資源簡介

(共37張PPT)
5 宇宙航行
一、人造衛星的發射原理
二、宇宙速度
三、人造衛星的運動規律
四、人造衛星的超重和失重
五、地球同步衛星
5 宇宙航行
牛頓設想：拋出速度很大時，物體就不會落回地面
一、人造衛星的發射原理
設地球質量為M，半徑為R。人造地球衛星在圓軌道上運行，質量為m，軌道半徑為r。那么，在該軌道上做勻速圓周運動的衛星的速度v如何推算？
衛星離地心越遠，它運行的速度越慢。
這就是人造地球衛星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必須具有的最低發射速度，叫做第一宇宙速度。
近地面的衛星的速度是多少呢？
M=5.98×1024kg
1、第一宇宙速度： (環繞速度）
V1=7.9km/s
地球
11.2km/s>v>7.9km/s
2、第二宇宙速度：　　　 　　(脫離速度)
V2=11.2km/s
V3=16.7km/s
3、第三宇宙速度：（逃逸速度）
→人造行星
→人造恒星
人造衛星
二、宇宙速度
概念辨析　　　發射速度和運行速度
1、發射速度：是指被發射物在地面附近離開發射裝置時的速度。
2、運行速度：是指衛星進入軌道后繞地球做勻速圓周運動的速度。
r↗ v↘
近地衛星
其它衛星
①宇宙速度均指發射速度
②第一宇宙速度為在地面發射衛星的最小速度，也是環繞地球運行的最大速度
練習： 求近地衛星的周期
我們能否發射一顆周期為80min的衛星呢？
法二：
在某星球表面上以v0豎直上拋一物體，經時間t回到拋出點，問在此星球上至少以多大的速度水平拋出該物，才能是該物不再回到星球上？（設星球的半徑為R）
例題分析
豎直上拋
近地運行
拋體運動與萬有引力綜合
三、人造衛星的超重和失重
1、發射和回收階段
發射
加速上升
超重
回收
減速下降
超重
2、沿圓軌道正常運行
只受重力
a = GM/r2
完全失重
與重力有關的現象全部消失
天平
彈簧秤測重力
液體壓強計
凡人造衛星的問題都可從下列關系去列運動方程，即:
重力=萬有引力=向心力
例題分析 人造衛星的超失重問題
在火箭的實驗平臺上放有測試儀器，火箭起動后以g/2的加速度豎直勻加速上升，到某一高度時儀器對平臺的壓力為起動前對平臺壓力的17/18，求：此時火箭離地面的高度？ （已知地球半徑為R,地面重力加速度為g)
地面時：
空中時：
在繞地球做勻速圓周運動的航天飛機外表面，有一隔熱陶磁片自動脫落，則（　　　　）
A、陶磁片做平拋運動
B、陶磁片做自由落體運動
C、陶磁片按原軌道做勻速圓周運動
D、陶磁片做圓周運動，逐漸落后于航天飛機
C
例題分析 　完全解讀P136第10題
四、地球同步衛星
1、所謂地球同步衛星是指相對于地面靜止的人造衛星，它在軌道上跟著地球自轉，同步地做勻速圓周運動，它的周期：T＝24h
2、所有的同步衛星只能分布在赤道上方的一個確定軌道上 ，即同步衛星軌道平面與地球赤道平面重合，衛星離地面高度及線速度均為定值。
v
F引
同步衛星
為了衛星之間不互相干擾，大約3°左右才能放置1顆，這樣地球的同步衛星只能有120顆。可見，空間位置也是一種資源。
同步衛星
近地衛星
月球
近地衛星、同步衛星、月球三者比較
赤道軌道
極地軌道
傾斜軌道
同步軌道
自轉軸
1999年5月10日，我國成功地發射了“一箭雙星”，將“風云1號”氣象衛星和“實驗5號”科學實驗衛星送入離地面870km的軌道，已知地球半徑為6400km，這兩顆衛星的運動速度約為 A、11.2km／s B、7.9km／s C、7.4km／s D、2.1km／s
C
例題分析
用m表示地球通訊衛星（同步衛星）的質量，h表示它離開地面的高度，R0表示地球的半徑，g0表示地面處的重力加速度，ω0表示地球自轉的角速度，則通訊衛星所受的地球對它的萬有引力的大小為 [ ]
B C
例題分析
同步衛星離地距離r，運行速率為V1，加速度為a1，地球赤道上的物體隨地球自轉的向心加速度為a2，第一宇宙速度為V2，地球半徑為R，則
A、 B、 C、 D、
例題分析
AD
11.我國自行研制發射的“風云一號”“風云二號”氣象衛星的飛行軌道是不同的，“風云一號”是極地圓形軌道衛星，其軌道平面與赤道平面垂直，周期為T1=12 h；“風云二號”是同步軌道衛星，其軌道平面就是赤道平面，周期為T2=24 h.兩顆衛星相比：______離地面較高；______觀察范圍較大；______運行速度大.若某天上午8點“風云一號”正好通過赤道附近太平洋上一個小島的上空，那么“風云一號”下一次通過該小島上空將是　　　　　　　。
