宇宙航行优质课PPT课件

导学者导学者郭金华郭金华6.5 宇宙航行宇宙航行中国人的飞天梦中国人的飞天梦嫦娥奔月嫦娥奔月中国人梦圆飞天中国人梦圆飞天一、牛顿关于卫星的设想问问题题情情境境抛出的物体受地球抛出的物体受地球引力总会落回地面引力总会落回地面若抛出物体水平速度很大，则飞行距离很长，此时若抛出物体水平速度很大，则飞行距离很长，此时我们还能将地面看作平面吗？我们还能将地面看作平面吗？当物体的水平初速度足够大当物体的水平初速度足够大,物体将会怎样物体将会怎样?试大胆猜想。试大胆猜想。问题问题1:1:一、牛顿关于卫星的设想从高山上水平抛出物体，速度越大，落地点离山脚越远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗永远绕地球运动的人造卫星。问题问题2 2：以多大的速度将物体抛出，它才会成为以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地绕地球表面运动球表面运动的的近地卫星近地卫星?（离地高度忽略不计离地高度忽略不计）推导方法一：推导方法一：万有引力提供向心力万有引力提供向心力地球质量地球质量M=5.98*1024kg，地球，地球R=6400km，G=6.67x10-11Nm2/kg2，地表地表 g=9.8m/s2推导方法二：推导方法二：重力提高向心力（重力提高向心力（重力近似等于万有引力）重力近似等于万有引力）人们把人们把7.9km/s这个速度称作第一宇宙速度这个速度称作第一宇宙速度。二、宇宙速度RvmRMmG22RGMv skmv/9.7Rvmmg2gRv skmv/9.7它是近地卫星环绕速度，也是近地卫星发射速度。它是近地卫星环绕速度，也是近地卫星发射速度。问问题题情情境境v运行速度运行速度发射v发发射射速速度度概念辨析：发射速度和环绕速度概念辨析：发射速度和环绕速度环绕速度环绕速度：是指卫星进入是指卫星进入轨道轨道后绕地球做后绕地球做匀速圆周运动匀速圆周运动的速度的速度。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离开发射装置时时 的的速度速度。（一旦发射后不再得到能量补充。）。（一旦发射后不再得到能量补充。）二、宇宙速度问题问题3:3:若卫星的发射速度大于若卫星的发射速度大于7.9km/s,会怎样呢？会怎样呢？V=16.7 km/sV=11.2 km/s二、宇宙速度V=7.9km/s第一宇宙速度第一宇宙速度7.9km/s：近地卫星的近地卫星的环绕速度环绕速度近地卫星的近地卫星的发射速度发射速度第二宇宙速度第二宇宙速度11.2km/s：物体脱离地球的物体脱离地球的最小发射速度最小发射速度 第三宇宙速度第三宇宙速度16.7 km/s：物体脱离太阳系的物体脱离太阳系的最小发射速度最小发射速度发射速度越发射速度越大椭圆越扁大椭圆越扁7.9 km/s V 11.2 km/s常称常称“环绕速度环绕速度”常称常称“脱离速度脱离速度”常称常称“逃逸速度逃逸速度”问题情境问题情境卫星卫星轨道越高轨道越高所需所需发射速度越大发射速度越大，第一宇宙速度是人造卫星的第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度最小发射速度，卫星卫星轨道越高轨道越高则其则其环绕速度越小环绕速度越小。第一宇宙速度是人造卫星的第一宇宙速度是人造卫星的最大环绕速度最大环绕速度。问题问题4：比较发射低轨道卫星与高轨道卫星哪一个更困难？比较发射低轨道卫星与高轨道卫星哪一个更困难？所需的发射速度哪一个更大？所需的发射速度哪一个更大？比较卫星在高轨道与低轨道上绕地球做匀速圆周运比较卫星在高轨道与低轨道上绕地球做匀速圆周运行时的环绕速度哪个大？行时的环绕速度哪个大？二、宇宙速度问问题题情情境境高轨道发射速度大于高轨道发射速度大于7.9km/s,环绕速度小于环绕速度小于7.9km/s矛盾吗？矛盾吗？三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律探一探：地球质量探一探：地球质量M，万有引力常量，万有引力常量G均为定值，设均为定值，设卫星轨道半径为卫星轨道半径为r，试分析卫星运行速度，试分析卫星运行速度v、角速度、角速度周期周期T、向心加速度、向心加速度a与轨道半径与轨道半径r的关系的关系?卫星轨道半径卫星轨道半径r越大，则越大，则T越大，而越大，而v、a均越小均越小rGMv nmarTmrmrvmrMmG)4(222223rGMGMrT3242rGMa 问问题题情情境境地GMRT32 84.5min应用一应用一据某报报道，某国发射了一颗周期为据某报报道，某国发射了一颗周期为80分分钟的人造地球卫星，用你学过的知识判断这则新闻钟的人造地球卫星，用你学过的知识判断这则新闻的真伪。的真伪。