万有引力与航天-宇宙航行课件.ppt

1、中国人的飞天梦中国人的飞天梦外国人的外国人的“飞天飞天”梦梦人类航天始祖人类航天始祖-万户万户 人类航天的始祖是我国明朝的万户。在人类航天的始祖是我国明朝的万户。在14世纪的世纪的我国明朝早期，一位名叫我国明朝早期，一位名叫“万户万户”的官员，在一把椅的官员，在一把椅子的背后装上子的背后装上47支火箭。当然，那是当时能买到的最支火箭。当然，那是当时能买到的最大的火箭。他自己坐在椅子上，并用绳子绑紧。两手大的火箭。他自己坐在椅子上，并用绳子绑紧。两手则各拿一个大风筝。然后他要仆人将则各拿一个大风筝。然后他要仆人将47支火箭同时点支火箭同时点燃，想借用火箭的力量把他推向空中。这是美国人罗燃，想借用

2、火箭的力量把他推向空中。这是美国人罗伯特伯特吉姆在吉姆在1945年出版的年出版的火箭与喷射火箭与喷射一书中的叙一书中的叙述。英国、德国和前苏联的一些火箭专家，在他们的述。英国、德国和前苏联的一些火箭专家，在他们的著作中也提到或引用了这件事。可见，万户是世界上著作中也提到或引用了这件事。可见，万户是世界上公认的公认的“第一个尝试利用火箭进行飞行的人第一个尝试利用火箭进行飞行的人”。为表。为表彰他的功绩，国际天文联合会将月球上的一座环形山彰他的功绩，国际天文联合会将月球上的一座环形山命名为命名为“万户万户”。第六章第六章 万有引力与航天万有引力与航天5、宇宙航行、宇宙航行 学习目标：学习目标：知识

3、与技能：知识与技能：1、了解人造卫星的最初构想。、了解人造卫星的最初构想。2、会解决涉及人造卫星运动的较简单的问题。、会解决涉及人造卫星运动的较简单的问题。3、知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度。、知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度。4、感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。、感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。过程与方法：过程与方法：学习科学的思维方法，培养分析推理能力和合学习科学的思维方法，培养分析推理能力和合理表达的能力。理表达的能力。情感态度与价值观：情感态度与价值观：激发学习科学，热爱科学的激情，增强激发学习科学，热爱科学的激情，增强民族自信心和自豪

4、感。民族自信心和自豪感。 从远古时代起人们就想象着飞向从远古时代起人们就想象着飞向太空，奔向月球，那么怎样才能实现太空，奔向月球，那么怎样才能实现这一梦想呢这一梦想呢? ? 本节课我们利用本节课我们利用万有引力定律万有引力定律和和圆周运动圆周运动的知识的知识对对宇宙航行宇宙航行作一个初作一个初步的了解与研究。步的了解与研究。300多年多年前，牛顿前，牛顿提出设想提出设想: 从高山上用不从高山上用不同的水平速度抛出同的水平速度抛出物体物体, ,速度越大速度越大, ,落落点离山脚越远点离山脚越远. .一、人造卫星的发射原理一、人造卫星的发射原理地球 如果没有空气阻力如果没有空气阻力, ,当速度当速

5、度足够大时足够大时, ,物体就永远不会落到物体就永远不会落到地面上地面上, ,它将成为一颗绕地球运它将成为一颗绕地球运动的动的人造地球卫星人造地球卫星.牛顿的设想过程牛顿的设想过程问题一：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不问题一：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？会落下来？(已知已知=6.6710-11Nm2/kg2 , 地球质量地球质量M=5.891024kg, 地球半径地球半径R=6400km) 法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力RmvRGMm22skmsmvRGM/9 .7/62411104 .610

6、89.51067.6（若已知地球表面（若已知地球表面 g=9.8m/s2 ）法二：在地面附近，重力提供法二：在地面附近，重力提供 物体作圆周运动的向心力物体作圆周运动的向心力Rvmmg2skmsmgRv/9.7/104.68.96112466.67 105.89 1016.37 10/7.9/GMRvm skm s是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周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运动所必须具有的最低发射速度最低发射速度，叫做，叫做第一宇第一宇宙速度宙速度。近地卫星的速度近地卫星的速度112466.67105.891016.3710/7.9 /G MRvmskms

7、第一宇宙速度第一宇宙速度将人造地球卫星送入预定的轨道运行所必须具有将人造地球卫星送入预定的轨道运行所必须具有的速度，叫发射速度的速度，叫发射速度 轨道越高，绕地球运行的环绕速度越小轨道越高，绕地球运行的环绕速度越小 第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动所具有第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动所具有的最大速度，也是发射人造地球卫星的最小速度的最大速度，也是发射人造地球卫星的最小速度v1=7.9 km/s1、第一宇宙速度、第一宇宙速度(环绕速度环绕速度)二、宇宙速度（发射速度）二、宇宙速度（发射速度）指卫星在稳定的轨道上绕地球转指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度动的线速度

