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(共26张PPT)
第七章 万有引力与宇宙航行
第4节 宇宙航行
1 知道三个宇宙速度的含义和数值，会计算第一宇宙速度．(重点)　
2 掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系．(重点)　
3 理解近地卫星、同步卫星的区别．(难点)　
4 掌握卫星的变轨问题．(难点)
学习目标
top 1
top 2
目录 /CONTENTS
宇宙速度
top 3
人造地球卫星
计算天体的载人航天与太空探索密度
新课引入
1.登月过程需要解决的问题？
（1）如何让嫦娥五号飞出地球？
（2）如何让嫦娥五号飞向月球？
（3）如何让航天器飞向宇宙？
新课引入
2、（1）拿一支粉笔水平抛出，粉笔做什么运动？
（2）在相同高度使抛出时的速度更大一些，与第一次抛出有什么区别？
（3）是否可以一直运动不掉下来？为什么会这样呢？
可以看作平抛运动
水平飞出的距离更远
不可以，因为受到重力作用，粉笔会向下运动。
新课引入
如图所示，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，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。你知道这个速度究竟有多大吗？
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
(1)环绕法：万有引力提供物体作圆周运动的向心力
一、宇宙速度
1.第一宇宙速度的分析与计算
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）
(2)拱桥法：当支持力为0时，重力提供物体作圆周运动的向心力。
mg
FN
一、宇宙速度
（2）是航天器成为卫星的最小发射速度
2.是卫星的最大环绕速度
（1）第一宇宙速度的大小：v=7.9×103km/s;
1.第一宇宙速度的分析与计算
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。因此第一宇宙速度也是航天器成为卫星的最小发射速度。
刚好贴着地球表面
更高的轨道
因此第一宇宙速度也是卫星的最大环绕速度。
一、宇宙速度
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）。
一、宇宙速度
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）。
注意：在地面发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹不是圆，而是椭圆；等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，永远离开地球。
一、宇宙速度
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
二、人造卫星
钱学森
中国航天之父
我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”
自首颗人造地球卫星发射后，人类已经发射数千颗人造地球卫星，目前在轨有效运行的卫星有上千颗，其中通信、导航、气象等卫星已极大地改变了人类的生活。
二、人造卫星
二、人造卫星
（一）人造地球卫星的轨道特点
1、卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道．
(1)卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律．
(2)卫星绕地球沿圆轨道运动时，因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心．
(3)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任一角度，如图所示．
二、人造卫星
二、人造卫星
二、人造卫星
3.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。
二、人造卫星
3.人造地球卫星的分类
（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:
二、人造卫星
（3）同步卫星的用途：
主要用于通信，故也称通信卫星。3颗同步卫星可实现全球覆盖,为了使同步卫星之间不相互干扰，大约3°左右才能放置一颗同步卫星，也就是说，地球上空只能放下120颗同步卫星。截止2012年，已发射100多颗。
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称为第一个进入太空的人类。
1969年阿波罗登月，阿姆斯特朗说了那名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言,却是巨大飞E跃。”
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
课堂检测
1.若取地球的第一宇宙速度为8 km/s，某行星质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为( 　　)
A.16 km/s B.32 km/s
C.4 km/s D.2 km/s
A
课堂检测
2.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
课堂检测
3.设地球的质量为M，半径为R，自转角速度为ω，万有引力常量为G，同步卫星离地心高度为r，地表重力加速度为g，则关于同步卫星的速度v的表达式正确的是（　　）
A． B．
C． D．
ACD
课堂检测
4.如图所示，天宫二号在椭圆轨道Ⅰ的远地点开始变轨，变轨后在圆轨道Ⅱ上运行，A点离地面高度约为380km，地球同步卫星离地面高度约为36000km。若天宫二号变轨前后质量不变，则下列说法正确的是（　　）
A．天宫二号在轨道Ⅰ上运行通过近地点B时速度最小
B．天宫二号在轨道Ⅰ上的机械能小于在轨道Ⅱ上的机械能
C．天宫二号在轨道Ⅱ上运行的周期一定大于24h
D．天宫二号在轨道Ⅰ上运行通过点A时的加速度一定小于在轨道ⅡA上运行通过点时的加速度
B

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