二號
一號
一號
次日上午8點
　　　　　　　　　衛星的追擊問題
2006年江蘇卷14、
14、A是地球的同步衛星，另一衛星B的圓形軌道位于赤道平面內，離地面高度為h，已知地球半徑為R，地球自轉角速度ω0，地球表面的重力加速度為g，O為地球中心。
（1）求衛星B的運動周期
（2）如衛星B繞行方向與地球自轉方向相同，某時刻A、B兩衛星相距最近（O、B、A在同一直線上）則至少經過多長時間，它們再一次相距最近？
解:（1）
聯立①②得
（2）由題意得 (ωB-ω0)t=2π ④
由③得
代入④得
(A) 機械能逐漸減小 (B) 動能逐漸減小 (C) 運行周期逐漸減小 (D) 加速度逐漸減小
1.神六在繞地球運行的過程中，由于高空稀薄空氣的阻力影響，將很緩慢地逐漸向地球靠近，做軌道逐漸減小的螺旋線運動，設每時刻可以近似看作是一個圓周運動（只是半徑逐漸減小），則神六的
神州六號的相關問題
AC
衛星運動中的能量問題
例題分析
衛星的變軌問題
點火
改變v大小
改變所需向心力
變軌原理：
2、神六變軌
神六飛船入軌后先是在近地點200公里，遠地點350公里的橢圓軌道上運行，運行5圈時，然后變軌到距地面343公里的圓形軌道。為什么它的軌道是橢圓軌道？
　10月12日15時55分，北京航天飛控中心發出指令，啟動神舟六號軌控發動機，從15時54分45秒開始，發動機工作了63秒，飛船的運動已接近圓形，飛船變軌如何實現？
比較v1、v2、v3的大小?
神州六號的相關問題
v1____v2
v2____v3
v1____v3
>
<
>
v1>v3>v2
10.發射地球同步衛星時，先將衛星發射至近地圓軌道1，然后點火，使其沿橢圓軌道2運行，最后再次點火，將衛星送入同步圓軌道3。軌道1、2相切于Q點。軌道2、3相切于P點，如圖所示。當衛星分別在1、2、3軌道上正常運行時，以下說法正確的是
A.衛星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率
B.衛星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度
C.衛星在軌道1上經過Q點時的加速度大于它在軌道2上經過Q點時的加速度
D.衛星在軌道2上經過P點時的加速度等于它在軌道3上經過P點時的加速度
BD
若飛船要與軌道空間站對接，飛船為了追上軌道空間站（ ）
A、可以從較低的軌道上加速
B、可以從較高的軌道上加速
C、可以從與空間站同一軌道上加速
D、無論在什么軌道上，只要加速都行
例題分析
A
12
如圖所示，a、b、c是在地球大氣層外圓形軌道上運動的3顆衛星，下列說法正確的是：
A、b、c的線速度大小相等，且大于a的線速度；
B、b、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心 加速度；
C、c加速可追上同一軌道 上的b，b減速可等候 同一軌道上的c；
D、a衛星由于某原因，軌 道半徑緩慢減小，其線 速度將增大。
例題分析
D
小 結：
一、宇宙速度
1、第一宇宙速度（環繞速度） v1=7.9km/s
2、第二宇宙速度（脫離速度） v2=11.2km/s
3、第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s
二、同步衛星
1、周期T=24h
2、衛星軌道平面與地球赤道平面重合
例題分析 　　完全解讀P126考題6
解題思路：
求r
求sinθ
求h
求S
例題分析 　　完全解讀P127考題8
日照
解題思路：
求T1
求一個周期內通過光照面的次數n
求l
θ
（16分）某顆地球同步衛星正下方的地球表面上有一觀察者，他用天文望遠鏡觀察被太陽光照射的此衛星，試問，春分那天（太陽光直射赤道）在日落12小時內有多長時間該觀察者看不見此衛星？已知地球半徑為R，地球表面處的重力加速度為g,地球自轉周期為T，不考慮大氣對光的折射。
2004年廣西卷16、
解：設所求的時間為t，用m、M分別表示衛星和地球的質量，r 表示衛星到地心的距離.