8、V运行V发射指被发射物体离开地面时的水平初指被发射物体离开地面时的水平初速度速度运行速度：运行速度：发射速度：发射速度：虽然虽然“R大，大，V小小”，但这里，但这里V指指绕行速度绕行速度，而非，而非发射速度发射速度。因为向轨道发射卫星，火箭因为向轨道发射卫星，火箭要克服地球引力对它做的功。要克服地球引力对它做的功。轨道越高，要克服引力轨道越高，要克服引力做功也多，发射速度越大。做功也多，发射速度越大。小大VrrGMV 讨论讨论:向高轨道发射卫星容易还是向低轨道发射卫星容易？向高轨道发射卫星容易还是向低轨道发射卫星容易？ 、第二宇宙速度、第二宇宙速度（脱离速度）（脱离速度）v这是卫星挣脱地球的引

9、力束缚，成为绕太阳运行的人造行星这是卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度的最小发射速度v如果人造天体的速度大于如果人造天体的速度大于11.2km/s而小于而小于16.7km/s，则它的运，则它的运行轨道相对于太阳将是椭圆，太阳就成为该椭圆轨道的一个行轨道相对于太阳将是椭圆，太阳就成为该椭圆轨道的一个焦点焦点v2=11.2 km/s3 3、第三宇宙速度（逃逸速度）、第三宇宙速度（逃逸速度） v这是卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度这是卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度v如果人造天体具有这样的速度，就可以摆脱地球和太阳如果人造天体具有这样的速度，就可以摆脱地球和太阳引力的

10、束缚而引力的束缚而了了v3=16.7 km/s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为圆心的圆（或椭圆）轨道上心的圆（或椭圆）轨道上立体立体赤道平面赤道平面三、人造地球卫星三、人造地球卫星2. 轨道中心轨道中心 地心地心1. _ 提供向心力提供向心力万有引力万有引力赤道赤道轨道轨道极地极地轨道轨道其它其它轨道轨道 已知：地球质量已知：地球质量M，半径，半径R，卫星距地面高度，卫星距地面高度h，引，引力常量力常量G .请你利用已学的知识，请你利用已学的知识， 探究卫星绕地球的运探究卫星绕地球的运行速度行速度v 、周期、周期T与高度与高度h的关系的

11、关系.1 、巡航、巡航卫星的环绕运动卫星的环绕运动v轨道平面必过球心轨道平面必过球心v环绕运动的线速度、角速度、周期只与轨道半径有关环绕运动的线速度、角速度、周期只与轨道半径有关1234rTmrmrvmrMmG222224（1）v，T 只与只与r有关有关v、T 与与 r 为一一对应关为一一对应关系系rGMv 3rGMGMrT32 线速度线速度v1v2=v3v4 角速度角速度12=34T1T2=T3T4 周期周期rGMv 3rGMGMrT32rGMv 3rGM思考：对于绕地球运动的人造卫星：思考：对于绕地球运动的人造卫星：（1 1）离地面越高，向心力越）离地面越高，向心力越 （2 2）离地面越高

12、，线速度越）离地面越高，线速度越（3 3）离地面越高，角速度越）离地面越高，角速度越（4 4）离地面越高，周期越）离地面越高，周期越（5 5）离地面越高，向心加速度越）离地面越高，向心加速度越小小大大小小小小小小2MmGmar n n2nMaGr 21nar 22MmvGmrr GMvr 1vr 22MmGmrr 3GMr 222()MmGmrTr 32rTGM 3Tr 31r “高轨低速长周期高轨低速长周期”平面平面2、近、近地卫星的周期地卫星的周期631124(6.3710 ) 23.146.67105.8910 s地GMrT323 5.07 1084.5mins我们能否发射一颗周我们能否

13、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. 周期周期 T = _24h2. 轨道平面轨道平面_赤道平面赤道平面4. r4. r、v v、T T、h h _ 3. h =_36000km“全部固定全部固定”（如何求？）（如何求？） 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫做地球的同步卫星，又叫通讯卫星思考：同步卫星的哪些思考：同步卫星的哪些物理量是不变的呢？物理量是不变的呢？同步卫星又叫静止轨道卫星，通常用作通讯卫星同步卫星又叫静止轨道卫星，通常用作通讯卫星结论： 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圆周运动。同步卫星

14、的特点：六个同步卫星的特点：六个“一定一定” 已知地球的半径是已知地球的半径是6400km6400km，地球自转的周期，地球自转的周期24h24h，地球，地球的质量的质量5.895.8910102424kgkg，引力常量，引力常量=6.67=6.671010-11-11N Nm m2 2/kg/kg2 2 ，若要发射一颗地球同步卫星，试求：若要发射一颗地球同步卫星，试求： （1 1）地球同步卫星的离地面高度）地球同步卫星的离地面高度h h （2 2）地球同步卫星的环绕速度）地球同步卫星的环绕速度v v练习练习 求同步卫星离地面高度及环绕速度求同步卫星离地面高度及环绕速度v223242GM2()

