7.5 宇宙航行
知道了行星的运动规律，学习了万有引力定律
为什么宇宙飞船能登上月球？
我们将要讨论的问题：
为什么飞船能像月亮那样围绕地球旋转？
飞船在什么条件下能挣脱地球的束缚？
时至今日，数千颗人造卫星正在按照万有引力定律为它们“设定”的轨道绕地球运转着。牛顿发现的万有引力定律取得了如此辉煌的成就，以至于阿波罗8号从月球返航的途中，当地面控制中心问及“是谁在驾驶”的时候，指令长这样回答：“我想现在是牛顿在驾驶。”
一、牛顿的设想
牛顿就曾设想, 从高山上用不同的水平速度抛出物体,速度一次比一次大,则落点一次比一次远,如不计空气的阻力,当速度足够大时, 物体就永远不会落到地面上来,而围绕地球旋转,成为一颗人造地球卫星了。
1、牛顿对人造卫星原理的描绘:
一、牛顿的设想
1、牛顿对人造卫星原理的描绘
2、人造卫星绕地球运行的动力学原因。
人造卫星在绕地球运行时，只受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。
3、人造卫星的运行速度。
设地球质量为M，卫星质量为m，轨道半径为r，由于万有引力提供向心力，则
高轨道上运行的卫星，线速度小、角速度小，周期长。
讨论
线速度、角速度和周期与轨道半径的关系呢？
二、宇宙速度
讨论
高轨道上运行的卫星速度小，是否发射也容易呢？
这就需要看卫星的发射速度，而不是运行速度。
分析
当在地面附近绕地球运行，轨道半径r即为地球半径R
二、宇宙速度
1、第一宇宙速度
地球半径R=6400km，地球质量M=5.98×1024kg
卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度——第一宇宙速度 。
最小的发射速度 ， 最大的环绕速度。（半径最小）
要发射一颗半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于7.9km/s 。但所有卫星的环绕速度（在轨道上的速度）都必须小于7.9Km/s。所以第一宇宙速度是：
计算
二、宇宙速度
1、第一宇宙速度
计算
人造卫星在地球表面做圆周运动的周期T.
=84.6min
最小周期
问题：能否发射一颗周期为８０分钟的人造卫星？
二、宇宙速度
2、第二宇宙速度
大小：v=11.2km/s
意义：以这个速度发射，物体刚好能克服地球的引力作用，永远的离开地球而绕太阳运动。也叫脱离速度。
注意：发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹不是圆，而是椭圆；等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。
二、宇宙速度
3、第三宇宙速度
大小：v=16.7km/s
意义：以这个速度发射，物体刚好能摆脱太阳引力的束缚而飞到太阳系以外，也叫逃逸速度。
注意：发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。
三、梦想成真
1957年10月，原苏联发射第一颗人造地球卫星
卫星重83.6kg，每96min绕地球飞行一圈
请同学们根据所学知识计算这颗卫星的轨道半径是多少？卫星距地面的高度是多少？卫星的线速度是多少？
世界航天
三、梦想成真
几年之后，1961年4月12日苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。实现了人类第一次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。
火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108分，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。
世界航天
三、梦想成真
1969年7月20日，阿波罗11号将人类送上了月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他在月球上迈出了一小步，确是人类迈出的一大步。
世界航天
三、梦想成真
航天飞机资料：可重复使用的用运载火箭发射的飞行器，用于进入地球轨道，在地球与轨道航天器之间运送人员和物资，并滑翔降落于地面。
1984年4月12日，第一架航天飞机哥伦比亚号发射成功。
世界航天
2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在重返地面的过程中突然发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航员，包括六名美国人及一名以色列人全部遇难。
三、梦想成真
无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙的道路。
世界航天
“哈勃”太空望远镜
哈勃望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元，于1990年4月25日由美国航天飞机送上高590千米的太空轨道。
哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜。它上面的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，其观测能力等于从华盛顿看到1.6万千米外悉尼的一只萤火虫。
三、梦想成真
世界航天
1975年，返回式遥感卫星，中国第一颗返回式卫星，用于对地观测，运行三天后按计划返回地面；中国是第三个掌握卫星回收技术的国家。
1970年， “东方红”1号，中国第一颗人造卫星。中国是第五个能自行发射卫星的国家。
三、梦想成真
中国航天
中国首颗气象卫星；中国是第三个独立研制并发射太阳同步轨道卫星的国家。
三、梦想成真
中国航天
1984年，试验通信卫星：“东方红”2号，标志着中国是世界上第5个能发射地球静止轨道卫星的国家。
三、梦想成真
中国航天
三、梦想成真
中国航天
地球同步卫星：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星，又叫通讯卫星。
三、梦想成真
同步卫星
中国航天
同步卫星有以下几个特点：
1、同步卫星的运行方向与地球自转方向一致。
2、同步卫星的运转周期与地球自转周期相同。T=24h
3、同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度。(ω=ω0)
4、同步卫星的轨道平面均在赤道平面上，即所有的同步卫星都在赤道的正上方。（不可能定点在我国某地上空，为什么？ ）
要与地球同步，卫星的轨道平面必须与赤道平面平行，又由于向心力是万有引力提供的，卫星轨道的圆心必须是地心。
三、梦想成真
同步卫星
中国航天
同步卫星有以下几个特点：
5、同步卫星高度固定不变
解得高度 ：ｈ＝
线速度：
角速度：
三、梦想成真
中国航天
同步卫星有以下几个特点：
三颗同步卫星作为通讯卫星，则可覆盖全球。（两级有部分盲区）
飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场．这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础．
三、梦想成真
中国航天
1992年，中国载人航天工程正式启动．
2003年10月15日9时，我国“神舟”五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送人太空．
伴随着“神舟’五号的发射成功，中国已正式启动“嫦娥工程”，开始了宇宙探索的新征程．
三、梦想成真
中国航天
三、梦想成真
中国航天
嫦 娥 工 程
三、梦想成真
中国航天
世界航天
尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕……
宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？ ……
爱因斯坦曾经说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”。
你想加入破解它的行列吗？
1、宇宙速度
第一宇宙速度7.9km/s，第二宇宙速度11.2km/s，第三宇宙速度16.7km/s。
第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是在轨道上运行的最大速度.
2、人造地球卫星
4 、同步卫星
定点在赤道上空，周期T、高度h、线速度v一定。T=24h ， h=36000km ， v=3.1km/s
3 、梦想成真
（1）世界的成就
（2）中国的成就
小结：
本节课我们学习了：
巩固练习：对于绕地球运动的人造卫星：
（1）离地面越高，向心力越
（2）离地面越高，线速度越
（3）离地面越高，周期越
（4）离地面越高，角速度越
（5）离地面越高，向心加速度越
小
大
小
小
小
7．5宇宙航行 问题与练习参考解答：

1．解：“神”5号绕地球运动的向心力由其受到的地球万有引力提供。
得
其中周期T=[24×60－（2×60＋37）]/14min=91.64min，则：
=6.7×106m
其距地面的高度为
h= r-R=6.7×106－6.4×106=3×105=300km
已知: “神”5号绕地球运行时其距地面的高度为343km。根据牛顿第二定律有：
在地面附近有：
又r =R+h
得：
=
=
=5436 s=90.6 min
2．解：绕地球表面匀速圆周运动的人造卫星需要的向心力，由地球对卫星的万有引力提供，即：
得：
在地面附近有：
得：
联立得：
3．解：（1）设金星质量为M1、半径为R1、金星表面自由落体加速度为g1，在金星表面：
设地球质量为M2、半径为R2、地球表面自由落体加速度为g2，在地球表面：
由以上两式得：

得：
（2）
得：
=7.3 km/s
各种各样的卫星……
各种各样的卫星……
返回
F1
F2
F3
赤道平面
北
南
东
西
地球同步卫星
西昌卫星发射中心
酒泉卫星发射基地
太原卫星发射中心
问题与探究：
1.收集资料，认识
地球同步卫星的发射、变轨和应用。
2.查阅资料，了解
黑洞理论。
谢谢