宇宙航行上课PPT（四月）

第5节宇宙航行 南京师范大学物科院杨绍兰 中国人的飞天梦 外国人的 飞天 梦 飞天之梦的历史 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 月球也要受到地球引力的作用 为什么月亮不会落到地面上来 问题情境 由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转 此时月球受到的地球引力 即重力 用来充当绕地球运转的向心力 故月球不会落到地面上来 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 若抛出物体的水平初速度足够大 物体将会怎样 试大胆猜想 由于地球是一个圆球 当平抛的水平初速度足够大时 物体飞行的距离也很大 故物体不能再落回地面 而成为一颗绕地球运转的卫星 问题 问题情境 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 牛顿人造卫星原理图 一 牛顿关于卫星的设想 思考 1 以多大的速度将物体抛出 它才会成为绕地球表面运动的卫星 推导方法一 万有引力提供物体作圆周运动的向心力 g 9 8m s2 R 6400km 代入数据得 推导方法二 地表附近 重力近似等于万有引力 人们把7 9km s这个速度称作第一宇宙速度 又叫环绕速度 如果发射速度如小于第一宇宙速度 卫星将落到地面 如果发射速度等于第一宇宙速度 卫星刚好能贴着地球表面作匀速圆周运动 所以 第一宇宙速度是发射地球卫星的最小发射速度 二 宇宙速度 问题 若卫星的发射速度大于7 9km s 会怎样呢 第二宇宙速度 物体克服地球引力 永远脱离地球的速度 脱离速度 第三宇宙速度 物体挣脱太阳引力 飞出太阳系的速度 逃逸速度 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 扁 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 环绕速度 二 宇宙速度 1 当发射速度为7 9km s 物体恰好环绕地球表面做圆周运动 2 当发射速度大于7 9km s时 7 9km s16 7km s物体脱离太阳的吸引 而成为自由天体 二 宇宙速度 表征人造卫星运行状态的物理量有三个 环绕速度v 转动半径r 或R h h为离地的高度 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 则卫星环绕速度 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 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小发射速度 也是卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度 补充 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 发射速度 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 运行速度 卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度 所以 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的最大速度 三 人造地球卫星运行的规律 问题 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 向高轨道发射卫星时 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 对火箭的要求更高一些 所以比较困难 三 人造地球卫星运行的规律 四 课堂练习 例题 我国发射的第一颗探月卫星 嫦娥一号 的轨道半径是圆形的 且贴近月球表面 已知月球质量约为地球质量的1 80 月球的半径约为地球半径的1 4 地球上的第一宇宙速度约为7 9km s 求 嫦娥一号 探月卫星绕月球运行的速率 人类探索太空的过程 1963年 瓦莲蒂娜 捷列什科娃 人类第一位进入太空的女性 1969年7月20日 美国宇航员尼尔 阿姆斯特朗 迈克尔 柯林斯 巴兹 奥尔德林 上图从左至右 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 1984年 美国宇航员布鲁斯 麦坎德利斯离开航天飞机320英尺 完成人类首次无安全索太空行走 2001年 第一位太空游客美国人蒂托 中 进入国际空间站 开始太空观光 阿波罗11号宇航员在月球上的视频 点击图片即播放 我国载人航天回顾 2008年 神舟 七号首次太空行走 1 三个宇宙速度 v1 7 9km s 会推导 v2 11 2km s v3 16 7km s2 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 为角速度 T为周期 n为转速 五 课堂小结 布置作业 1 阅读教材后边 科学漫步 和 STS 的材料 2 将学生分组 上网查阅黑洞 同步卫星的相关资料 并制作汇报PPT或书面报告 下节课进行交流共享 下课 同学们休息一下