15、 (R)(R)R3.6 104 hmmhhTGM Thkm卫地卫地地地地设卫星离地面高度为由解得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地球同步卫星能否位于厦门正上方某一确定高度地球同步卫星能否位于厦门正上方某一确定高度h h ？ 5.6R地 不可能定点在我国某地上空，要不可能定点在我国某地上空，要与地球同步，卫星的轨道平面必须与赤道与地球同步，卫星的轨道平面必须与赤道平面平行，又由于向心力是万有引力提供的，卫星轨道的圆心必须是地心平面平行，又由于向心力是万有引力提供的，卫星轨道的圆心必须是地心。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

16、、a向向赤道轨道赤道轨道极地轨道极地轨道倾斜倾斜轨道轨道同步同步轨道轨道自转轴自转轴人造卫星的轨道人造卫星的轨道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如何发射同步卫星？如何发射同步卫星？h=3.6107mr=4.2107mv=3km/sT=24hh=3.8108mr3.8108mv=1km/sT=27天天h0r=6.4106mv=7.9km/sT=84分钟分钟同步卫星同步卫星近地卫星近地卫星月球月球近地卫星、同步卫星、月球三者比较近地卫星、同步卫星、月球三者比较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,轨道半径之比轨道半径之比R1 R2=3 1，

17、下列有关数据之，下列有关数据之比正确的是比正确的是( )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练习练习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BCD五、五、梦想成真梦想成真 1957 1957年年1010月，原苏联发射月，原苏联发射第一颗人造

18、地球卫星第一颗人造地球卫星 卫星重卫星重83.6kg83.6kg，每，每96min96min绕地球飞行一圈绕地球飞行一圈世界航天世界航天 几年之后，几年之后，19611961年年4 4月月1212日日苏联空军少校加加林进入了东方苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。实现了人类第一一号载人飞船。实现了人类第一次进入太空。他的非凡勇气，鼓次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。舞了更多人为航天事业奋斗。 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，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

19、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，确是人类迈出的一大步。出了一小步，确是人类迈出的一大步。世界航天世界航天 2003 2003年年2 2月月1 1日，日，哥伦比亚号航天飞机哥伦比亚号航天飞机在重返地面的过程中在重返地面的过程中突然发生解体燃烧，突然发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航天飞机上的七名宇航员，包括六名美国航员，包括六名美国人及一名以色列人全人及一名以色列人全部遇难。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的道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。路。19701970年年4 4月月2424日我国日我国第一颗人造卫星升空第一颗

20、人造卫星升空 20072007年年1010月月2424日嫦娥日嫦娥一号月球探测器发射一号月球探测器发射成功成功中国航天中国航天19921992年载人航天工程正式启动年载人航天工程正式启动20032003年年1010月月1515日日9 9时，神州时，神州5 5号宇宙号宇宙飞船在酒泉卫星中心成功发射，将飞船在酒泉卫星中心成功发射，将第一位航天员杨利伟送入太空绕行第一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分降落在内蒙分降落在内蒙古主着陆场古主着陆场中国成为世界上第三个独立开展载中国成为世界上第三个独立开展载人航天活动的国家人航天活动的国家20032003

21、年年1010月月1515日日神舟五号神舟五号杨利伟杨利伟20052005年年1010月月1212日日神舟六号神舟六号费俊龙聂海胜费俊龙聂海胜20082008年年9 9月月2525日日神舟七号神舟七号翟志刚刘伯明翟志刚刘伯明景海鹏景海鹏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 尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的对于宇宙之久长，人类历

22、史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕刻痕 宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔。宇宙有没有宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？ 爱因斯坦曾经说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”。你想加入破解它的行列吗？你想加入破解它的行列吗？小结一、人造卫星的发射原理一、人造卫星的发射原理二、宇宙速度二、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，卫星刚好能在地表附，卫星刚好能在地表附近作圆周动近作圆周动（近地卫星的环绕速度；近地卫星的环绕速度；卫星的最小发射速度；卫

23、星的最小发射速度；圆轨道的最圆轨道的最大环绕速度大环绕速度）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,卫星挣脱地球引力束卫星挣脱地球引力束缚缚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,卫星挣脱太阳引力束卫星挣脱太阳引力束缚缚三、人造地球卫星运行规律三、人造地球卫星运行规律rTmrmrvmrMmG222224GMrT32rGMv 3rGM四、同步卫星四、同步卫星 定点在赤道上空，周期定点在赤道上空，周期T T、高、高度度h h、线速度、线速度v v一定。一定。T=24h T=24h h=3.6h=3.6107m v=3.1km/sm v=3.1km/s五、梦想成真五、梦想成真 1、世界航天、世界航天 2、中国航天、中国航天作业作业1、P44 1、32、2、查阅资料，说说人类探索查阅资料，说说人类探索宇宙奥秘的进程，你有何想？宇宙奥秘的进程，你有何想？