6.5宇宙航行课件(新人教版必修2)上新课用

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1、南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰第5节 宇宙航行南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰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”梦梦南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰飞天之梦的历史飞天之梦的历史南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰问题问题: :一、牛顿关于卫星的设想 地面上抛出的物体,由于受到地球引力的作用,最终都要落回到地面。 1. 1.月球也要受到地球引力的作用月球也要受到地球引力的作用, ,为什么月亮为什么月亮不会落到地面上来不会落到地面上来? ?问问题题情情境境 由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转由于月球在绕地

2、球沿近似圆周的轨道运转, ,此时月球受此时月球受到的地球引力到的地球引力( (即重力即重力),),用来充当绕地球运转的向心力用来充当绕地球运转的向心力, ,故故月球不会落到地面上来月球不会落到地面上来. .南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰一、牛顿关于卫星的设想 物体做平抛运动时,水平速度越大，飞行的水平距离越远。 2. 2.若抛出物体的水平初速度足够大若抛出物体的水平初速度足够大, ,物体将会物体将会怎样怎样? ?试大胆猜想。试大胆猜想。 由于地球是一个圆球由于地球是一个圆球, ,当平抛的水平初速度足够大时当平抛的水平初速度足够大时, ,物体飞行的距离也很大物体飞行的距离也很

3、大, , 故物体不能再故物体不能再 落回地面落回地面, ,而成为而成为一颗绕地球运转的卫星一颗绕地球运转的卫星. .ABCOV0D问题问题: :问问题题情情境境南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰 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。牛顿人造卫星原理牛顿人造卫星原理图图一、牛顿关于卫星的设想南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰 思考？思考？ 1. 1. 以多大的速度以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运将物体抛出，它才会成为绕地球表

4、面运动的卫星动的卫星? 推导方法一：推导方法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力万有引力提供物体作圆周运动的向心力RGMvRvmRGMm,22,22RvmmgRGMm,2GMgRg=9.8m/s2，R=6400km，代入数据得：代入数据得：skmv/9 . 7推导方法二：推导方法二：地表附近，地表附近，重力近似等于万有引力重力近似等于万有引力gRv 人们把人们把7.9km/s这个速度称作这个速度称作第一宇宙速度第一宇宙速度,又叫环绕速度。又叫环绕速度。 如果发射速度如小于第一宇宙速度如果发射速度如小于第一宇宙速度,卫星将卫星将落到地面落到地面; 如果发射速度等于第一宇宙速度，卫星刚好能贴着地

5、球表面作如果发射速度等于第一宇宙速度，卫星刚好能贴着地球表面作匀速圆周运动。匀速圆周运动。 所以，第一宇宙速度是发射地球卫星的最小发射速度。所以，第一宇宙速度是发射地球卫星的最小发射速度。二、宇宙速度南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰问题问题: : 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？第二宇宙速度第二宇宙速度: :物体克服地球引力物体克服地球引力, ,永远脱离地球的速度永远脱离地球的速度. . （脱离速度）（脱离速度）第三宇宙速度第三宇宙速度: :物体挣脱太阳引力物体挣脱太阳引力, ,飞出太阳系的速度飞出太阳系的速度. . ( (逃逸

6、速度逃逸速度) )11.2 km/s V 7.9 km/sV = 16.7 km/sV = 11.2 km/sV = 7.9km/s绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭圆，发射速度越大，椭圆轨道越圆，发射速度越大，椭圆轨道越“扁扁”。 第一宇宙速度第一宇宙速度: :物体在地表附近绕地球做匀速圆周运动的速度物体在地表附近绕地球做匀速圆周运动的速度. （环绕速度）（环绕速度）二、宇宙速度南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰1 1、当发射速度为、当发射速度为7.9km/s,7.9km/s, 物体恰好环绕地球表面做圆周运动；物体恰好环绕地球表面做圆周运动；

7、2 2、当发射速度大于、当发射速度大于7.9km/s 7.9km/s 时：时： 7.9km/s7.9km/sV11.2km/s,11.2km/s,但环绕速度但环绕速度7.9km/s7.9km/s 物体仍绕地球运行，但径迹是椭圆；物体仍绕地球运行，但径迹是椭圆； 11.2km/s11.2km/sV16.7km/s16.7km/s16.7km/s 物体脱离太阳的吸引，而成为自由天体。物体脱离太阳的吸引，而成为自由天体。二、宇宙速度南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰 表征人造卫星运行状态的物理量有三个表征人造卫星运行状态的物理量有三个: : 环绕速度环绕速度v, , 转动半径转动半径