三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律求近地卫星的周期：地球质量求近地卫星的周期：地球质量M=5.98*1024kg，地球地球R=6400km，G=6.67x10-11Nm2/kg2地表地表 （离地高度忽略不计）（离地高度忽略不计）)4(222TmRMmG四、梦想成真梦想成真人类航天事业发展历程人类航天事业发展历程中国嫦娥绕月卫星发射成功中国嫦娥绕月卫星发射成功人类航天事业发展历程人类航天事业发展历程1957年年10月月4日日 苏联发射人类第一颗人造地球卫星苏联发射人类第一颗人造地球卫星 四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程 1961年，苏联宇航员尤里尤里加加林加加林，完成人类历史上第人类历史上第一次宇宙飞行一次宇宙飞行，人类飞天梦想终于变成现实。四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程1963年，瓦莲蒂娜年，瓦莲蒂娜捷列什科娃，捷列什科娃，人类第一位进入太空的女性。人类第一位进入太空的女性。四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程 1969年7月20日，美国宇航员尼尔尼尔阿姆阿姆斯特朗、迈克尔斯特朗、迈克尔柯林斯、巴兹柯林斯、巴兹奥尔德奥尔德林林(上图从左至右)，成功登月成功登月。左图为月球上的奥尔德林，头盔中人影为阿姆斯特朗。四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程 19841984年，美国宇航员布鲁斯年，美国宇航员布鲁斯麦坎德麦坎德利斯离开航天飞机利斯离开航天飞机320320英尺，完成英尺，完成人类首次人类首次无安全索太空行走。无安全索太空行走。四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程 20012001年，年，第一位太空游客美国人美国人蒂托(中中)，进，进入国际空间站，开始太空观光。入国际空间站，开始太空观光。四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程1970年年4月月24日，日，“东方红一号东方红一号”卫星在酒泉卫星中心发射成功卫星在酒泉卫星中心发射成功四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程杨利伟在太空展示中国和联合国国旗杨利伟在太空展示中国和联合国国旗我国首位航天员我国首位航天员杨利伟杨利伟20032003年年 “神舟神舟”五号五号 中国人中国人“飞天飞天”梦圆梦圆四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程费费俊俊龙龙在在做做身身体体检检查查美味佳肴飘进来美味佳肴飘进来成功返航成功返航奉奉命命出出征征20052005年年 “神舟神舟”六号六号 首次首次“多人多天多人多天”空间飞行空间飞行四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程20082008年年 “神舟神舟”七号七号 首次太空行走首次太空行走翟翟志志刚刚刘刘伯伯明明景景海海鹏鹏四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程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四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程课堂小结课堂小结6.5 宇宙航行宇宙航行一、牛顿的设想：一、牛顿的设想：(科学的思维方法，卫星的发射原理科学的思维方法，卫星的发射原理)二、宇宙速度：二、宇宙速度：第一宇宙速度：第一宇宙速度：7.9km/s（两种推导方法）（两种推导方法）近地卫星运行速度及发射速度。近地卫星运行速度及发射速度。人造卫星最大环绕速度，最小发射速度。人造卫星最大环绕速度，最小发射速度。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/s三、卫星的运行规律：三、卫星的运行规律：(万有引力提供向心力是指导思想万有引力提供向心力是指导思想)nmarTmrmrvmrMmG)4(22222四、梦想成真四、梦想成真人类航天历程人类航天历程课后作业课后作业1.阅读教材后边阅读教材后边“科学漫步科学漫步”和和“STS”的材料。的材料。2.凑自己上网的时候查阅黑洞、同步卫星的相关资料。凑自己上网的时候查阅黑洞、同步卫星的相关资料。3.思考题发射卫星的最佳地点与最佳方向。思考题发射卫星的最佳地点与最佳方向。感谢各位感谢各位 莅临指导！莅临指导！应用二应用二 我国发射的第一颗探月卫星我国发射的第一颗探月卫星“嫦娥一号嫦娥一号”的轨的轨道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约为道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的地球质量的1/80，月球的半径约为地球半径的，月球的半径约为地球半径的1/4，地，地球上的第一宇宙速度约为球上的第一宇宙速度约为7.9km/s，求，求“嫦娥一号嫦娥一号”探探月卫星绕月球表面运行的速度？