能有液体水存在，距离地球约为度，表面可能有液体水存在，距离地球约为2020光年，直径约为地球的光年，直径约为地球的1.51.5倍，质量约为倍，质量约为地球的地球的5 5倍，绕红矮星倍，绕红矮星Gliese581cGliese581c运行的周期运行的周期约为约为1313天。假设有一艘宇宙飞船飞临该星球天。假设有一艘宇宙飞船飞临该星球表面附近轨道，下列说法
15、正确的是（表面附近轨道，下列说法正确的是（ ）A. 飞船在飞船在Gliese581c表面附近运行的周期约表面附近运行的周期约为为13天天 B. 飞船在飞船在Gliese581c表面附近运行时的速度表面附近运行时的速度大于大于7.9km/s C. 人在人在Gliese581c上所受重力比在地球上所上所受重力比在地球上所受重力大受重力大 D. Gliese581c的平均密度比地球平均密度小的平均密度比地球平均密度小BCBC（ ） 2.（07上海）宇航员在地球表面以一上海）宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一小球，经过时间定初速度竖直上抛一小球，经过时间t小小球落回原处；若他在某星球表面以相同球落
16、回原处；若他在某星球表面以相同的初速度竖直上抛同一小球，需要经过的初速度竖直上抛同一小球，需要经过时间时间5t小球落回原处。（取地球表面重小球落回原处。（取地球表面重力加速度力加速度g=10m/s2,空气阻力不计）空气阻力不计）(1)求该星球表面附近的重力加速度求该星球表面附近的重力加速度g (2)已知该星球的半径与地球半径之比为已知该星球的半径与地球半径之比为R星星:R地地=1:4,求该星球的质量与地球质量之比求该星球的质量与地球质量之比M星星:M地地解：解：（1）设竖直上抛小球初速度为）设竖直上抛小球初速度为v0，则，则所以，所以，（2）设小球的质量为）设小球的质量为m，则，则课堂练习课堂
17、练习 1 . 1 .关于地球的第一宇宙速度，下列说法关于地球的第一宇宙速度，下列说法 中正确的是（中正确的是（ ） 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地球卫星的运行速度它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度 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 BCBC分析分析 注意理解运行速度和发射速度。注意理解运行速度和发射速度。 2. 2. 人造地球卫星中的物体处于失重人造地球卫星中的物体处于失重状态，是指物体（状态
18、，是指物体（ ） A. A.不受地球引力的作用不受地球引力的作用 B. B.受到的合力为零受到的合力为零 C. C.对支持它的物体没有压力对支持它的物体没有压力 D. D.地球的吸引力和向心力平衡地球的吸引力和向心力平衡C C分析分析 注意理解超重、失重及完全失重的概念。注意理解超重、失重及完全失重的概念。 3. 3. 假假设设地地球球的的质质量量不不变变，半半径径增增大大到到原原来来的的2 2倍倍，那那么么从从地地球球发发射射人人造造卫卫星星的的第第一一宇宇宙宙速速度度的的大大小小应应为为原原来来的的（ ） A. B.1/ A. B.1/ C.1/2 C.1/2倍倍 D. 2 D. 2倍倍B
19、分析分析 根据第一宇宙速度和地球半径的关系可根据第一宇宙速度和地球半径的关系可以得出正确答案。以得出正确答案。 4. 4. 卫星绕地球作匀速圆周运动，试估算卫星绕地球作匀速圆周运动，试估算最小周期为多少？最小周期为多少？分析分析 卫星的运行轨道半径越小，周期越小。所以卫星的运行轨道半径越小，周期越小。所以卫星在近地轨道运行时周期为最小周期。卫星在近地轨道运行时周期为最小周期。解：解：在地面附近有在地面附近有由万有引力提供向心力得由万有引力提供向心力得两式联立得两式联立得说明说明 在某些天体运动的题目中，似乎已知量在某些天体运动的题目中，似乎已知量不够，但巧妙地利用不够，但巧妙地利用 可以代换可
20、以代换一些未知量。一些未知量。 1. 解：解：“神舟五号神舟五号”绕地球运动的向心力绕地球运动的向心力由其受到的地球万有引力提供。由其受到的地球万有引力提供。 其中周期其中周期 则则问题与练习问题与练习24.91.-324pGMTr =mmr63222411107 . 6)6064(10061067. 6=p491其距离地面的高度为其距离地面的高度为根据离地面高度的准确值验证其周期的准确值根据离地面高度的准确值验证其周期的准确值已知：已知：“神舟五号神舟五号”绕地球运行时离地面的高度为绕地球运行时离地面的高度为343km，则根据，则根据 在地面附近有在地面附近有 ： T根据以上三式得根据以上三
21、式得: 2. 2.解：环绕地球表面匀速圆周运动的人造卫解：环绕地球表面匀速圆周运动的人造卫星需要的向心力，由地球对卫星的万有引力提供，星需要的向心力，由地球对卫星的万有引力提供，即：即： 得得 （1 1）在地面附近有：在地面附近有： 可得可得将其代入（将其代入（1 1）式有）式有 3. 解：设金星质量为解：设金星质量为 、半径为、半径为 、金、金星表面自由落体加速度为星表面自由落体加速度为 。 在金星表面在金星表面 （1） 设地球质量为设地球质量为 、半径为、半径为 、地球表面自、地球表面自由落体加速度为由落体加速度为 。 在地球表面有在地球表面有 （2 2） （1）式除以（）式除以（2）式，
