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第4节 宇宙航行
第7章
2
认识经典力学的局限性和适用范围，了解相对论、量子力学和经典力学的关系
1
知道三个宇宙速度的含义及其大小，学会用两种方法推导第一宇宙速度
目 录
CONTENTS
三个宇宙速度
01
人造地球卫星
02
牛顿的设想
从高山上水平抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远，速度如果足够大，物体就不会再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星。
你知道这个最大速度是多少吗？
01
三个宇宙速度
G
Mm
r
2
=m
v
2
r
v=
GM
r
建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动
基本思路：卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供。
v=7.9km/s
物体抛出的速度要多大，才能成为人造卫星？
导学探究
(1)当抛出速度较小时，物体做什么运动？当物体刚好不落回地面时，物体做什么运动？当抛出速度非常大时，物体还能落回地球吗？
当抛出速度较小时，物体做平抛运动.当物体刚好不落回地面时，物体做匀速圆周运动.当抛出速度非常大时，物体不能落回地球.
物体抛出的速度要多大，才能成为人造卫星？
导学探究
(2)已知地球的质量为m地，地球半径为R ，引力常量为G，当物体刚好不落回地面时，其速度大小为多少？
根据引力等于向心力
????????地????????2=????????2?????
得????=????????地????
?
物体抛出的速度要多大，才能成为人造卫星？
导学探究
(3)已知地球半径R＝6 400 km，地球表面的重力加速度g＝10 m/s2，则物体紧贴地球表面做圆周运动的速度多大？
物体紧贴地球表面做圆周运动,????≈????
重力等于向心力，即????????=????????2?????
得????=????????=8km/s
?
R
1.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
（最小发射速度）
2.第二宇宙速度
（脱离速度）
当物体 时，物体就会克服地球的引力，永远的离 开地球，所以 为第二宇宙速度。
3.第三宇宙速度
（逃逸速度）
要使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度 ，这个速度叫做第三宇宙速度
V1=7.9km/s
地球
11.2km/s>v>7.9km/s
V2=11.2km/s
V3=16.7km/s
人造地球卫星
1.第一宇宙速度
2.第二宇宙速度　　
3.第三宇宙速度
(最小的发射速度)
思考与讨论
以下太空探索实践中需要的发射速度是多少？
“嫦娥”奔月　　　 天问探火 无人外太阳系空间探测器
“嫦娥”奔月中卫星的发射速度应该大于第一宇宙速度小于第二宇宙速度。
“天问一号”的发射速度应该大于第二宇宙速度小于第三宇宙速度。
无人外太阳系空间探测器的发射速度应该大于第三宇宙速度。
1.(多选)下列关于三个宇宙速度的说法中正确的是
A.第一宇宙速度v1＝7.9 km/s，第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，则人造卫星
绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1、小于v2
B.美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度
C.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太
阳运行的人造行星的最小发射速度
D.第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度
√
√
2.已知月球质量与地球质量之比约为1∶80，月球半径与地球半径之比约为1∶4，则月球上的第一宇宙速度与地球上的第一宇宙速度之比为
√
02
人造地球卫星
导学探究
在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动。请思考：
(1)这些卫星运动所需的向心力都是由什么力提供的？这些卫星的轨道平面有什么特点？
　卫星运动所需的向心力是由地球与卫星间的万有引力提供的，故所有卫星的轨道平面都经过地心。
(2)这些卫星的线速度大小、角速度、周期跟什么因素有关呢？
a.赤道轨道：卫星的轨道与赤道共面，卫星始终处于赤道正上方。
c.任意轨道：卫星的轨道与赤道平面成某一角度。
b.极地轨道：卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上空。
卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力充当向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，其轨道可分为三类：
1.人造地球卫星的运行轨道
1.人造地球卫星的运行轨道
所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上运行。
A、B、C，卫星靠万有引力提供向心力，而万有引力指向地心，故轨道圆心一定与地心重合。
问题：如图所示，A、B、C、D四条轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条?
问题：对于绕地球运动的人造卫星,其向心加速度、线速度、角速度、周期随轨道半径的变化规律？
v、ω、T 与r为一一对应关系，且越高越慢。
2.卫星运行速度、角速度、周期与半径的关系：
????????????????2=
?
3.地球同步卫星
（1）定义：地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星，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：T＝24h
（2）特点：
①定点在赤道上空
②周期与地球自转周期相同
③距离地面的高度高度一定（约距地面36000km）
④线速度大小一定（约为3.1km/s）
特点：定轨道、定周期、定角速度、定高度、定线速度
2023年10月26日神州十六和神州十七乘务组会师
h
问题5、地球同步卫星能否位于厦门正上方某一确定高度h处？
1.求同步卫星离地面的高度？
2. (多选)可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道
A.与地球表面上某一纬线(非赤道)是共面同心圆
B.与地球表面上某一经线所决定的圆是共面同心圆
C.与地球表面上的赤道是共面同心圆，且卫星相对地球表面是静止的
D.与地球表面上的赤道是共面同心圆，但卫星相对地球表面是运动的
√
√
3.如图所示是一张人造地球卫星轨道示意图，其中圆轨道a、c、d的圆心均与地心重合，a与赤道平面重合，b与某一纬线圈共面，c与某一经线圈共面。下列说法正确的是
A.a、b、c、d都有可能是卫星的轨道
B.轨道a上卫星的线速度大于7.9 km/s
C.轨道c上卫星的运行周期可能与地球自转周期相同
D.仅根据轨道d上卫星的轨道半径、角速度和引力常量，不能求出地球
质量
√
课堂小结
一、三个宇宙速度
1.第一宇宙速度 v1=7.9km/s
推导式：
2.第二宇宙速度（脱离速度） v2=11.2km/s
第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s
二、人造地球卫星
1.人造地球卫星的向心加速度 、线速度 、角速度 、
周期

2.同步卫星周期T=24h，卫星轨道平面与地球赤道平面重合
=7.9km/s
=7.9km/s
谢谢各位的聆听！

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