（即月球的第一宇宙速月卫星绕月球表面运行的速度？（即月球的第一宇宙速度）度）三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律播放：中国嫦娥绕月卫星发射成功播放：中国嫦娥绕月卫星发射成功 仰望星空仰望星空 脚踏实地！脚踏实地！223242GM2()(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应用二：求同步卫星离地面高度应用二：求同步卫星离地面高度 5.6R地 为了卫星之间不互相干扰，大约为了卫星之间不互相干扰，大约3左右才能放置左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星颗，这样地球的同步卫星只能有只能有120颗。可见，空间位置也是一种颗。可见，空间位置也是一种资源。资源。月球月球月月球球轨轨道道地球地球地月转移轨道地月转移轨道点火加速点火加速减速制动减速制动月球探测卫星发射 例例1 1 我国发射的探月卫星我国发射的探月卫星“嫦娥一号嫦娥一号”的轨道半径是圆形的，的轨道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的1/801/80，月球的半，月球的半径约为地球半径的径约为地球半径的1/41/4，地球第一宇宙速度约为，地球第一宇宙速度约为7.9km/s7.9km/s，求，求“嫦嫦娥一号娥一号”探月卫星绕月球运行的速率？探月卫星绕月球运行的速率？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：20032003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人造卫星升空 1、三个宇宙速度三个宇宙速度：v1=7.9km/s（会推导会推导）；v2=11.2 km/s；v3=16.7 km/s2 2、研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法：把天体或人造卫星的运动看作匀速圆周运动，且把天体或人造卫星的运动看作匀速圆周运动，且万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，(v为线速度为线速度、为角速度为角速度、T为周期为周期、n为转速为转速)五、课堂小结课堂小结1999年年5月月10日，我国成功地发射了日，我国成功地发射了“一箭双一箭双星星”，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”科科学实验卫星送入离地面学实验卫星送入离地面870km的轨道，已知地球的轨道，已知地球半径为半径为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例题分析例题分析解题技巧指导概念辨析：概念辨析：发射速度和运行速度发射速度和运行速度r v运行速度运行速度：是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。的速度。发射速度发射速度：是指被发射物在地面附近离开发射装置时是指被发射物在地面附近离开发射装置时 的速度。的速度。v运行速度运行速度发射v发射速度发射速度rGMv 四、课堂练习课堂练习 例题例题:我国发射的第一颗探月卫星我国发射的第一颗探月卫星“嫦娥一号嫦娥一号”的轨道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约的轨道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的为地球质量的1/801/80，月球的半径约为地球半径的，月球的半径约为地球半径的1/41/4，地，地球上的第一宇宙速度约为球上的第一宇宙速度约为7.9km/s7.9km/s，求，求“嫦娥一号嫦娥一号”探月探月卫星绕月球运行的速率？卫星绕月球运行的速率？让学生谈谈该视频第六章第六章 万有引力与航天万有引力与航天导学者导学者郭金华郭金华14世纪末期，万户两手各持一大世纪末期，万户两手各持一大风筝，将自己绑在一把特制的座风筝，将自己绑在一把特制的座椅上，座椅背后装有椅上，座椅背后装有47支当时最支当时最大的火箭。他试图借助火箭的推大的火箭。他试图借助火箭的推力和风筝的气动升力来实现力和风筝的气动升力来实现升空升空的理想。的理想。万户的勇敢尝试虽万户的勇敢尝试虽遭失败并献出了生遭失败并献出了生命，但他勇敢尝试命，但他勇敢尝试的精神却是值得我的精神却是值得我们学习的。们学习的。儒勒儒勒凡尔纳（凡尔纳（Jules Verne）法国著名科幻家法国著名科幻家在其科幻小说在其科幻小说环绕月环绕月球球一书中，甚至写到一书中，甚至写到“用一种大炮把人发射用一种大炮把人发射到月球上去旅行到月球上去旅行”。