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7.4宇宙航行
第七章 万有引力与宇宙航行
人教版（2019）物理（必修第二册）
人造
卫星
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宇宙
速度
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航天改变人类生活
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载人航天
与太空探索
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目录
问题引入：抛出的石头会落地，为什么月亮没有落下来？没有落下来必须具备什么条件？
牛顿猜想：抛出速度很大时，物体不会落回地面
牛顿人造卫星原理图
一、宇宙速度
人造卫星绕地球运动的原因
1.人造卫星受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作匀速圆周运动的向心力由万有引力提供
2.人造卫星的运行规律：设地球质量为M，卫星质量为m，卫星的绕行速度v角速度w 、周期T、向心加速度a与轨道半径r 的关系
r
a，v，ω,T
物体只受到指向地心的引力作用，物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动。设地球的质量为M.，物体的质量为m，速度为v，它到地心的距离为r。万有引力提供物体运动所需的向心力，所以
推导过程
又或者物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时，可近似认为向心力是由重力提供的，有
近地卫星的速度是多少呢？
这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫作第一宇宙速度 (first cosmic velocity)。
已知地球质量为5.98x10kg，近地卫星在100~200 km的高度飞行，远小于地球半径(6400km)，可以近似用地球半径R代替卫星到地心的距离r。把数据代入上式后算出
V=
=
三个宇宙速度
第一宇宙速度众所周知，第一宇宙速度是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度，也是最大绕行速度)，其速度为7.9km/s。
第二宇宙速度第二宇宙速度是指物体完全摆脱地球引力束缚，飞离地球的所需要的最小初始速度，其速度为11.2km/s。（脱离速度）
第三宇宙速度第三宇宙速度是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系所需的最小初始速度，其速度为16.7km/s（逃逸速度）
二、人造地球卫星
→
公式推导
可见:卫星运动情况(a、V、ω、T)由r唯一决定
1.人造地球卫星的轨道:可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道
(1)椭圆轨道:地心位于圆的一个焦点上，遵循开普勒三定律
（2)圆轨道:卫星绕地球做匀速圆周运动，卫星所需的向心力由万有引力提供，由于万有引力指向地心，所以卫星的轨道圆心必然是地心
→
→
→
同步卫星
(1)定义:位于赤道正上方，相对于地面静止的卫星又叫静止卫星，常用于无线电通信，故又称通信卫星。
（2）特点
极地卫星
运行时每圈都经过南北两极由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖
是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星，其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径，其运行线速度约为7.9 km/s .
近地卫星
人造地球卫星的轨道参量（轨道为圆周轨道）
=mω r →
→
=ma向 →
r越大，a向越小
r越大，V越小
r越大，ω越小
r越大，T越大
（2）相关参量
高
轨
低
速
长
周
期
（1)运动规律:卫星做速圆周运动，卫星所受万有引力提供其做匀速圆周运动所需要的向心力。
→
→
→
→
a向
人造卫星运行规律
发射速度与运行速度
运行速度是指卫星在轨道上围绕地球转动时的线速度
发射速度：是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度，也是最大绕行速度)
宇宙速度与轨道关系
1.当在地面发射速度V发=7.9km/s时，飞行器只能围绕地球表面做匀速圆周运动，即近地卫星;
2.当发射速度7.9km/s 3.当发射速度11.2km/s ≤V发<16.7km/s时，飞行器将会克服地球的引力，离开地球，开始绕太阳做椭圆运动
4..当发射速度V发≥16.7km/s时飞行器将会挣脱太阳的束缚，离开太阳系。
思考:
(1) 将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易
为什么
(2) 所需要的发射速度，哪一个更大 为什么
(3)发射速度和卫星绕地旋转的速度是不是同一速度 发射速度大说明什么 卫星运转速度大又说明什么
卫星变轨问题
(1)卫星在圆轨道上稳定运行时万有引力提供向心力， 物量量变化规律复合 “高轨低速长周期”
(2)当卫星的速度突然增大时,即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大。
（3）当卫星的速度突然减小时，即万有引力大于所需要的向心力，卫星将做近心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变小.
