高中一年級(jí)下學(xué)期物理《宇宙航行》課件

宇宙航行問題：?

如圖所示，在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)；拋出速度足夠大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。你知道這個(gè)速度究竟有多大嗎？平拋運(yùn)動(dòng)人站在地面上水平向前扔出一個(gè)小球，不計(jì)空氣阻力，則小球的運(yùn)動(dòng)為：如果不斷增加拋出的初速度，則有：在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)。有沒有可能當(dāng)拋出速度足夠大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面了？這個(gè)時(shí)候，小球就成了一顆人造地球衛(wèi)星了。這個(gè)使小球不會(huì)落回地面的速度究竟是多大呢？一、宇宙速度

建立模型物體在地球附近繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體只受到指向地心的引力作用，物體繞地球的運(yùn)動(dòng)可視作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。若知道地球的質(zhì)量M和物體做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑r，就可求出物體繞行速度的大小。一、宇宙速度已知地球半徑R=6400km，地球質(zhì)量M=6.0×1024kg，衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度有多大？一、宇宙速度這就是物體在地球附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的必須具有的速度，叫作第一宇宙速度物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，還可近似認(rèn)為是重力來提供需要的向心力：

思考：如果不知道地球的質(zhì)量，但知道地球表面的重力加速度g，如何求宇宙第一速度v？由此可見：要發(fā)射一顆繞地球表面附近運(yùn)行的人造衛(wèi)星，發(fā)射速度必須等于7.9km/s

。所以宇宙第一速度是最小的發(fā)射速度。可見：v、ω、T與r為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，高軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，線速度小、角速度小，周期長(zhǎng)。FV思考：衛(wèi)星繞地球勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度、角速度和周期與軌道半徑的關(guān)系如何呢？

7.9km/s是最小發(fā)射速度，也是最大環(huán)繞（運(yùn)行）速度。

運(yùn)行速度指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時(shí)，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度，當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時(shí)，運(yùn)行速度小于第一宇宙速度。軌道越高，環(huán)繞速度越小。思考：若發(fā)射速度大于7.9km/s，則人造衛(wèi)星將如何運(yùn)動(dòng)？Av1發(fā)射速度

v=7.9km/s，飛行器沿圓形軌道1繞地心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；2發(fā)射速度

v>7.9km/s，且v<11.2km/s飛行器沿軌道2做（橢圓軌道）運(yùn)動(dòng)；3發(fā)射速度

v越大，軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)離地球就越遠(yuǎn)。在地面上發(fā)射火箭的速度如果是以下幾種情況：一、宇宙速度在地面上發(fā)射火箭的速度如果是以下幾種情況：vA4當(dāng)速度v>11.2km/s，飛行器將沿軌道4（藍(lán)色虛線）運(yùn)動(dòng)，只是這個(gè)軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)在離地球無限遠(yuǎn)處，飛行器將脫離地球引力的束縛，永遠(yuǎn)離開地球，繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)；第二宇宙速度213第二宇宙速度也稱為逃逸速度。一、宇宙速度在地面上發(fā)射火箭的速度如果是以下幾種情況：當(dāng)速度v>16.7km/s時(shí)，飛行器將脫離太陽(yáng)引力束縛，飛到太陽(yáng)系以外。5第三宇宙速度地球表面上的發(fā)射速度v運(yùn)動(dòng)情況v<7.9km/s物體落回地面v=7.9km/s繞地球勻速圓周7.9km/s<v<11.2km/s繞地球橢圓運(yùn)動(dòng)11.2km/s≤v<16.7km/s脫離地球，繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)16.7km/s≤v飛出太陽(yáng)系三大宇宙速度二、人造地球衛(wèi)星北斗導(dǎo)航衛(wèi)星人造衛(wèi)星的軌道地球的萬(wàn)有引力提供衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，所以衛(wèi)星軌道圓心和地球地心必須重合。①赤道軌道：衛(wèi)星軌道與赤道在同一平面上；①赤道軌道②極地軌道：衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直；③傾斜軌道：衛(wèi)星軌道和赤道成一定角度。②極地軌道③傾斜軌道二、人造地球衛(wèi)星分析可知，衛(wèi)星軌道半徑越大，運(yùn)行速度越慢，周期越長(zhǎng)。

人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)參量：高軌低速長(zhǎng)周期二、人造地球衛(wèi)星人造衛(wèi)星的兩個(gè)速度：①

發(fā)射速度：

將人造衛(wèi)星送入預(yù)定軌道需要具有的速度。第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度。②

環(huán)繞速度：

衛(wèi)星在進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度。二、人造地球衛(wèi)星三、載人航天與太空探索人類一直有“飛天”的夢(mèng)想，萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)，不僅破解了天上行星的運(yùn)行規(guī)律，也為人類開辟了上天的理論之路。隨著技術(shù)的進(jìn)步，人類邁向太空的腳步越來越大，越來越堅(jiān)實(shí)。三、載人航天與太空探索

2003年10月15日9時(shí)，我國(guó)神舟五號(hào)宇宙飛船把中國(guó)第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后安全降落。這標(biāo)志著中國(guó)成為世界上能夠獨(dú)立開展載人航天活動(dòng)的國(guó)家。在載人航天方面，繼神舟五號(hào)之后，截至2017年底，我國(guó)已經(jīng)將