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1、宇宙航行宇宙航行【問題問題】拋出的石頭會落地，為什么拋出的石頭會落地，為什么衛(wèi)星、月亮沒有落下來？衛(wèi)星月亮沒有落衛(wèi)星、月亮沒有落下來？衛(wèi)星月亮沒有落下來必須具備什么條件？下來必須具備什么條件？【問題問題】拋出的石頭會落地，為什么拋出的石頭會落地，為什么衛(wèi)星、月亮沒有落下來？衛(wèi)星月亮沒有落衛(wèi)星、月亮沒有落下來？衛(wèi)星月亮沒有落下來必須具備什么條件？下來必須具備什么條件？拋出的速度拋出的速度v越大時，落越大時，落地點越遠，速度不斷增大，將地點越遠，速度不斷增大，將會出現(xiàn)什么結果？會出現(xiàn)什么結果？ 牛頓的思考與設想：牛頓的思考與設想：牛牛頓頓人人造造衛(wèi)衛(wèi)星星原原理理圖圖地球地球(已知已知G=6.671

2、0-11Nm2/kg2, 地球質量地球質量M=5.891024kg, 地球半徑地球半徑R=6400km) 【探究問題一探究問題一】以多大的速度拋出這個物以多大的速度拋出這個物體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？法一：萬有引力提供物體作圓周運動的向心力法一：萬有引力提供物體作圓周運動的向心力【探究問題一探究問題一】以多大的速度拋出這個物以多大的速度拋出這個物體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？(已知已知G=6.6710-11Nm2/kg2, 地球質量地球質量M=5.891024kg, 地球半徑地球半徑R=6400km

3、) 法一：萬有引力提供物體作圓周運動的向心力法一：萬有引力提供物體作圓周運動的向心力RmvRGMm22 km/s9 . 7 RGMv【探究問題一探究問題一】以多大的速度拋出這個物以多大的速度拋出這個物體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？(已知已知G=6.6710-11Nm2/kg2, 地球質量地球質量M=5.891024kg, 地球半徑地球半徑R=6400km) 法一：萬有引力提供物體作圓周運動的向心力法一：萬有引力提供物體作圓周運動的向心力RmvRGMm22 km/s9 . 7 RGMv【探究問題一探究問題一】以多大的速度拋出這個物以多大的速度拋出這個

4、物體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？(若已知地球表面重力加速度若已知地球表面重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km)(已知已知G=6.6710-11Nm2/kg2, 地球質量地球質量M=5.891024kg, 地球半徑地球半徑R=6400km) 法二：重力提供物體作圓周運動的向心力法二：重力提供物體作圓周運動的向心力法二：重力提供物體作圓周運動的向心力法二：重力提供物體作圓周運動的向心力km/s9.7 m/s104.68.96 gRvRvmmg2 一、宇宙速度一、宇宙速度1. 第一宇宙速度第一宇宙速度 v1=7.9km/s 它是人造衛(wèi)星在地面附

5、近繞地球做勻速它是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速 圓周運動所必須具備的速度圓周運動所必須具備的速度 (1)如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運轉；衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運轉；說說 明：明：(1)如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運轉；衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運轉；(2)等于這個速度，衛(wèi)星剛好能在地球表等于這個速度，衛(wèi)星剛好能在地球表面附近作勻速圓周運動；面附近作勻速圓周運動；說說 明：明：(1)如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能

6、繞地球運轉；衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運轉；(2)等于這個速度，衛(wèi)星剛好能在地球表等于這個速度，衛(wèi)星剛好能在地球表面附近作勻速圓周運動；面附近作勻速圓周運動；(3)如果大于如果大于7.9km/s，而小于，而小于11.2km/s，衛(wèi)星將沿橢圓軌道繞地球運行，地心就成為衛(wèi)星將沿橢圓軌道繞地球運行，地心就成為橢圓軌道的一個焦點橢圓軌道的一個焦點 說說 明：明：v2=11.2 km/s2. 第二宇宙速度（脫離速度）第二宇宙速度（脫離速度）這是衛(wèi)星掙脫地球的引力束縛，成為這是衛(wèi)星掙脫地球的引力束縛，成為繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度v2=11.2 km/s2. 第二

