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7.4 宇宙航行
1.知道宇宙三大速度，并能会推导第一宇宙速度。
2.知道同步卫星和其他卫星的区别，能分析、解决人造地球卫星运动的较简单的问题。
3.了解宇宙航行的历程和进展。
前面咱们学抛运动，也就是说在地面上抛出一个物体，水平初速度越大，抛出的水平距离也就越远。如果水平速度足够大的话，物体呢就不会落回地面。
牛顿猜想，抛出速度很大时，物体就不会落回地面，这个速度有多大呢？
一、宇宙速度
1.第一宇宙速度
（1）推导
简单认为卫星在地球表面附近（R=r）绕地球做匀速圆周运动：
方法一：飞行器运动所需的向心力是由地球对它的万有引力提供，即
方法二：黄金代换法
m
v
r
（2）数值
已知地球质量或重力加速度g，算出v＝_______，这就是物体在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度。
7.9km/s
（3）物理意义
①第一宇宙速度是使人造卫星能绕地球做匀速圆周运动的最小发射速度；
②第一宇宙速度也是人造卫星绕地球做匀速圆周运动时的最大运行速度（ ）；也就是紧贴地面的运行速度。
（4）别称：环绕速度
2.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）。
（1）大小：v2＝11.2 km/s
（2）物理意义：
卫星逃离地球引力的束缚，成为绕太阳运动 的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度。
（3）别称：逃逸速度
2.第二宇宙速度
3.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）。
（1）大小：v3＝16.7 km/s
（2）物理意义：
卫星脱离太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小发射速度。
（3）别称：脱离速度
3.第三宇宙速度
三个宇宙速度的对比
数值 意义
第一宇宙速度 7.9km/s (1)卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度(2)人造卫星的最小地面发射速度
第二宇宙速度 11.2km/s 使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度
第三宇宙速度 16.7km/s 使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度
1.人造地球卫星轨道的分类
二、人造卫星
（1）赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面上，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，卫星通过两极上空。
（3）一般轨道：卫星轨道和赤道成一定的角度。
（4）近地轨道：卫星轨道在地球表面附近。
2.人造卫星的轨道：
（1）卫星绕地球运行的轨道可以是椭圆，也可以是圆轨道；
（2）卫星绕地球做椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，其周期和长半轴满足开普勒第三定律；
（3）卫星绕地球做圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，地心必然是卫星运行轨道的圆心。
★“高轨低速长周期”
3.人造地球卫星的运行规律
a
b
c
GM
r2
=
GM
4π2r3
4.人造地球卫星的分类
（1）近地卫星：
指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。
（2）同步卫星的“六个一定”
①轨道平面一定：赤道平面
②周期与角速度一定：T=24h
⑤运转方向一定:自西向东
③轨道半径一定: r=6.6R
④速度大小一定: v=3.08km/s
⑥向心加速度的大小一定:
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入了东方一号载人飞船。实现了人类进入太空的梦想。
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，指挥长阿姆斯特朗踏上月面并说出了那句载入史册的名言：“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1 731 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）下列关于三种宇宙速度的说法正确的是（　　）
A．第一宇宙速度7.9 km/s是人造卫星绕地球做匀速圆周运动的最大运行速度
B．第一宇宙速度v1=7.9 km/s，第二宇宙速度v2=11.2km/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
C．第二宇宙速度是使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的小行星的最小发射速度
D．我国发射的“天问一号”火星探测器，其发射速度大于第三宇宙速度
AC
2.卫星定位导航系统使人们可以更顺利地到达目的地，我国“北斗三号”导航系统的收官之星是地球静止轨道卫星，其轨道半径约为地球半径的7倍，则该地球静止轨道卫星（　　）
A．发射速度一定大于11.2 km/s
B．线速度一定小于7.9 km/s
C．轨道可能是椭圆
D．可以经过苏州正上空
B
3.如图所示，是同一轨道平面内的三颗人造地球卫星，下列说法正确的是(　　)
A.线速度vA＜vB＜vC
B.根据万有引力定律，可知FA＞FB＞FC
C.角速度ωA＞ωB＞ωC
D.向心加速度aA＜aB＜aC
C
4.木星的卫星之一叫艾奥，它上面的珞珈火山喷出的岩块初速度为18 m/s时，上升高度可达90 m。已知艾奥的半径为R＝1 800 km，引力常量G＝6.67×10－11 N·m2/kg2，忽略艾奥的自转及岩块运动过程中受到稀薄气体的阻力，求：
(1)艾奥的质量；
(2)艾奥的第一宇宙速度。
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
人造地球卫星轨道的分类
人造地球卫星的运行规律
人造地球卫星的分类

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