注意
1.加速度:卫星到达椭圆轨道与圆轨道的切点时，卫星受到的万有引力相同，所以加速度相同
2.周期:变轨前后在不同轨道上(圆轨道的运行周期的大小可根据开普勒第三定律判断。
P
Q
1
2
3
三、载人航天与太空探索
1961年4月12日，苏联航天员加加林进人了东方一号载人飞船。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108 min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类首次进入太空的丰碑。
1969年7月16日9时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月20日下午10时56分指挥长阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并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。”
2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送人太空。飞船绕地球飞行14 圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将11名(14人次)航天员送入太空，包括两名女航天员。
四、航天改变人类生活
20世纪人类最伟大的创举之一是开拓了太空这一全新活动领域。人类冲破了大气层的阻拦，摆脱了地球引力的束缚，实现了在太空翔翔的梦想。不仅如此，更具现实意义的是它给人们带来了先进技术和无尽资源，成为推动社会发展的强大动力。
卫星通信和卫星广播已经不是新鲜事，通过卫星实现越洋通话、实时收看世界各地发来的电视新闻，已经成了人们生活的一部分。
天问一号探测器着陆火星，是我国首次实现地外行星着陆，迈出了我国星际探测征程的重要一步，实现了从地月系到行星际的跨越，在火星上首次留下中国人的印迹，使我国成为第二个成功着陆火星的国家，是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。
卫星通信和卫星广播已经不是新鲜事，通过卫星实现越洋通话、实时收看世界各地发来的电视新闻，已经成了人们生活的一部分。
天气预报的质量正在悄悄地提高，准确率和预报时段都攀上了新的台阶。这里，气象卫星功不可没。“静止”在赤道上空的同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面，3 颗同步卫星就可以形成一条南北纬50°之间的全球观测带。再配合几颗纵穿地球两极的极轨卫星，就能形成全球气象卫星观测系统，为天气预报提供全面、及时的气象资料、。电视台天气预报节目中的卫星云图已使我们充分感受到气象卫星的威力。
卫星引起了船舶、飞机导航技术的重大变化。全球卫星定位导航系统使我们可以更顺利地抵达目的地、。
用卫星监测厄尔尼诺现象，不同的颜色代表海平面高度与正常水平的差值
大空环境的另一个特点是高强度的辐射。由于没有大气层的阳情，航天器受到来自太空的各种高能粒子的轰击。它一方面对字获有造成威胁，需要防范;另一方面，它可以诱导生物基因的变异《幅射的植物种子就有可能变为具有优良性状的新品种。我国通过派回式卫星搭载稻种培育的高产稻“航育一号”，已经大面积推广*椒新品种“卫星 87-2”，平均果重较原种提高 70%。人类已经开始享用太空育种的优良农产品。
课堂小结
宇宙航行
宇宙速度
第一宇宙速度（环绕速度）:
第二宇宙速度（逃逸速度）:
第三宇宙速度（脱离速度）:
v2=11.2km/s
v1=7.9km/s
v3=16.7km/s
人造地球卫星
载人航天与太空探索
近地卫星
极地卫星
同步卫星
课堂练习
1.(对宇宙速度的理解)关于宇宙速度的说法,正确的是(　　)
A.第一宇宙速度是人造地球卫星运行时的最大速度
B.第一宇宙速度是地球同步卫星的发射速度
C.人造地球卫星运行时的速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间
D.第三宇宙速度是物体逃离地球的最小速度
答案:A
解析:第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度,同时也是人造地球卫星的最大运行速度,故A正确,B、C错误。第二宇宙速度是物体逃离地球的最小速度,D错误。
2.(对地球同步卫星的理解)我国卫星移动通信系统首发星天通一号01星,在2016年8月6日在西昌卫星发射中心顺利升空并进入距离地球约三万六千千米的地球同步轨道。这标志着我国迈入了卫星移动通信的“手机时代”。根据这一信息以及必要的常识,尚不能确定该卫星的(　　)
A.质量 B.轨道半径
C.运行速率 D.运行周期
答案:A
解析:由“距离地球约三万六千千米的地球同步轨道”,可以确定轨道半径R和周期T,由v= 可确定运动速率v,不能确定的是该卫星的质量。
3.(人造地球卫星)如图所示,卫星a、b、c沿圆形轨道绕地球运行。a是极地轨道卫星,在地球两极上空约1 000 km处运行;b是低轨道卫星,距地球表面高度与a相等;c是地球静止卫星。则(　　)
A.a、b的周期比c的大
B.a、b的向心力一定相等
C.a、b的速度大小相等
D.a、b的向心加速度比c的小
答案:C
解析:卫星环绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供其做圆周
4.(人造地球卫星的运行规律)已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,某人造地球卫星在距地球表面高度等于地球半径3倍处做匀速圆周运动,求:
(1)卫星的线速度;
(2)卫星绕地球做匀速圆周运动的周期。
解析:设卫星绕地球做匀速圆周运动的周期为T,根据万有引力定律和牛顿第二定律得
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