宇宙航行教程课件.ppt

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1、6.5 宇宙航行宇宙航行6.5 宇宙航行宇宙航行16 二月 2023嫦嫦娥娥奔奔月月6.5 宇宙航行宇宙航行16 二月 2023 敦煌飞天的美丽壁画敦煌飞天的美丽壁画6.5 宇宙航行宇宙航行16 二月 202319571957年年1010月月4 4日，前苏联发射了日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星世界上第一颗人造地球卫星我国在我国在19701970年年4 4月月2020日发射了日发射了第一颗人造地球卫星第一颗人造地球卫星20032003年年1010月月1515日，神州五号日，神州五号载人宇宙飞船发射升空载人宇宙飞船发射升空6.5 宇宙航行宇宙航行各种各样的卫星6.5 宇宙航行宇宙航行16

2、 二月 2023一、人造卫星的发射原理一、人造卫星的发射原理1、牛顿设想：抛出速度很大时，物体不会落回地面6.5 宇宙航行宇宙航行2、人造卫星绕地球匀速圆周运动的原因、人造卫星绕地球匀速圆周运动的原因人造卫星受到地球对它的万有引力作用，人造卫星人造卫星作匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。作匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。3、人造卫星的运行规律、人造卫星的运行规律设地球质量为M，卫星质量为m，卫星的绕行速度v、角速度、周期T、向心加速度a与轨道半径 r 的关系r(a、V、T)6.5 宇宙航行宇宙航行卫星运动的线速度、角速度、向心加速度和周期：卫星运动的线速度、角速度、向心加速度和周期：(3

3、)由由 得：得：(4)由由 得得：可见：卫星运动情况可见：卫星运动情况(a、V、T)是是由由 r r 惟惟 一决定一决定(2)由由 得：得：GM mr2=mv2rGM mr2=m2rGM mr2=m()rT2GM42r3(1)由由 得：得：aGM mr2=maGMr2记忆口诀：记忆口诀：“高轨低速长周高轨低速长周期期”6.5 宇宙航行宇宙航行1234v1v2=v3v4T1T2=T32=34 人造地球卫星的运动规律人造地球卫星的运动规律6.5 宇宙航行宇宙航行练习：对于练习：对于绕地球绕地球运动的人造卫星：运动的人造卫星：（1）离地面越高，线速度越）离地面越高，线速度越（2）离地面越高，周期越）

4、离地面越高，周期越（3）离地面越高，角速度越）离地面越高，角速度越（4）离地面越高，向心加速度越）离地面越高，向心加速度越（5）离地面越高，向心力越）离地面越高，向心力越小小长长小小小小小小6.5 宇宙航行宇宙航行 两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，它们的质量不相等，轨道半径之运行，它们的质量不相等，轨道半径之比比r1:r2=1:4,则它们的则它们的(1)线速度大小之比线速度大小之比 v1:v2=(2)周期之比周期之比 T1:T2=课堂训练课堂训练6.5 宇宙航行宇宙航行 20112011年年1111月月3 3日，日，“神州八号神州八号”飞船与飞船与“天宫一

5、号天宫一号”目标飞行器成功实施目标飞行器成功实施了首次交会对接。任务完成后了首次交会对接。任务完成后“天宫一号天宫一号”经变轨升到更高的轨道，等待与经变轨升到更高的轨道，等待与“神神州九号州九号”交会对接。变轨前和变轨完成后交会对接。变轨前和变轨完成后“天宫一号天宫一号”的运行轨道均可视为圆轨的运行轨道均可视为圆轨道，对应的轨道半径分别为道，对应的轨道半径分别为R R1 1、R R2 2，线速度大小分别为，线速度大小分别为V V1 1、V V2 2。则。则 等于等于()A.B.C.D.高考链接：高考链接：2012山东理综第山东理综第15题题B6.5 宇宙航行宇宙航行16 二月 2023这就是人

6、造地球卫星在地面附近这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具绕地球做匀速圆周运动所必须具有的有的最低发射速度最低发射速度，叫做，叫做第一宇第一宇宙速度宙速度。近地面的卫星的速度是多少呢？近地面的卫星的速度是多少呢？6.5 宇宙航行宇宙航行16 二月 2023二、宇宙速度二、宇宙速度1 1、第一宇宙速度：、第一宇宙速度：(环绕速度环绕速度）V1=7.9km/s地球11.2km/sv7.9km/s2 2、第二宇宙速度：、第二宇宙速度：(脱离速度脱离速度)V2=11.2km/sV3=16.7km/s3 3、第三宇宙速度：（、第三宇宙速度：（逃逸速度逃逸速度）人造行星人造行星人造恒星人

