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(共20张PPT)
7.4 宇宙航行
课前思考
牛顿曾设想：再地球某高山顶上平抛石子，当速度较小时，石子落得较近
当速度较大时，石子落得较远
当速度更大一些时，石子落得更远……
当速度足够大时候，石子就不会落到地球表面上
而是绕着地球做圆周运动或者椭圆运动，成为人造卫星
那么，这个速度到底有多大呢？
1. 第一宇宙速度
第一宇宙速度
物体在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度较第一宇宙速度
由万有引力提供向心力可以求出
，即
由于卫星在地面附近飞行，可以认为
将数据带入其中，可以得到
此即第一宇宙速度
环绕速度探讨
卫星绕地球做匀速圆周运动的速度常叫环绕速度。
由可见，轨道半径r越大，则v越小
即较高轨道上运行的线速度比较低轨道上运行的线速度要小
换句话说，第一宇宙速度就是环绕地球做匀速圆周运动的最大速度
也是发射一颗人造卫星所需要的最小速度
2. 第二、三宇宙速度
第二、三宇宙速度
当飞行器的速度大于11.2km/s时候，它就会克服地球的引力而离开地球，并飞向其他行星，或绕太阳飞行。
11.2km/s即第二宇宙速度
当飞行器的速度大于16.7km/s时候，它就会挣脱太阳引力的束缚，飞出太阳系。
16.7km/s即第三宇宙速度。
注意，第一、二、三宇宙速度都是以地球为参考系得到的。
3.同步卫星与静止卫星
同步卫星与静止卫星
卫星高度适当时，其运转周期恰好与地球自转周期相同，这种卫星叫地球同步卫星，其周期近似于T=24h
而在赤道上空的同步卫星，恰好能够与地面保持相对静止，这种卫星被称作静止卫星。
利用万有引力提供向心力的思路，可以求出同步卫星到地面的高度为
h=36000km（请大家自主计算）
思考：地球上空只需要几颗同步卫星，则五大洲的居民就能同时收看到同一个电视台发射的信号？
概念辨析
长期以来，同步卫星和静止卫星一直在高中物理中被看做是一回事儿。但这两者实际上是有本质的区别的。2019的人教版物理必修二起初也是把二者混为一谈，但重新印刷时候修改了关于同步卫星和静止卫星的描述——静止卫星特指轨道在赤道上空的同步卫星，又叫“同步静止卫星”，但同步卫星不一定是静止卫星，只要周期是恒星日即可。
二者的区别可以归结为：
第一，轨道是否与赤道有夹角。同步卫星的轨道可以和赤道有夹角，而静止卫星的轨道则与赤道平行，二者在同一个平面上。在航天学上，一般将与赤道有夹角的轨道称之为IGSO，即Inclined GeoSynchronous Orbit，而静止轨道则称之为GEO，即Geostationary Orbit. 此外，还有一类太阳同步轨道，Sun-Synchronous orbit，简称为SSO.
第二，静止卫星相对于地面上正下方的点是静止的，而同步卫星轨道与地面有夹角，自然也不是相对静止的了。换而言之，每天同一时刻，同步卫星或许会经过不同的地方的上空。当然，静止卫星也并非严格地与赤道倾角为0，只要在误差允许范围内即可看做静止轨道卫星。
第三，星下点是地球中心与卫星的连线在地球表面上的交点，用地理经、纬度表示。卫星正下方的地面点称为星下点。静止卫星和同步卫星的星下点是明显不同的。静止卫星的星下点的集合不过就是赤道而已，而同步卫星的星下点则有些类似8字形。
北斗卫星中的静止卫星与同步卫星
我国的北斗卫星系统不仅有IGSO卫星，也有GEO卫星以及其他的卫星；而风云系列卫星则主要是GEO卫星以及一些SSO卫星。
可以通过它们的名字的编号来判断卫星的类型。
例如北斗二号-M1是地球中轨道卫星，北斗二号G1属于地球静止轨道卫星，而北斗二号-G2则是亚地球同步轨道（已经于2022年1月被遗弃到墓地轨道）。
4. 宇宙航行
千年一梦
“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮中。
”这是“现代航天之父” 齐奥尔科夫斯基(Tsiolkovsky，1857—1935)的名言。
从嫦娥奔月的远古神话，到万户飞天的尝试，人类一直梦想着在太空翱翔。
基于牛顿力学的理论与实践，人类向太空迈出了探索的步伐。
未完成的叙事诗
1957年10月4日，苏联发射了第一颗人造地球卫星标志着人类进人了航天时代，展开了对太空的探索
1961年4月12日，世界第一艘载人宇宙飞船“东方1号”载着苏联宇航员加加林环绕地球一圈，第一次实现了人类遨游太空的梦想
1969年7月20日，美国“阿波罗11号”宇宙飞船将两名宇航员送上了月球，实现人类第一次登月，阿姆斯特朗(N.Armstrong，1930-2012)说出了那句载人史册的名言:“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃.”
