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4 宇宙航行
第七章 万有引力定律与宇宙航行
导入新课
问题：抛出的石头会落地，为什么卫星、月亮没有落下来？
卫星的速度很大
交流讨论
一、宇宙速度
问题1：假想人站在山顶，平抛出一个物体，速度越大，物体飞的越远，若物体速度非常大可能会有什么情况？
当物体被抛出的速度足够大时，它将围绕地球旋转而不再落回地面，成为一颗人造地球卫星。
一、宇宙速度
牛顿设想：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。
一、宇宙速度
问题2：已知引力常量G和地球的质量为M，地球的半径为R，若要实现牛顿的设想，抛出物体的速度至少为多大
提示：一般情况下可认为人造卫星绕地球做匀速圆周运动，其向心力由地球对它的万有引力提供
一、宇宙速度
问题4：如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度g，如何求卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？
问题3：已知地球半径R=6400km，地球质量M=6.0×1024kg，卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？
r=R
第一宇宙速度
一、宇宙速度
问题5：发射更高更远的卫星所需的发射速度越大还是越小？为什么？
当卫星的轨道半径越大时，卫星绕地球旋转时的速度越小，但卫星发射时越难，送入轨道需要消耗的能量越多，发射的速度必须越大。
v大于或等于11.2km/h脱离地球
第二宇宙速度
第三宇宙速度
v大于或等于16.7km/h脱离太阳
问题6：当发射速度继续增大到11.2km/h、16.7km/h时，会怎样？
梳理深化
一、宇宙速度
1.第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的最小发射速度，也是近地卫星的环绕速度。
2.第一宇宙速度的计算方法：r =R
方法一：
方法二：
一、宇宙速度
3.第二宇宙速度：当发射速度继续增大，地球引力将不足以为其做圆周运动提供向心力，物体将会脱离地球引力，离开地球。这个速度为v=11.2km/s，叫做第二宇宙速度。如果发射速度大于第一宇宙速度，而小于第二宇宙速度，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。
一、宇宙速度
4.第三宇宙速度：物体脱离地球引力的束缚后，还会受到太阳引力的束缚。若抛出的速度足够大，物体还将脱离太阳引力的束缚，飞向太阳系之外的宇宙空间。这个速度v=16.7km/s，叫做第三宇宙速度。
巩固提升
一、宇宙速度
例1 已知地球质量约为月球质量的81倍，地球半径约为月球半径的4倍，在地球上发射近地卫星的环绕速度为7.9 km/s。那么月球的第一宇宙速度？
解析:在月球表面附近由万有引力提供向心力，则
解得速度
所以
解得 v月 =1.75km/s
练习1.(多选)为了探测火星，向火星发射轨道探测器和火星巡视器。已知火星的质量约为地球质量的 ，火星的半径约为地球半径的 。下列说法中正确的是(　　)
A.火星探测器的发射速度应大于第一宇宙速度且小于第二宇宙速度
B.火星探测器的发射速度应大于第二宇宙速度且小于第三宇宙速度
C.火星表面与地球表面的重力加速度之比为4∶9
D.火星探测器环绕火星运行的最大速度约为地球的第一宇宙速度的
倍
一、宇宙速度
BC
交流讨论
二、人造地球卫星
1.人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的动力学原理是什么？
（1）赤道轨道：卫星轨道在赤道所在平面上，卫星始终处于赤道上方；
（2）极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星经过两极上空；
（3）一般轨道：卫星轨道和赤道成一定角度，如图所示。
2.人造卫星的轨道根据轨道可以如何划分？
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，人造卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供。
3.人造卫星绕地球做匀速圆周运动时运行的快慢与什么因素有关？
结论：轨道半径越小，线速度、角速度越大、周期越小
二、人造地球卫星
二、人造地球卫星
近地卫星的线速度最大，角速度最大，周期最小。
4.近地卫星的环绕速度和周期是多大？
r=R
二、人造地球卫星
5.地球同步卫星需满足什么条件？
得：轨道半径相等，高度相等，角速度相等。
T=24h，等于地球自转的角速度，所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合。
相对地面静止的卫星，又叫静止卫星。
梳理深化
1.人造地球卫星做匀速圆周的规律：
二、人造地球卫星
2.同步卫星的特点：
二、人造地球卫星
①确定的转动方向：和地球自转方向一致．
②确定的周期：和地球自转周期相同，即T＝24 h.
③确定的角速度：等于地球自转的角速度．
④确定的轨道平面：所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合．
⑤确定的高度：离地面高度固定不变(h=6R=3.6×104 km)．
⑥确定的环绕速率：线速度大小一定(3.1×103 m/s)．
巩固提升
例2、(多选)如图所示，赤道上随地球自转的物体A、赤道上空的近地卫星B、地球同步卫星C，它们的运动都可视为匀速圆周运动，比较三个物体的运动情况，以下判断正确的是( 　　)
A.三者的周期关系为TA＜TB＜TC
B.三者向心加速度大小关系为aA＞aB＞ aC
C.三者角速度的大小关系为ωA=ωC＜ ωB
D.三者线速度的大小关系为vA＜vC＜vB
二、人造地球卫星
CD
练习2：我国高分系列卫星的高分辨对地观察能力不断提高。“高分五号”轨道高度约为705 km，而“高分四号”轨道高度约为36 000 km，它们都绕地球做圆周运动。与高分四号相比，下列物理量中“高分五号”较小的是(　　)
A.周期　 B.角速度
C.线速度 D.向心加速度
A
二、人造地球卫星
交流讨论
三、载人航天与太空探索
(1)万有引力定律的发现为人类开辟了上天的理论之路。
(2)1961年4月12日，苏联航天员加加林绕地球飞行一周，并安全返回。(3)1969年7月16日，阿姆斯特朗实现人类登月。
(4)2003年10月15日，杨利伟绕地飞行14圈并安全返回。截止2017年底我国已经将11名宇航员送入太空。
(5)我国相继发射了天宫一号、二号空间站，并完成多次交会对接。
1.阅读课本，简述人类航天的历史？
巩固提升
例3. 举世瞩目的“神舟”七号航天飞船的成功发射和顺利返回，显示了我国航天事业取得的巨大成就.已知地球的质量为M，引力常量为G，设飞船绕地球做匀速圆周运动的轨道半径为r，则飞船在圆轨道上运行的速率为( )　
A. B. C. D.
解析：
A
三、载人航天与太空探索
练习3. 北斗卫星导航系统(BDS)，是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统。如图所示是北斗导航系统中部分卫星的轨道示意图，已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动，a是地球同步卫星，a和b的轨道半径相同，且均为c的k倍，已知地球自转周期为T。则(　　)
A.卫星b也是地球同步卫星
B.卫星a的向心加速度是卫星c的向心加速度的k2倍
C.卫星c的周期为
D.a、b、c三颗卫星的运行速度大小关系为
C
三、载人航天与太空探索
课堂小结
运行规律
第二宇宙速度
计算
第一宇宙速度
定义
推广
近地卫星
同步卫星
第三宇宙速度
宇宙航行
宇宙速度
人造卫星
载人航天与宇宙探索
谢谢观看，
你学到了什么？

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