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7.4 宇宙航行
第七章 万有引力与宇宙航行
学习目标
基本 要求 1．了解人造地球卫星的最初构想。
2．会分析人造地球卫星的受力和运动情况。
3．知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度。
发展 要求 1．会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。
2．感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。
说明 1．不要求掌握人类进行宇宙航行的有关史实。
2．不要求掌握有关黑洞的知识。
3．不要求掌握气象卫星观测系统的工作原理。
4．不要求计算与引力势能有关的问题。
牛顿的设想
把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星！
——牛顿的设想，《自然哲学的数学原理》
这个速度至少要多大？
建立什么模型分析？哪些是主要因素？哪些是次要因素？
宇宙速度
物体在地球附近绕地球运动时，受到地球的引力作用提供向心力。
即
试一试：已知地球质量为 5.98×10 24 kg，近地卫星在 100 200 km的高度飞行，远小于地球半径（6 400 km），可以近似用地球半径 R 代替卫星到地心的距离 r，计算下这个速度要多少？
宇宙速度
第一宇宙速度：物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度
议一议：
这个速度是所有卫星的最大速度还是最小速度？
要发射卫星，速度要比这个
大还是比这个小？
第一宇宙速度又称最小发射速度，最大环绕速度
还有没有其他发射卫星的速度？
6.4 生活中的圆周运动——航天器中的失重 现象
在地球表面架设一座拱形桥（拱形桥半径等于地球半径R），当汽车速度等于多大时，汽车对拱形桥的压力为0？
此时，汽车对拱形桥的压力为0，如果此时，将拱形桥拆去……
已知，g=9.8N/kg,R=6371km
汽车速度V≈7.9km/s
如果速度大于7.9km/s会怎么样？
小试牛刀
我国的航空航天事业取得了
巨大成就。根据新闻报道2025年
前后，我国将发射了“嫦娥六号”
探月卫星。假设“嫦娥六号”的
质量为m，它将绕月球做匀速圆周
运动时距月球表面的距离为h。已
知引力常量G、月球质量M、月球半径R。求：求月球的第一宇宙速度v。
宇宙速度
第二宇宙速度：11.2km/s
当物体（航天器）飞行速度达到11.2km/s时，就可以摆脱地球引力的束缚，飞离地球进入环绕太阳运行的轨道，不再绕地球运行。这个脱离地球引力的最小速度就是第二宇宙速度
第二宇宙速度：16.7 km/s
从地球起飞的航天器飞行速度达到16.7 km/s时，无需后续加速就可以摆脱太阳引力的束缚，脱离太阳系进入更广袤的宇宙空间。这个从地球起飞脱离太阳系的最低飞行初速度就是第三宇宙速度。
小试牛刀
如图是关于地球表面发射卫星时的三种宇宙速度的示意图，椭圆轨道为某卫星的运动轨道，下列说法正确的是( )
A. 此卫星的发射速度大于第一宇宙速
度
B. 此卫星在远地点的速度大于第一宇
宙速度
C. 若想让卫星进入月球轨道，发射速
度需大于第二宇宙速度
D. 若想让卫星进入太阳轨道，发射速
度需大于第三宇宙速度
A
三个宇宙速度
SpaceX星链计划
仰望星空，有时候看到的一闪一闪的不一定是星星，而是卫星……
人造卫星
1957年10月4日
世界上第一颗人造地球卫星发射成功
1970年4月24日
我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”
发射成功
人造地球卫星
A
B
C
D
议一议：卫星绕地球做匀速圆周可以有哪些轨道？为什么？
依据：卫星做圆周运动的向心力必须指向地心
卫星运动轨道特点： 卫星轨道平面一定经过地球中心，卫星围绕地球的中
心做匀速圆
周运动。
不同轨道的卫星运动规律有何特点？
可见：v、ω、T 与 r 为 一 一对应关系
高轨道上运行的卫星，线速度小、角速度小，周期长。
议一议：卫星运动的线速度、角速度和周期与轨道半径的关系？ 如何建立模型分析？
飞的越高，飞的越慢
有没有一颗卫星转动一圈的时间与地球自转时间相同？
小试牛刀
2021年8月19日，金、木、水、火、土五颗行
星同现天空，但它们并没有真正地连成一条
线，只是都运行到了地日连线的同一侧．若
某时刻，五颗行星在一条直线上，它们绕太
阳的公转可视为匀速圆周运动，位置关系如
图所示，下列说法正确的是（ ）
由于金、木、水、火、土五颗行星在一条直线上，
则运行周期一定相等
B. 地球的向心加速度小于火星的向心加速度
C. 水星的线速度最大，土星的线速度最小
D. 水星的角速度最小，土星的角速度最大
C
同步卫星
地球同步卫星是指相对于地心静止的人造卫星，它在轨道上跟着地球自转，同步地做匀速圆周运动，它的周期为24h
试一试：
同步卫星轨道有何特点？
要发射一颗同步卫星，需要定点到什么高度？
已知：
地球质量M=5.98×10 kg，
地球半径R=6.40×106m
所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上 ，即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫星离地面高度为定值，离地高度约为3.6×107m。
小试牛刀
假如宇航员乘坐宇宙飞船到达某行星，在该行星“北极”距地面h处由静止释放一个小球(引力视为恒力，阻力可忽略
)，经过时间t落到地面．已知该行星半径为R，自转周期为
T，引力常量为G，如果该行星有一颗同步卫星，其距行星表面的高度H为多少．
载人航天与太空探索
自研教材：【载人航天与太空探索】
课堂小结
一、宇宙速度
第一宇宙速度：7.9km/s（最小发射速度，最大环绕速度）
第二宇宙速度：11.2km/s
第三宇宙速度：16.7km/s
二、人造地球卫星
人造地球卫星
同步卫星
三、载人航天与太空探索

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