7、宇宙速度第二宇宙速度這是衛(wèi)星掙脫地球的引力束縛，成為這是衛(wèi)星掙脫地球的引力束縛，成為繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度如果人造天體的速度大于如果人造天體的速度大于11.2km/s而而小于小于16.7km/s，則它的運行軌道相對于太，則它的運行軌道相對于太陽將是橢圓，太陽就成為該橢圓軌道的一陽將是橢圓，太陽就成為該橢圓軌道的一個焦點個焦點3. 第三宇宙速度第三宇宙速度v3=16.7km/s3. 第三宇宙速度第三宇宙速度v3=16.7km/s3. 第三宇宙速度第三宇宙速度這是衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小這是衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度發(fā)射速度v3=16.7km

8、/s3. 第三宇宙速度第三宇宙速度這是衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小這是衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度發(fā)射速度如果人造天體具有這樣的速度，就如果人造天體具有這樣的速度，就可以擺脫地球和太陽引力的束縛而飛到可以擺脫地球和太陽引力的束縛而飛到太陽系外了太陽系外了【探究問題二探究問題二】(1)如圖所示，如圖所示，a、b、c三軌道中可以作三軌道中可以作為衛(wèi)星軌道的是哪一條？為衛(wèi)星軌道的是哪一條？abc【探究問題二探究問題二】(1)如圖所示，如圖所示，a、b、c三軌道中可以作三軌道中可以作為衛(wèi)星軌道的是哪一條？為衛(wèi)星軌道的是哪一條？提示：衛(wèi)星作提示：衛(wèi)星作圓周運動的向心力圓周運動的向心力必須指向地心必須

9、指向地心abc【探究問題二探究問題二】(1)如圖所示，如圖所示，a、b、c三軌道中可以作三軌道中可以作為衛(wèi)星軌道的是哪一條？為衛(wèi)星軌道的是哪一條？提示：衛(wèi)星作提示：衛(wèi)星作圓周運動的向心力圓周運動的向心力必須指向地心必須指向地心(2)這三條軌道中哪一條軌道中的衛(wèi)星這三條軌道中哪一條軌道中的衛(wèi)星可能和地球自轉同步？可能和地球自轉同步？abc練習：練習：已知地球的半徑已知地球的半徑是是6400km，地球自轉，地球自轉的周期的周期24h，地球質量，地球質量5.891024kg, 引力常量引力常量G=6.6710-11Nm2/kg2, 若要發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，試求：若要發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，試求：(1

10、)地球同步衛(wèi)星的離地面高度地球同步衛(wèi)星的離地面高度h. (2)地球同步衛(wèi)星的環(huán)繞速度地球同步衛(wèi)星的環(huán)繞速度v.結論：結論： 地球同步衛(wèi)星必須發(fā)射在赤道正上地球同步衛(wèi)星必須發(fā)射在赤道正上方的固定高度，并且以固定的速度環(huán)繞地球做圓方的固定高度，并且以固定的速度環(huán)繞地球做圓周運動。周運動。練習：練習：已知地球的半徑已知地球的半徑是是6400km，地球自轉，地球自轉的周期的周期24h，地球質量，地球質量5.891024kg, 引力常量引力常量G=6.6710-11Nm2/kg2, 若要發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，試求：若要發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，試求：(1)地球同步衛(wèi)星的離地面高度地球同步衛(wèi)星的離地面高度h.

