宇宙航行上课PPTPPT资料.ppt

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牛顿人造卫星原理牛顿人造卫星原理图图一、牛顿关于卫星的设想南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰思考？

思考？

1.1.以多大的速度以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运将物体抛出，它才会成为绕地球表面运动的卫星动的卫星?

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：

代入数据得：

推导方法二：

地表附近，地表附近，重力近似等于万有引力重力近似等于万有引力人们把人们把7.9km/s这个速度称作这个速度称作第一宇宙速度第一宇宙速度,又叫环绕速度。

又叫环绕速度。

如果发射速度如小于第一宇宙速度如果发射速度如小于第一宇宙速度,卫星将卫星将落到地面落到地面;

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。

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、宇宙速度南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰问题问题:

若卫星的发射速度大于若卫星的发射速度大于7.9km/s，会怎样呢？

，会怎样呢？

第二宇宙速度第二宇宙速度:

物体克服地球引力物体克服地球引力,永远脱离地球的速度永远脱离地球的速度.（脱离速度）（脱离速度）第三宇宙速度第三宇宙速度:

物体挣脱太阳引力物体挣脱太阳引力,飞出太阳系的速度飞出太阳系的速度.（逃逸速度逃逸速度）V=16.7km/sV=11.2km/s11.2km/sV7.9km/sV=7.9km/s绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭圆，发射速度越大，椭圆轨道越圆，发射速度越大，椭圆轨道越“扁扁”。

第第一一宇宇宙宙速速度度:

物物体体在在地地表表附附近近绕绕地地球球做做匀匀速速圆圆周周运运动动的的速速度度.（环绕速度）（环绕速度）二、宇宙速度南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰11、当发射速度为、当发射速度为7.9km/s,7.9km/s,物体恰好环绕地球表面做圆周运动；

物体恰好环绕地球表面做圆周运动；

22、当发射速度大于、当发射速度大于7.9km/s7.9km/s时：

时：

7.9km/s7.9km/sV11.2km/s,11.2km/s,但环绕速度但环绕速度7.9km/s7.9km/s物体仍绕地球运行，但轨迹是椭圆；

物体仍绕地球运行，但轨迹是椭圆；

11.2km/s11.2km/sV16.7km/s16.7km/s物体物体脱离太阳的吸引，而成为自由天体。

脱离太阳的吸引，而成为自由天体。

二、宇宙速度南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰表征人造卫星运行状态的物理量有三个表征人造卫星运行状态的物理量有三个:

环绕速度环绕速度v,转动半径转动半径r（或或R+h,h为离地的高度为离地的高度）转动周期转动周期T.将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动，则，则卫星卫星环绕速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系：

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人造地球卫星运行的规律南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰结论：

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。

所所以以，第第一一宇宇宙宙速速度度是是发发射射卫卫星星的的最最小小发发射射速速度度，也也是是卫卫星星绕绕地地球球做做圆圆周周运运动动的最大的最大运行速度运行速度。

（补充）：

卫星发射速度和卫星运行速度的区别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人造地球卫星运行的规律南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰发射速度：

发射速度：

卫星在地面附近离开发射装置的初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、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；

进入运动轨道；

运行速度运行速度：

卫星在进入运行轨道后绕地球做圆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。

的最大速度。

三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰问题：

问题：

将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度哪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？

一个更大？

向向高高轨轨道道发发射射卫卫星星时时,需需要要的的初初速速度度越越大大，火火箭箭克克服服地地球球对对卫卫星星的的引引力力而而作作更更多多的的功功,对对火火箭箭的要求更高一些的要求更高一些,所以比较困难所以比较困难.三、人造地球卫星运行的规律人造地球卫星运行的规律轨道半径r大轨道半径r小南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰四、课堂练习课堂练习例例题题:

我我国国发发射射的的第第一一颗颗探探月月卫卫星星“嫦嫦娥娥一一号号”的的轨轨道道半半径径是是圆圆形形的的，且且贴贴近近月月球球表表面面。

已已知知月月球球质质量量约约为为地地球球质质量量的的1/801/80，月月球球的的半半径径约约为为地地球球半半径径的的1/41/4，地地球球上上的的第第一一宇宇宙宙速速度度约约为为7.9km/s7.9km/s，求求“嫦嫦娥娥一一号号”探探月月卫卫星绕月球运行的速率？

星绕月球运行的速率？

南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰人类探索太空的过程人类探索太空的过程1961年，苏联宇航员尤里尤里加加林加加林，完成人类历人类历史上第一次宇宙飞行史上第一次宇宙飞行，人类飞天梦想终于变成现实。

1963年，瓦莲蒂娜瓦莲蒂娜捷列什科娃捷列什科娃，人类第一位进入太空的女性人类第一位进入太空的女性。

1969年7月20日，美国宇航员尼尼尔尔阿阿姆姆斯斯特特朗朗、迈迈克克尔尔柯柯林林斯斯、巴巴兹兹奥奥尔尔德德林林（上图从左至右），成功登月成功登月。

左图为月球上的奥尔德林，头盔中人影为阿姆斯特朗。

19841984年年，美美国国宇宇航航员员布布鲁鲁斯斯麦麦坎坎德德利利斯斯离离开开航航天天飞飞机机320320英英尺尺，完完成成人人类类首首次次无无安安全全索索太太空空行行走。

走。

20012001年，年，第一位太空游客美国人美国人蒂托（中中），进入国际空间站，开始太空观，进入国际空间站，开始太空观光。

光。

南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰阿波罗阿波罗1111号宇航员在月球上的视频号宇航员在月球上的视频点点击击图图片片即即播播放放南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰我国载人航天回顾我国载人航天回顾杨利伟在太空展示中国和联合国国旗杨利伟在太空展示中国和联合国国旗我国首位航天员我国首位航天员杨利伟杨利伟20032003年年“神舟神舟”五号五号中国人中国人“飞天飞天”梦圆梦圆费费俊俊龙龙在在做做身身体体检检查查美味佳肴飘进来美味佳肴飘进来成功返航成功返航奉奉命命出出征征20052005年年“神舟神舟”六号六号首次首次“多人多天多人多天”空间飞行空间飞行20082008年年“神舟神舟”七号七号首次太空行走首次太空行走南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰1、三个宇宙速度三个宇宙速度：

v1=7.9km/s（会推导会推导）；

v2=11.2km/s；

v3=16.7km/s22、研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法研究天体运动，包括人造卫星的运动基本方法：

把把天天体体或或人人造造卫卫星星的的运运动动看看作作匀匀速速圆圆周周运运动动，且且万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，万有引力全部提供天体或人造卫星的向心力，（v为线速度为线速度、为角速度为角速度、T为周期为周期、n为转速为转速）五、课堂小结课堂小结南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰布置作业布置作业1.阅阅读读教教材材后后边边“科科学学漫漫步步”和和“STSSTS”的的材材料；

料；

2.2.请请你你推推导导计计算算地地球球同同步步卫卫星星的的运运行行高高度度、线速度和角速度。

线速度和角速度。

你能想象出双星的模型吗？

你你对对黑黑洞洞的的了了解解有有多多少少？

你你是是怎怎么么认认为为的？

的？

人人造造卫卫星星在在地地面面发发射射时时应应朝朝哪哪个个方方向向发发射？

射？

同步卫星为什么要定点在赤道上方？

至少几颗同步卫星才能覆盖全球？

南京师范大学物科院南京师范大学物科院杨绍兰杨绍兰谢谢！

谢谢！

请各位批评指正！