7、造恒星人造卫星人造卫星概念辨析发射速度和运行速度1、发射速度：是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度。2、运行速度：是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。r v宇宙速度均指发射速度第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度6.5 宇宙航行宇宙航行三、近地卫星三、近地卫星 近地卫星是指卫星的轨道半径近近地卫星是指卫星的轨道半径近似等于地球半径，其周期约为似等于地球半径，其周期约为84分分钟。其向心力由万有引力提供。钟。其向心力由万有引力提供。6.5 宇宙航行宇宙航行16 二月 2023练习：求近地卫星的周期练习：求近地卫星的周期我们能否发射一颗周我们能否发射一

8、颗周期为期为80min的卫星？的卫星？6.5 宇宙航行宇宙航行四、地球同步卫星四、地球同步卫星 1、定义、定义所谓地球同步卫星，是相对于地面所谓地球同步卫星，是相对于地面静止静止的和地球具有相同的和地球具有相同周期周期的卫星，同步卫的卫星，同步卫星必须位于星必须位于赤道平面内赤道平面内，且到地面的，且到地面的高高度一定度一定。r v T a “全部固定全部固定”6.5 宇宙航行宇宙航行 圆轨道在赤道平面，即圆轨道在赤道平面，即在赤道的正上方；周在赤道的正上方；周期与地球自转周期相期与地球自转周期相同，为同，为24小时；绕行小时；绕行方向为自西向东。方向为自西向东。大家能否计算大家能否计算出同步

9、卫星的出同步卫星的高度，线速度高度，线速度呢？呢？6.5 宇宙航行宇宙航行2、地球同步卫星的运行特征可概括为四个一定可概括为四个一定定轨道平面定轨道平面,其运行轨道平面在赤道平面内；其运行轨道平面在赤道平面内；定周期定周期,即运行周期等于地球自转周期（即运行周期等于地球自转周期（24 h）定高度定高度，即离地面高度一定（，即离地面高度一定（h=36000 km）定速度定速度，即运行速度一定（，即运行速度一定（v3.1km/s）6.5 宇宙航行宇宙航行3、同步卫星的应用：主要用于通信3 3颗同步卫星可实现全球覆盖颗同步卫星可实现全球覆盖所所以以也也叫叫通通信信卫卫星星6.5 宇宙航行宇宙航行16

10、 二月 2023 为了卫星之间不互相干扰，大约3左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。6.5 宇宙航行宇宙航行6.5 宇宙航行宇宙航行6.5 宇宙航行宇宙航行“高轨低速长周期高轨低速长周期”五、人造卫星的轨道五、人造卫星的轨道极地轨道极地轨道一般轨道一般轨道赤道轨道赤道轨道所有卫星都在以地心为圆所有卫星都在以地心为圆心的轨道上心的轨道上(原因原因？）？）平面平面立体立体赤道平面赤道平面6.5 宇宙航行宇宙航行人造卫星的轨道6.5 宇宙航行宇宙航行16 二月 2023 甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫星，乙

11、的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是均可视为圆轨道。以下判断正确的是()A甲的周期大于乙的周期甲的周期大于乙的周期 B乙的速度大于第一宇宙速度乙的速度大于第一宇宙速度C甲的加速度小于乙的加速度甲的加速度小于乙的加速度 D甲在运行时能经过北极的正上方甲在运行时能经过北极的正上方高考链接：高考链接：2011山东理综第山东理综第17题题AC6.5 宇宙航行宇宙航行16 二月 2023六、人造卫星的超重和失重六、人造卫星的超重和失重1、发射和回收阶段、发射和回收阶段发射发射加速上升加速上升超重超重回收回收减速下降减速下降超重

12、超重2、沿圆轨道正常运行、沿圆轨道正常运行只受重力只受重力a=g完全失重完全失重与重力有关的现象全部消失与重力有关的现象全部消失天平天平弹簧秤测重力弹簧秤测重力液体压强计液体压强计6.5 宇宙航行宇宙航行七、卫星变轨七、卫星变轨6.5 宇宙航行宇宙航行VF引F引引F向向F引引F向向卫星变轨原理卫星变轨原理MmA点速度点速度内小外大内小外大（在（在A点看轨迹）点看轨迹）在在A点万有引力点万有引力相同相同A6.5 宇宙航行宇宙航行思考：思考：人造卫星在人造卫星在低轨道上运行低轨道上运行，要想让其在，要想让其在高轨道上运行高轨道上运行，应采取什么措施？，应采取什么措施？在在低轨道上加速低轨道上加速，