11、 (2)地球同步衛(wèi)星的環(huán)繞速度地球同步衛(wèi)星的環(huán)繞速度v. 二、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運行速度二、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運行速度 發(fā)射速度與運行速度是兩個不同的概念發(fā)射速度與運行速度是兩個不同的概念 二、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運行速度二、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運行速度 發(fā)射速度與運行速度是兩個不同的概念發(fā)射速度與運行速度是兩個不同的概念(1)發(fā)射速度：發(fā)射速度：指被發(fā)射物在地面附近離指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時的初速度，并且一旦發(fā)射后就再開發(fā)射裝置時的初速度，并且一旦發(fā)射后就再無能量補充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克無能量補充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克服地球引力上升一定的高度，進入運動軌道服地

12、球引力上升一定的高度，進入運動軌道 二、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運行速度二、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運行速度 發(fā)射速度與運行速度是兩個不同的概念發(fā)射速度與運行速度是兩個不同的概念(1)發(fā)射速度：發(fā)射速度：指被發(fā)射物在地面附近離指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時的初速度，并且一旦發(fā)射后就再開發(fā)射裝置時的初速度，并且一旦發(fā)射后就再無能量補充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克無能量補充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克服地球引力上升一定的高度，進入運動軌道服地球引力上升一定的高度，進入運動軌道(2)環(huán)繞速度：環(huán)繞速度：是指衛(wèi)星在進入運行軌道后是指衛(wèi)星在進入運行軌道后繞地球做勻速圓周運動的線速度當衛(wèi)星繞地球做勻速圓周

13、運動的線速度當衛(wèi)星“貼貼著著”地面運行時，運行速度等于第一宇宙速度地面運行時，運行速度等于第一宇宙速度. 二、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運行速度二、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運行速度 發(fā)射速度與運行速度是兩個不同的概念發(fā)射速度與運行速度是兩個不同的概念注意注意: 衛(wèi)星的實際環(huán)繞速度一定小于發(fā)射速度衛(wèi)星的實際環(huán)繞速度一定小于發(fā)射速度.(1)發(fā)射速度：發(fā)射速度：指被發(fā)射物在地面附近離指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時的初速度，并且一旦發(fā)射后就再開發(fā)射裝置時的初速度，并且一旦發(fā)射后就再無能量補充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克無能量補充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克服地球引力上升一定的高度，進入運動軌道服地球引力

14、上升一定的高度，進入運動軌道(2)環(huán)繞速度：環(huán)繞速度：是指衛(wèi)星在進入運行軌道后是指衛(wèi)星在進入運行軌道后繞地球做勻速圓周運動的線速度當衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的線速度當衛(wèi)星“貼貼著著”地面運行時，運行速度等于第一宇宙速度地面運行時，運行速度等于第一宇宙速度.(1)將衛(wèi)星送入低軌道和送入高軌道哪將衛(wèi)星送入低軌道和送入高軌道哪一個更容易？為什么？一個更容易？為什么？學生思考學生思考(1)將衛(wèi)星送入低軌道和送入高軌道哪將衛(wèi)星送入低軌道和送入高軌道哪一個更容易？為什么？一個更容易？為什么？(2)所需要的發(fā)射速度，哪一個更大？所需要的發(fā)射速度，哪一個更大？為什么？為什么？學生思考學生思考(3)發(fā)射速度和衛(wèi)

15、星繞地旋轉的速度是發(fā)射速度和衛(wèi)星繞地旋轉的速度是不是同一速度？發(fā)射速度大說明什么？衛(wèi)不是同一速度？發(fā)射速度大說明什么？衛(wèi)星運轉速度大又說明什么？星運轉速度大又說明什么？(1)將衛(wèi)星送入低軌道和送入高軌道哪將衛(wèi)星送入低軌道和送入高軌道哪一個更容易？為什么？一個更容易？為什么？(2)所需要的發(fā)射速度，哪一個更大？所需要的發(fā)射速度，哪一個更大？為什么？為什么？學生思考學生思考第一宇宙速度是最大速度還是最小的速度第一宇宙速度是最大速度還是最小的速度?【探究問題三探究問題三】第一宇宙速度是最大速度還是最小的速度第一宇宙速度是最大速度還是最小的速度?提示：提示：同步衛(wèi)星速度同步衛(wèi)星速度: v=3.1km/

