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1、,第5节 宇宙航行,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
2、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,
3、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.,第三宇宙速度:物体挣脱太阳引力,飞出太阳系的速度.,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.,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
4、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,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,向高轨道发射卫星与发射近地卫星相比哪个难度大?哪个需要的发射速度大?为什么?,高轨道卫星与近地卫星相比哪个运行速度大?
5、为什么?,V1=7.9km/s(第一宇宙速度),最小发射速度,最大运行速度,人造卫星的r大,需要的v发射大;而v运行却小,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.,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1/81,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?,五、人造卫星的轨道,轨道中心-地心(为什么?),因为万有引力提供向心力,万有引力指向地心,六、地球同步卫星,1.周期 T=_,24h,2.轨道平面_,赤道平面,4.R、v、T、an _,3.h=_,36000km,“全部固定”,(如何求?),同步通讯卫星:相对于地面静止的卫星(和地球自转同步、具有相同周期)。,模拟,1、三个宇宙速度:v1=7.9km/s(会推导);v2=11.2 km/s;v3=16.7 km/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,
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