22、得）式，得即即开展月球探测工作是我国迈出航天深空探测开展月球探测工作是我国迈出航天深空探测第一步的重大举措。实现月球探测将是我国航天第一步的重大举措。实现月球探测将是我国航天深空探测零的突破。深空探测零的突破。我国航天科技工作者早在我国航天科技工作者早在1994年就进行了探年就进行了探月活动必要性和可行性研究，月活动必要性和可行性研究，1996年完成了探月年完成了探月卫星的技术方案研究，卫星的技术方案研究，1998年完成了卫星关键技年完成了卫星关键技术研究，以后又开展了深化论证工作。术研究，以后又开展了深化论证工作。经过经过10年的酝酿，最终确定我国整个探月工年的酝酿，最终确定我国整个探月工程
23、分为程分为“绕绕”、“落落”、“回回”3个阶段。个阶段。课外阅读课外阅读中国航天的发展中国航天的发展第一步为第一步为“绕绕”，即发射我国第一颗月球探，即发射我国第一颗月球探测卫星，突破至地外天体的飞行技术，实现月球测卫星，突破至地外天体的飞行技术，实现月球探测卫星绕月飞行，通过遥感探测，获取月球表探测卫星绕月飞行，通过遥感探测，获取月球表面三维影像，探测月球表面有用元素含量和物质面三维影像，探测月球表面有用元素含量和物质类型，探测月壤特性，并在月球探测卫星奔月飞类型，探测月壤特性，并在月球探测卫星奔月飞行过程中探测地月空间环境。第一颗月球探测卫行过程中探测地月空间环境。第一颗月球探测卫星星“嫦
24、娥一号嫦娥一号”已于已于2007年年10月月24日发射。日发射。第第二二步步为为“落落”，时时间间定定为为2007年年至至2010年年。即即发发射射月月球球软软着着陆陆器器，突突破破地地外外天天体体的的着着陆陆技技术术，并并携携带带月月球球巡巡视视勘勘察察器器，进进行行月月球球软软着着陆陆和和自自动动巡巡视视勘勘测测，探探测测着着陆陆区区的的地地形形地地貌貌、地地质质构构造造、岩岩石石的的化化学学与与矿矿物物成成分分和和月月表表的的环环境境，进进行行月月岩岩的的现现场场探探测测和和采采样样分分析析，进进行行日日-地地-月月空空间间环环境境监监测测与与月月基基天天文文观观测测。具具体体方方案案是
25、是用用安安全全降降落落在在月月面面上上的的巡巡视视车车、自自动动机机器器人人探探测测着着陆陆区区岩岩石石与与矿矿物物成成分分，测测定定着着陆陆点点的的热热流流和和周周围围环环境境，进进行行高高分分辨辨率率摄摄影影和和月月岩岩的的现现场场探探测测或或采采样样分分析析，为为以以后后建建立立月月球球基基地地的的选选址址提提供供月月面面的的化化学学与与物物理理参参数。数。第第三三步步为为“回回”，时时间间定定在在2011至至2020年年。即即发发射射月月球球软软着着陆陆器器，突突破破自自地地外外天天体体返返回回地地球球的的技技术术，进进行行月月球球样样品品自自动动取取样样并并返返回回地地球球，在在地地
26、球球上上对对取取样样进进行行分分析析研研究究，深深化化对对地地月月系系统统的的起起源源和和演演化化的的认认识识。目目标标是是月月面巡视勘察与采样返回。面巡视勘察与采样返回。我我国国绕绕月月探探测测工工程程将将完完成成以以下下四四大大科科学学目目标：标：1、获获取取月月球球表表面面三三维维影影像像。划划分分月月球球表表面面的的基基本本地地貌貌构构造造单单元元，初初步步编编制制月月球球地地质质与与构构造造纲纲要要图图，为为后后续续优优选选软软着着陆陆提提供供参参考考依据。依据。2、分析月球表面有用元素含量和物质类型、分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点。对月球表面有用元素进行探测，初的分布
27、特点。对月球表面有用元素进行探测，初步编制各元素的月面分布图。步编制各元素的月面分布图。3、探测月壤特性。探测并评估月球表面月、探测月壤特性。探测并评估月球表面月壤层的厚度、月壤中氦壤层的厚度、月壤中氦-3的资源量。的资源量。4、探测地月空间环境。记录原始太阳风数、探测地月空间环境。记录原始太阳风数据，研究太阳活动对地月空间环境的影响。据，研究太阳活动对地月空间环境的影响。首颗探月卫星首颗探月卫星嫦娥一号嫦娥一号北京时间北京时间2007年年10月月24日日18时时05分（分（UTC8时）左右，嫦娥一号探测器从西昌卫星发射中时）左右，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。
28、卫星发射后，心由长征三号甲运载火箭成功发射。卫星发射后，将用将用8天至天至9天时间完成调相轨道段、地月转移轨天时间完成调相轨道段、地月转移轨道段和环月轨道段飞行。经过道段和环月轨道段飞行。经过8次变轨后，次变轨后，于于11月月7日正式进入工作轨道。日正式进入工作轨道。11月月18日卫星转为对月定向姿日卫星转为对月定向姿态，态，11月月20日开始传回探测数日开始传回探测数据。据。2007年年11月月26日，中国国日，中国国家航天局正式公布嫦娥一号卫家航天局正式公布嫦娥一号卫星传回的第一幅月面图像。星传回的第一幅月面图像。 2007年年12月月12日上午日上午10时，庆祝我国首次月时，庆祝我国首次月球探测工程圆满成功大会在北京人民大会堂举行。球探测工程圆满成功大会在北京人民大会堂举行。2009年年3月月1日日16时时13分，嫦娥一号卫星在控制下分，嫦娥一号卫星在控制下成功撞击月球。为我国月球探测的一期工程成功撞击月球。为我国月球探测的一期工程,划上划上了圆满句号。了圆满句号。
