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第三章 万有引力定律
第4节 人造卫星 宇宙速度
从嫦娥奔月到“嫦娥六号” ，人类一直在为飞天梦想努力着。
“嫦娥六号”的探月之旅
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1.了解人造卫星的的发展历程。
2.知道人造卫星的发射和运行，会分析一般卫星和同步卫星的运行问题。
3.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。
一、从幻想到现实——人造卫星
在 1687 年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想，把大炮从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出地速度足够大时，物体就会落到更远地方，甚至绕地球飞行。
v
谁率先提出了制造并发射人造卫星的设想呢？
一、从幻想到现实——人造卫星
1895年，俄国宇航先驱齐奥尔科夫斯基率先提出了制造并发射人造地球卫星的设想。
1957年10月4日，前苏联将第一颗人造卫星送入环绕地球的轨道。我国在1970年4月20日发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”，现在已成为世界上第五个依靠自己力量研制成火箭发射卫星、第三个掌握卫星回收技术、第四个用一枚火箭发射多颗卫星的国家。
齐奥尔科夫斯基
“宇宙航行之父”
我国第一颗人造卫星“东方红一号”
前苏联发射的人类第一颗人造卫星“卫星1号”
讨论交流
问题1：人造卫星运行的线速度，角速度，周期,加速度与轨道半径之间有什么关系？
因为卫星绕地球做匀速圆周运动，地球对卫星的万有引力提供向心力，有F引 = F向
r
R
高轨低速长周期
讨论交流
问题2：轨道可以分为哪几类？这些轨道平面有什么共同点？
一般轨道
赤道轨道
极地轨道
地轴
轨道可分为一般轨道、赤道轨道以及极地轨道。这些轨道平面都经过地心。
(1)定义：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星。
(2)特点：六个“一定”
①转动方向一定：和地球自转方向一致；
②周期一定：和地球自转周期相同，即T＝24 h；
③角速度一定：等于地球自转的角速度；
地球同步卫星
④轨道平面一定：所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合；
⑤高度一定：离地面高度固定不变(约3.6×104 km)；
⑥速率一定：线速度大小一定。
二、宇宙速度
问题：根据牛顿的猜想，卫星的初速度达到多大时可以绕地球做匀速圆周运动？
1.基本思路：
（1）环绕法：向心力由地球对卫星的万有引力提供
计算：已知地球半径 R =6400 km，地球质量 M = 6.0×1024 kg，G=6.67 ×10-11Nm2/Kg2 卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？
设地球质量 M，物体质量 m,它到地心的距离为 r
(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。
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）。
二、宇宙速度
1.第一宇宙速度：
注意：不同天体的第一宇宙速度一般不同，该公式也适用于其他天体有关第一宇宙速度的计算问题。
(1)定义：是人造卫星(或航天器)近地环绕地球做匀速圆周运动的速度。
(M为地球质量；R为地球球体半径)
(2)公式：
(g为地球表面重力加速度；R为地球球体半径)
地球的第一宇宙速度大小为7.9km/s。
第一宇宙速度又称最小发射速度，最大环绕速度
发射速度和环绕速度的区别和联系
2.第二宇宙速度：11.2km/s
当物体（航天器）飞行速度达到11.2km/s时，就可以摆脱地球引力的束缚，飞离地球进入环绕太阳运行的轨道，不再绕地球运行。这个脱离地球引力的最小速度就是第二宇宙速度
3.第三宇宙速度：16.7 km/s
从地球起飞的航天器飞行速度达到16.7 km/s时，无需后续加速就可以摆脱太阳引力的束缚，脱离太阳系进入更广袤的宇宙空间。这个从地球起飞脱离太阳系的最低飞行初速度就是第三宇宙速度。
梳理深化
发射速度v 运动情况
v﹤7.9km/s
v=7.9km/s
7.9km/s﹤v﹤11.2km/s
11.2km/s≤v﹤16.7km/s
16.7km/s ≤v
物体落回地面
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动
物体绕地球运转，运动轨迹是椭圆。
物体绕太阳运动
物体飞出太阳系
1.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
2.如图所示，中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统.其中有静止轨道同步卫星和中轨道地球卫星.已知中轨道地球卫星的轨道高度为5 000～15 000 km，则下列说法正确的是（ ）
A.中轨道地球卫星的线速度小于静止轨道同步卫星的线速度
B.上述两种卫星的运行速度可能大于7.9 km/s
C.中轨道地球卫星绕地球一圈的时间小于24小时
D.静止轨道同步卫星可以定位于北京的上空
C
3.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
A.16 km/s B.32 km/s
C.4 km/s D.2 km/s
一、人造卫星的发展历程
1895年，齐奥尔科夫斯基提出设想。
1957年10月4日，前苏联将第一颗人造卫星送入环绕地球的轨道。我国在1970年4月20日发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号” 。
二、人造卫星的轨道：一般轨道、极地轨道以及赤道轨道。
三、宇宙速度
第一宇宙速度：v＝ 7.9 km/s，最小发射速度，最大环绕速度。
第二宇宙速度：v＝ 11.2 km/s，克服地球引力，永远离开地球。
第三宇宙速度：v＝ 16.7 km/s，挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外。

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