1971年4月9日，苏联发射了“礼炮1号”空间站两年后，美国将“天空实验室”空间站送人太空，并在空间站中进行了人类无法在地面上进行的各种科学实验，为人类对近地空间的开发开辟了广阔的前景
1990年4月24日，哈勃空间望远镜升空，人类有了性能卓越的空间天文台
自20世纪60年代起，人类就开启了探索火星的征程。火星探测充满坎坷，早期发射的探测器都无法完成它们的使命.直到1976年“维京1号”探测器成功着陆火星并发回照片数据，人类正式开始对火星的探测.此后一系列火星探测器陆续登陆火星，开展各项科学考察任务.
航天事业是国家综合国力的体现，考验着一个国家全方位的科学技术水平.1970 年 4 月 24 日，经过中国航天人的攻坚克难，我国第一颗人造卫星--“东方红一号”发射成功，成为全世界第五个发射人造卫星的国家。中国的航天时代由此开启.每年4月24日由此被设立为“中国航天日”.
筚路蓝缕
为打破西方国家对太空的称霸主导，20世纪 90年代，我国“载人航天工程”确立了“三步走”的发展战略
第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验。2003年10月15日，中国“神舟五号”飞船成功发射，把我国第一位宇航员杨利伟送人太空这是中国首次载人航天飞行，中国成为第三个依靠自己的力量将宇航员送上太空的国家.
第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。2016年9月15日，“天宫二号”空间实验室发射成功，我国拥有了第一个真正意义上的空间实验室2017年4月22 日，“天舟一号”货运飞船与“天宫二号”空间实验室完成首次推进剂在轨补加，正式宣告中国航天事业迈进“空间站”时代
第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。2021年“天和”核心船的成功发射与人轨，标志着我国空间站建造进入全面实施阶段.
“探月工程”也是我国另一个重要的航天工程，于2004 年正式立项，共规划为“绕”“落”“回”三期.
从奔月到探月，从无人飞行到载人飞行，从舱内实验到太空行走，从空间实验到空间应用，中国正一步一个脚印实现自己的航天梦.
无尽的探索之路
人类探索宇宙的过程，既有成功也有失败，无数科学家和探索者的艰辛和汗水铺就了人类通向宇宙的道路科学的探索永无止境，如今，人类仍在向宇宙深处不断进发，无数宇宙的奥秘正等待我们去揭开，我国航天事业的发展需要大家的知慧和力量。
5. 小结与练习
小结
请说出第一、二、三宇宙速度的数值以及其物理意义。
请收集我国航天事业发展的历程，并在习题课上交流。
练习1
在北斗卫星导航系统中,北斗 - G6 卫星在赤道上方约 3.59×104 km 处的圆形轨道上运行,恰好相对于地球表面静止不动,是一颗“地球同步卫星”。分析说明该卫星为什么是“静止不动”的。
练习2
阅读材料：
“神舟五号”是我国第一艘载人飞船,总长 9.2 m,总质量 7.79×103 kg,装有 52台发动机,能精确调整飞船的飞行姿态和运行轨道。其返回舱直径 2.5 m,容积约为 6 m3。“神舟五号”飞船在太空中在轨运行了 14 圈,历时 21 h 23 min,经受了 180 °C的温差考验,最终“神舟五号”的返回舱安全返回地面。
已知地球半径为 6.37×106 m,请根据以上信息,计算“神舟五号”在轨运行时距地面的高度,以及飞船运行时的速度大小。

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