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7.4 宇宙航行
1.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。
2.了解人造卫星的相关知识和我国卫星发射的情况，认识同步卫星的特点。
3.了解人类对太空的探索历程。
本节课，我们从运动和受力分析入手，用万有引力定律和牛顿第二定律求解发射航天器所需要的速度。
知识点一：宇宙速度
思考：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？（已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球质M=6×1024kg，地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）
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（环绕速度）。
1.第一宇宙速度的分析与计算
思考：有人说，第一宇宙速度也可用（式中g为重力加速度，R为地球半径）算出，你认为正确吗？
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：
发射卫星的轨道越高，需要克服万有引力的阻碍作用越多，所以发射速度需要增加。
（2）第一宇宙速度是航天器成为卫星的最小发射速度
（3）第一宇宙速度是物体绕地球做匀速圆周运动的最大运行速度
（1）第一宇宙速度的大小：v=7.9km/s;
思考与讨论：若卫星的发射速度大于 7.9km/s ，会出现什么情况？
7.9km/s
7.9km/s 椭圆
圆
若卫星的发射速度大于 7.9km/s，又小于11.2km/s时，它绕地球运动的轨迹不再是圆，而是椭圆，发射速度越大，椭圆轨道越“扁”。
2.认识第二宇宙速度
理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大于 7.9 km/s，又小于 11.2 km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于 11.2 km/s 时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把 11.2 km/s叫作第二宇宙速度（逃逸速度）。
3.认识第三宇宙速度
达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于 16.7 km/s， 这个速度叫作第三宇宙速度（脱离速度）。
数值 意义
第一宇宙速度 ___km/s (1)卫星在地球表面附近绕地球做___________的速度
(2)人造卫星的最小地面发射速度
第二宇宙速度 ____km/s 使卫星挣脱_____引力束缚的最小地面发射速度
第三宇宙速度 ____km/s 使卫星挣脱_____引力束缚的_____地面发射速度
7.9
匀速圆周运动
11.2
地球
16.7
太阳
最小
1.人造卫星的轨道
地球的万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，所以卫星轨道圆心和地球地心必须重合。
① 赤道轨道：
卫星轨道与赤道在同一平面上；
① 赤道轨道
② 极地轨道：
卫星轨道平面与赤道平面垂直；
③ 倾斜轨道：
卫星轨道和赤道成一定角度。
② 极地轨道
③ 倾斜轨道
二、人造地球卫星
分析可知，卫星轨道半径越大，运行速度越慢，周期越长。
2.人造卫星的运动学参量：
高轨低速长周期
3.人造卫星的两个速度：
① 发射速度：
将人造卫星送入预定轨道需要具有的速度。第一宇宙速度是最小的发射速度。
② 环绕速度：
卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。第一宇宙速度是最大的环绕速度。
三、载人航天与太空探索
人类一直有“飞天”的梦想，万有引力定律的发现，不仅破解了天上行星的运行规律，也为人类开辟了上天的理论之路。随着技术的进步，人类迈向太空的脚步越来越大，越来越坚实。
“That’s one small step for man, one giant leap for mankind.”
- Neil Armstrong (20 July,1969)
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入太空。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。
除了载人航天工程，我国还在许多方面进行着太空探索。
自2013年6月起，神舟飞船先后与天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室成功完成交会对接试验。2021年4月29日，具备长期自主飞行能力的天和核心舱成功发射。2022年12月2日，中国航天员乘组完成首次在轨交接，中国空间站正式开启长期有人驻留模式。中国空间站作为中国人的太空家园，在为人类的太空探索和空间技术进步贡献着中国力量。
在我国的探月工程与深空探测任务中，嫦娥四号于2019年1月3日实现了人类航天器首次月球背面软着陆与巡视探测。嫦娥五号于2020年12月1日着陆于月球的天船基地，共获取月球样品1731 g，成为人类历史上无人自动采集月球样品最多的一次。2021年5月15日，天问一号探测器着陆火星，祝融号火星车随后开展了探测火星巡视区形貌和地质构造等任务，并传回科学影像图，这标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。
1.(多选)物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时的速度叫作第一宇宙速度。关于第一宇宙速度,下列说法正确的是( )
A.第一宇宙速度大小约为11.2 km/s
B.第一宇宙速度是使人造卫星绕地球运动所需的最小发射速度
C.第一宇宙速度是人造卫星绕地球运动的最小运行速度
D.若已知地球的半径和地球表面的重力加速度,即可求出第一宇宙速度
BD
2.在地球上以速度v发射一颗卫星,其刚好在地面附近绕地球做匀速圆周运动。关于该卫星,下列说法正确的是( )
A.发射速度v的大小可能是9 km/s
B.若发射速度v提高到10 km/s,该卫星绕地球运行的轨迹为椭圆
C.若发射速度提高到2v,该卫星将绕地球在更高的椭圆轨道上运行
D.若发射速度提高到2v,该卫星将挣脱太阳引力的束缚
B
3.(多选)关于环绕地球运行的卫星,下列说法正确的是( )。
A.分别沿圆轨道和椭圆轨道运行的两颗卫星,可能具有相同的周期
B.沿椭圆轨道运行的一颗卫星,在轨道不同位置可能具有相同的速率
C.在赤道上空运行的两颗地球同步卫星,它们的轨道半径有可能不同
D.沿不同轨道经过北京上空的两颗卫星,它们的轨道平面一定会重合
AB
4.(多选)极地卫星是一种特殊的人造地球卫星,其轨道平面与赤道平面的夹角为90°,极地卫星运行时能到达地球南极和北极区域的上空。若某极地卫星从北极正上方运行至赤道正上方的最短时间为3 h,认为卫星做匀速圆周运动,已知地球表面的重力加速度g=9.8 m/s2,下列说法正确的是( )
A.该卫星的加速度小于9.8 m/s2
B.该卫星的环绕速度大于7.9 km/s
C.该卫星每隔12 h经过北极的正上方一次
D.该卫星轨道半径与地球同步卫星轨道半径相等
AC
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
人造卫星的轨道
人造卫星的运动学参量
人造卫星的两个速度

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