春分時，太陽光直射地球赤道，如圖所示，
圖中圓E表示赤道，S表示衛星，
A表示觀察者，O表示地心.
由圖可看出當衛星S繞地心O轉到圖示位置以后（設地球自轉是沿圖中逆時針方向），其正下方的觀察者將看不見它. 據此再考慮到對稱性，有
rsinθ =R ②
由以上各式可解得
例題分析
例題分析 　　 完全解讀P128考題10
黑洞問題
原理：
1、光子恰沿黑洞表面做勻速圓周運動
2、第二宇宙速度＞真空中光速的天體

第五節 宇宙航行
第六節 經典力學的局限性
【鞏固教材—穩扎穩打】
1．關于第一宇宙速度，下面說法正確的是 ( )
A．它是人造地球衛星繞地球飛行的最小速度
B．它是近地圓形軌道上人造地球衛星的運行速度
C．它是能使衛星進入近地圓形軌道的最小發射速度
D．它是衛星在橢圓軌道上運行時近地點的速度
2．關于環繞地球運轉的人造地球衛星，有如下幾種說法，其中正確的是 ( )
A. 軌道半徑越大，速度越小，周期越長
B. 軌道半徑越大，速度越大，周期越短
C. 軌道半徑越大，速度越大，周期越長
D. 軌道半徑越小，速度越小，周期越長
3．啟動衛星的發動機使其速度加大，待它運動到距離地面的高度比原來大的位置，再定位使它繞地球做勻速圓周運動成為另一軌道的衛星，該衛星后一軌道與前一軌道相比
( )
A. 速率增大 B．周期增大
C．向心力增大 D. 加速度增大
4. 人造地球衛星繞地球作勻速圓周運動，其速率是下列的 ( )
A．一定等于7.9 km/s B. 等于或小于7.9 km/s
C. 一定大于7.9 km/s D. 介于7.9 km/s~11.2 km/s
【重難突破—重拳出擊】
1. 下列說法正確的是 ( )
A．經典力學能夠說明微觀粒子的規律性
B．經典力學適用于宏觀物體的低速運動問題，不適用于高速運動問題
C．相對論和量子力學的出現，表示經典力學已失去意義
D．對于宏觀物體的高速運動問題，經典力學仍能適用
2．同步衛星是指相對于地面不動的人造地球衛星 ( )
A．它可以在地面上任一點的正上方，且離地心的距離可按需要選擇不同值
B．它可以在地面上任一點的正上方，但離地心的距離是一定的
C．它只能在赤道的正上方，但離地心的距離可按需要選擇不同值
D．它只能在赤道的正上方，且離地心的距離是一定的
3．兩顆人造衛星A、B繞地球做圓周運動，周期之比為，則軌道半徑之比和運動速率之比分別為 ( )
A．，
B．，
C．，
D．，
4. 人造衛星繞地球做勻速圓周運動，設地球的半徑為R，地面處的重力加速度為g，則人造衛星： ( )
A．繞行的最大線速度為 　　B．繞行的最小周期為
C．在距地面高為R處的繞行速度為 D．在距地面高為R處的周期為
5．宇宙飛船要與環繞地球運轉的軌道空間站對接，飛船為了追上軌道空間站 ( )
A．可以從較低軌道上加速
B．可以從較高軌道上加速．
C．只能從與空間站同一高度軌道上加速
D．無論在什么軌道上，只要加速都行
6．發射地球同步衛星時，先將衛星發射到近地圓軌道1，然后在圓軌道1的Q點經點火使衛星沿橢圓軌道2運行，待衛星到橢圓軌道2上距地球最遠點P處，再次點火，將衛星送入同步圓軌道3，如圖7-2所示．則衛星在軌道1、2和3上正常運行時，有： ( )
A．衛星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率
B．衛星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度
C．衛星在軌道1上經Q點的加速度等于它在軌道2上經Q點的加速度
D．衛星在軌道2上運行時經過P點的加速度跟經過Q點的加速度相等