16、sv1=7.9km/s【探究問題三探究問題三】第一宇宙速度是最大速度還是最小的速度第一宇宙速度是最大速度還是最小的速度?提示：提示：同步衛(wèi)星速度同步衛(wèi)星速度: v=3.1km/sv1=7.9km/s第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度, 也也是最大的環(huán)繞速度是最大的環(huán)繞速度結論結論:【探究問題三探究問題三】線速度、角速度、周期、向心加速度線速度、角速度、周期、向心加速度與半徑的關系：與半徑的關系：練習：練習：線速度、角速度、周期、向心加速度線速度、角速度、周期、向心加速度與半徑的關系：與半徑的關系：rGMv 練習：練習：線速度、角速度、周期、向心加速度線速度、角速度、周期、

17、向心加速度與半徑的關系：與半徑的關系：rGMv 3rGM 練習：練習：線速度、角速度、周期、向心加速度線速度、角速度、周期、向心加速度與半徑的關系：與半徑的關系：rGMv 3rGM GMrT32 練習：練習：線速度、角速度、周期、向心加速度線速度、角速度、周期、向心加速度與半徑的關系：與半徑的關系：rGMv 3rGM GMrT32 2rGMa 練習：練習：思考思考對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越）離地面越高，向心力越_（2）離地面越高，線速度越）離地面越高，線速度越_（3）離地面越高，周期越）離地面越高，周期越_（4）離地面越高，角速度越）離地面越

18、高，角速度越_（5）離地面越高，向心加速度越）離地面越高，向心加速度越_思考思考對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越）離地面越高，向心力越_（2）離地面越高，線速度越）離地面越高，線速度越_（3）離地面越高，周期越）離地面越高，周期越_（4）離地面越高，角速度越）離地面越高，角速度越_（5）離地面越高，向心加速度越）離地面越高，向心加速度越_小小思考思考對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越）離地面越高，向心力越_（2）離地面越高，線速度越）離地面越高，線速度越_（3）離地面越高，周期越）離地面越高，周期越_（4

19、）離地面越高，角速度越）離地面越高，角速度越_（5）離地面越高，向心加速度越）離地面越高，向心加速度越_小小小小思考思考對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越）離地面越高，向心力越_（2）離地面越高，線速度越）離地面越高，線速度越_（3）離地面越高，周期越）離地面越高，周期越_（4）離地面越高，角速度越）離地面越高，角速度越_（5）離地面越高，向心加速度越）離地面越高，向心加速度越_小小大大小小小小大大小小小小思考思考對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越）離地面越高，向心力越_（2）離地面越高，線速度越）離地面越

20、高，線速度越_（3）離地面越高，周期越）離地面越高，周期越_（4）離地面越高，角速度越）離地面越高，角速度越_（5）離地面越高，向心加速度越）離地面越高，向心加速度越_小小大大小小小小小小思考思考對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越）離地面越高，向心力越_（2）離地面越高，線速度越）離地面越高，線速度越_（3）離地面越高，周期越）離地面越高，周期越_（4）離地面越高，角速度越）離地面越高，角速度越_（5）離地面越高，向心加速度越）離地面越高，向心加速度越_練習：練習：能否發(fā)射一顆周期為能否發(fā)射一顆周期為80min的人的人造地球衛(wèi)星？造地球衛(wèi)星？一、衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動所需的向一、衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動所需的向 心力由萬有引力提供心力由萬有引力提供: :rTmrmrmvrMmG222224 rTmrmrmvrMmG222224 二、三種宇宙速度：二、三種宇宙速度：一、衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動所需的向一、衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動所需的向 心力由萬有引力提供心力由萬有引力提供: :v1=7.9km/s（會推導）（會推導）v2=11.2 km/s v3=16.7 km/s