13、使其沿，使其沿椭椭圆轨道圆轨道运行，当行至椭圆轨运行，当行至椭圆轨道的道的远点远点处时再次处时再次加速加速，即，即可使其沿可使其沿高轨道运行高轨道运行。卫星变轨原理卫星变轨原理1 1、卫星在二轨道相切点、卫星在二轨道相切点万有引力万有引力相同相同速度速度内小外大内小外大（切点看轨迹）（切点看轨迹）2 2、卫星在椭圆轨道运行、卫星在椭圆轨道运行近地点近地点-速度速度大大，动能大，动能大远地点远地点-速度速度小小，动能小，动能小6.5 宇宙航行宇宙航行v vF F引引引引12R卫星在圆轨卫星在圆轨道运行速度道运行速度V1V2900减小减小卫星变轨原理卫星变轨原理6.5 宇宙航行宇宙航行v v3 3

14、F F引引引引L卫星变轨原理卫星变轨原理6.5 宇宙航行宇宙航行使使使使卫卫卫卫星星星星进进进进入入入入更更更更高高高高轨轨轨轨道道道道做做做做圆圆圆圆周周周周运运运运动动动动v3 3v4 46.5 宇宙航行宇宙航行卫卫星星的的回回收收6.5 宇宙航行宇宙航行6.5 宇宙航行宇宙航行 1 1、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道近地圆轨道1 1，然后经点火使其沿然后经点火使其沿椭圆轨道椭圆轨道2 2运行；最后再次点火将其送入同步运行；最后再次点火将其送入同步圆圆轨道轨道3 3。轨道。轨道1 1、2 2相切于相切于P P点，点，2 2、3

15、3相切于相切于Q Q点。当卫星分别在点。当卫星分别在1 1、2 2、3 3上正常运行时，以下说法正确的是（上正常运行时，以下说法正确的是（）A A、在轨道、在轨道3 3上的速率大上的速率大 于于1 1上的速率上的速率 B B、在轨道、在轨道3 3上的角速度上的角速度 小于小于1 1上的角速度上的角速度 C C、在轨道、在轨道2 2上经过上经过Q Q点时点时 的速率等于在轨道的速率等于在轨道3 3上经过上经过Q Q点时的速率点时的速率 D D、在轨道、在轨道1 1上经过上经过P P点时的加速度等于在轨道点时的加速度等于在轨道2 2上上 经过经过P P点时的加速度点时的加速度 QQP P231BD

16、6.5 宇宙航行宇宙航行2 2、如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将、如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将卫星发射至距地面高度为卫星发射至距地面高度为h h1 1的的近地轨道近地轨道上在卫星上在卫星经过经过A A点时点火实施变轨，进入远地点为点时点火实施变轨，进入远地点为B B的的椭圆轨道椭圆轨道上，最后在上，最后在B B点再次点火，将卫星送入点再次点火，将卫星送入同步轨道同步轨道.已知地球表面重力加速度为已知地球表面重力加速度为g g，地球自转周期为，地球自转周期为T T，地，地球的半径为球的半径为R R求：求：（1 1）近地轨道）近地轨道上的速度大小；上的速度大小；（2 2

17、）远地点）远地点B B距地面的高度。距地面的高度。6.5 宇宙航行宇宙航行解：解：6.5 宇宙航行宇宙航行“嫦娥奔月嫦娥奔月”图图6.5 宇宙航行宇宙航行理性探究 发射、变轨、运行6.5 宇宙航行宇宙航行 2.2.20072007年年1010月月2424日日“嫦娥一号嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：1212小时椭圆轨小时椭圆轨道道2424小时椭圆轨道小时椭圆轨道4848小时椭圆轨道小时椭圆轨道修正轨道修正轨道地月转移轨道地月转移轨道。1111月月5 5日日1111时，当卫星经过距月球表

18、面高度时，当卫星经过距月球表面高度为为h h的的A A点时，再经三次变轨：点时，再经三次变轨：1212小时椭圆轨道小时椭圆轨道3.53.5小时椭圆小时椭圆轨道轨道最后进入周期为最后进入周期为T T的极月圆轨道的极月圆轨道 ，如图所示（，如图所示（）A.A.“嫦娥一号嫦娥一号”由由到到需加速、由需加速、由到到需减速需减速 B.B.发射发射“嫦娥一号嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度的速度必须达到第三宇宙速度 C.C.在绕月圆轨道上在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关卫星周期与卫星质量有关 D.D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比 E