7．1998年8月20日，中國太原衛星發射中心為美國“銥”星公司成功發射了兩顆“銥”星系統的補網星。1998年9月23日，“銥”衛星通訊系統正式投入商業運行，標志著一場通訊技術革命開始了。原計劃的“銥”衛星通訊系統是在距地球表面780 km的太空軌道上建立一個由77顆小衛星組成的星座。這些小衛星均勻分布在覆蓋全球的7條軌道上，每條軌道上有11顆衛星，由于這一方案的衛星排布像化學元素“銥”原子的核外77個電子圍繞原子核運動一樣，所以稱為“銥”星系統。后來改為由66顆衛星，分布在6條軌道上，每條軌道上由11顆衛星組成，仍稱它為“銥”星系統。“銥”星系統的66顆衛星，其運行軌道的共同特點是 ( )
A．以地軸為中心的圓形軌道
B．以地心為中心的圓形軌道
C．軌道平面必須處于赤道平面內
D．銥星運行軌道遠低于同步衛星軌道
8．在地球大氣層外有很多太空垃圾繞地球做勻速圓周運動，每到太陽活動期，由于受太陽的影響，地球大氣層的厚度開始增加，而使得部分垃圾進入大氣層，開始做靠近地球的向心運動，產生這一結果的原因是 ( )
A．由于太空垃圾受到地球引力減小而導致的向心運動
B．由于太空垃圾受到地球引力增大而導致的向心運動
C．由于太空垃圾受到空氣阻力而導致的向心運動
D．地球的引力提供了太空垃圾做勻速圓周運動所需的向心力，故產生向心運動的結果，與空氣阻力無關
【鞏固提高—登峰攬月】
1．經典力學的適用范圍是什么？





2．1986年2月20日發射升空的“和平號”空間站，在服役15年后于2001年3月23日墜落在太平洋．“和平號”風風雨雨15年鑄就了輝煌業績，已成為航天史上的永恒篇章．
“和平號”空間站總質量137t，工作容積超過400m3．是迄今為止人類探索太空規模最大的航天器，有“人造天宮”之稱．在太空運行的這一“龐然大物”按照地面指令準確降落在預定海域，這在人類歷史上還是第一次．“和平號”空間站正常運行時，距離地面的平均高度大約是350km．為保證空間站最終安全墜毀，俄羅斯航天局控制中心對空間站的運行做了精心安排和控制．在墜毀前空間站已經順利進入指定的低空軌道，此時“和平號”距離地面的高度大約為240km．在“和平號”沿指定的低空軌道運行時，其軌道高度平均每晝夜降低2.7km．
設“和平號”空間站正常運行時沿高度為350km圓形軌道運行，在墜落前沿高度240km的指定圓形低空軌道運行．而且沿指定的低空軌道運行時，每運行一周空間站高度變化很小，因此計算時對空間站的每一周的運動都可以作為勻速圓周運動處理．（計算中取地球半徑R=6.4×103km）”
（1）空間站沿正常軌道運行時的加速度與沿指定的低空軌道運行時加速度大小的比值多大？（計算結果保留2位有效數字）
（2）空間站沿指定的低空軌道運行時，每運行一周過程中空間站高度平均變化多大？（計算中取地球半徑 R=6.4×103km，計算時保留1位有效數字．）


第五節 宇宙航行
第六節 經典力學的局限性
【鞏固教材－穩扎穩打】1.BC 2.A 3.B 4. B
【重難突破—重拳出擊】1.B 2.D 3.D 4.AB 5.A 6.BC 7.BD 8.C
【鞏固提高—登峰攬月】1.以牛頓運動定律為基礎的經典力學只適用于解決低速運動問題，不適用于處理高速運動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子；只使用于弱引力，而不使用于強引力的情況。
2.（1）0.97 （2） 0.2km
【課外拓展—超越自我】⑴.能到地球大氣層以外的宇宙空間去執行科學探索、開發、利用宇宙天體星際活動等航天任務的宇宙航行飛行器，稱為航天器 ⑵.專用有效載荷系統



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圖7-2

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