8、r( (或或R+h,h为离地的高度为离地的高度) ) 转动周期转动周期T. . 将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动，则，则卫卫星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系：星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系：三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律nmarTmrmrvmrMmG)4(22222rvrGMv1,即331,rrGM即332,4rTGMrT即221,rarGMa即南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰 结论：结论： 卫星的运行速度、角速度、运转周期与其本身质量无关，仅由轨道半径决定。 离地

9、面越高的卫星，运行速度越小，周期越长，发射需要的初速度越大。 所以，第一宇宙速度是发射卫星的最所以，第一宇宙速度是发射卫星的最小小发射速度发射速度，也是卫星绕地球做圆周运动，也是卫星绕地球做圆周运动的最大的最大运行速度运行速度。（补充）：（补充）：卫星发射速度和卫星运行速度的区别卫星发射速度和卫星运行速度的区别三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰 发射速度：发射速度：卫星在地面附近离开发射装置的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，被发射物仅初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力

10、上升一定的高度、依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度、进入运动轨道；进入运动轨道； 运行速度运行速度：卫星在进入运行轨道后绕地球做圆卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。所以，周运动的线速度。所以，第一宇宙速度是发射人第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，也是卫星绕地球做圆周运动造卫星的最小速度，也是卫星绕地球做圆周运动的最大速度。的最大速度。 三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰h=3.6107mr=4.2107mv=3km/sT=24hh=3.8108mr3.8108mv=1km/sT=27天天h0r=6.4106

11、mv=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、近地卫星、同步卫星、同步卫星、月球三者月球三者比较比较南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰（3）地球同步卫星地球同步卫星v地球同步卫星的特点：地球同步卫星的特点：“四个一定四个一定”v（1）周期一定：）周期一定：T=24hv（2）高度一定）高度一定: 在赤道上空处在赤道上空处v（3）速率一定：线速度）速率一定：线速度v3.1 kmsv（4）轨道平面一定：与地球赤道平面共面。）轨道平面一定：与地球赤道平面共面。南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰h=3.6107mr=4.2107mv

12、=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、近地卫星、同步卫星、同步卫星、月球三者月球三者比较比较南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰（3）地球同步卫星地球同步卫星v地球同步卫星的特点：地球同步卫星的特点：“四个一定四个一定”v（1）周期一定：）周期一定：T=24hv（2）高度一定）高度一定: 在赤道上空处在赤道上空处v（3）速率一定：线速度）速率一定：线速度v3.1 kmsv（4）轨道平面一定：与地球赤道平面共面。）轨道平面一定：与地球

13、赤道平面共面。南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰问题：问题： 将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？哪一个更大？哪一个更容易？为什么？ 向高轨道发射卫星时向高轨道发射卫星时, , 需要的初速度越大需要的初速度越大，火箭克服地球对卫星的引力而作更多的功火箭克服地球对卫星的引力而作更多的功, ,对火对火箭的要求更高一些箭的要求更高一些, ,所以比较困难所以比较困难. .三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰四、课堂练习课堂练习 例题例题: 我国发射的第一颗探月

14、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？ 南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰人类探索太空的过程人类探索太空的过程 1961年，苏联宇航员尤里尤里加加林加加林，完成人类历史人类历史上第一次宇宙飞行上第一次宇宙飞行，

15、人类飞天梦想终于变成现实。1963年，瓦莲蒂娜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。 1969年7月20日，美国宇航员尼尼尔尔阿姆斯特朗、迈克尔阿姆斯特朗、迈克尔柯林柯林斯、巴兹斯、巴兹奥尔德林奥尔德林(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。 19841984年，美国宇航员布鲁年，美国宇航员布鲁斯斯麦坎德利斯离开航天飞机麦坎德利斯离开航天飞机320320英尺，完成英尺，完成人类首次无安全索太空人类首次无安全索太空行走。行走。 20012001年，年，第一位太空游客美国人美国人蒂托( (中中) )，进入国际

16、空间站，开始太空观，进入国际空间站，开始太空观光。光。南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰阿波罗阿波罗1111号宇航员在月球上的视频号宇航员在月球上的视频点击图片即播放点击图片即播放南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰我国载人航天回顾我国载人航天回顾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

17、次首次“多人多天多人多天”空间飞行空间飞行20082008年年 “神舟神舟”七号七号 首次太空行走首次太空行走南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰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、课堂小结课堂小结南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰布置作业布置作业 1. .阅读教材后边阅读教材后边“科学漫步科学漫步”和和“STSSTS”的材料；的材料； 2.将学生分组将学生分组, ,上网查阅黑洞、同步卫星上网查阅黑洞、同步卫星的相关资料的相关资料, ,并制作汇报并制作汇报PPTPPT或书面报告或书面报告, ,下节下节课进行交流共享。课进行交流共享。 南京师范大学物科院南京师范大学物科院 杨绍兰杨绍兰下课！下课！同学们休息一下！同学们休息一下！