19、.E.在绕月圆轨道上在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力卫星受地球的引力大于受月球的引力近近地地变变轨轨轨道修正轨道修正转移轨道转移轨道发射发射D6.5 宇宙航行宇宙航行 3.3.20072007年年1010月月2424日，日，“嫦娥一号嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：1212小时椭圆轨小时椭圆轨道道2424小时椭圆轨道小时椭圆轨道4848小时椭圆轨道小时椭圆轨道修正轨道修正轨道地月转移轨道地月转移轨道。1111月月5 5日日1111时，当卫星经过距月球表面高度时，当卫星经

20、过距月球表面高度为为h h的的A A点时，再经三次变轨：点时，再经三次变轨：1212小时椭圆轨道小时椭圆轨道3.53.5小时椭圆小时椭圆轨道轨道最后进入周期为最后进入周期为T T的极月圆轨道的极月圆轨道 ，如图所示。，如图所示。若月球半径为若月球半径为R R，试写出月球表面重力加速度的表达式。试写出月球表面重力加速度的表达式。近近地地变变轨轨轨道修正轨道修正转移轨道转移轨道发射发射6.5 宇宙航行宇宙航行八、对接问题：宇宙飞船与空间站的对接l空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何到达空间站，空间站上的人又如何地球上的人如何到达空间

21、站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。思考：思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？接呢？l不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间站对接。无法与空间站对接。6.5 宇宙航行宇宙航行l飞船首先在比空间站低的轨道运飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再

22、行，当运行到适当位置时，再加加速速运行到一个椭圆轨道。运行到一个椭圆轨道。l通过控制轨道使飞船跟空间站通过控制轨道使飞船跟空间站恰恰好好同时运行到两轨道的相切点，同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对此时飞船适当减速，便可实现对接，如图示。接，如图示。空间站空间站空间站空间站飞船飞船对接方法：6.5 宇宙航行宇宙航行例：在太空中有两飞行器例：在太空中有两飞行器a a、b b，它们在绕地，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，球的同一圆形轨道上同向运行，a a在前在前b b在后，在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想机，现

23、要想b b 尽快追上尽快追上a a 并完成对接，并完成对接，b b应采应采取的措施是（取的措施是（）A A、沿运动方向喷气、沿运动方向喷气 B B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气C C、沿运动反方向喷气、沿运动反方向喷气 D D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气B6.5 宇宙航行宇宙航行1 1、回顾航天史、回顾航天史世界上第世界上第一个想利一个想利用火箭飞用火箭飞行的人行的人 1414世纪世纪九、梦想成真（航空领域重大成就）6.5 宇宙航行宇宙航行19571957年年1010月，苏联发射月，苏联发射第一颗人造

24、地球卫星。第一颗人造地球卫星。19611961年年4 4月月1212日苏联空军日苏联空军少校加加林乘坐东方一少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，号载人飞船进入太空，实现了人类进入太空的实现了人类进入太空的梦想。梦想。19691969年年7 7月月2020日，阿波罗日，阿波罗1111号将人类送上了月球。号将人类送上了月球。6.5 宇宙航行宇宙航行 19701970年年4 4月月2424日我日我国第一颗国第一颗人造卫星人造卫星升空升空 2 2、中国的航天成就、中国的航天成就6.5 宇宙航行宇宙航行20032003年年1010月月1515日神日神舟五号舟五号杨利伟杨利伟6.5 宇宙航行宇宙航行2

25、0052005年年1010月月1212日日神神舟六号费舟六号费俊龙聂海俊龙聂海胜胜6.5 宇宙航行宇宙航行20072007年年1010月月2424日日嫦娥一号嫦娥一号月球探测器发射成功月球探测器发射成功6.5 宇宙航行宇宙航行20082008年年9 9月月2525日神舟日神舟七号翟志七号翟志刚刘伯明刚刘伯明景海鹏景海鹏6.5 宇宙航行宇宙航行3、展望未来美国美国“凤凰凤凰”号火星探测器号火星探测器20072007年年8 8月月4 4日发射，日发射，20082008年年5 5月月2525日在火星着陆。日在火星着陆。“卡西尼卡西尼”号土星探测器号土星探测器19971997年年1010月月1515日发射升空，日发射升空，20042004年年1 1日飞抵土星。日飞抵土星。“先驱者先驱者”1010号号太空探测器太空探测器19721972年年3 3月月2 2日发射升空，日发射升空，19861986年年6 6月飞出太阳系月飞出太阳系6.5 宇宙航行宇宙航行光子火箭光子火箭星球大战星球大战超光速飞船超光速飞船“千年隼千年隼”号号