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第七章
万有引力与宇宙航行
第七章
第4节　宇宙航行
【学习目标】
1.
了解人造地球卫星的最初构想，会推导第一宇宙速度。
2.
知道同步卫星和其他卫星的区别，会分析人造地球卫星的受力和运动情况并解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。
3.
了解发射速度与环绕速度的区别和联系，理解天体运动中的能量观。
4.
了解宇宙航行的历程和进展，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。
【课前预习】
牛顿预言人造地球卫星
1.
牛顿设想：当物体被抛出的速度足够大时，它将围绕地球旋转，不再落回地面，成为一颗___________。
2.动力学特点：一般情况下，认为人造卫星绕地球做___________运动，其向心力由地球对它的___________提供。即：___________
二、宇宙速度
1.
第一宇宙速度（近地卫星环绕速度）：
v1=___________
(1)定性分析：①最小的________速度；②近地卫星的________速度，（最大的环绕速度）。
(2)定量分析：推导(两种方法)
2.
第二宇宙速度：v2=___________
3.
第三宇宙速度：v3=___________
说明：
①当在地面发射速度v
_______7.9km/s时，飞行器只能围绕地球表面做__________，即近地卫星；
②当发射速度__________________时，飞行器绕地球的轨迹变成__________，在此基础上可以通过变轨达到发射高轨卫星的目的；
③当发射速度__________________时，飞行器将会克服__________的引力，永远离开地球；
④当发射速度__________时，飞行器将会挣脱__________的束缚，离开太阳系。
三、人造地球卫星
1.
卫星轨道：人造卫星的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道。
(1)椭圆轨道：__________位于椭圆的一个焦点上，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________必然是________。
说明：地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度，但轨道平面一定过________。当轨道平面与赤道平面重合时，称为________；当轨道平面与赤道平面垂直时，即通过极点，称为________。
2.地球同步卫星
(1)定义：位于赤道正上方，相对于地面________的卫星，又叫________。
(2)特点：
3.人造卫星的相关参数
四、卫星变轨
1.变轨分析:
(1)卫星在圆轨道上稳定运行时,
万有引力提供向心力，
G=m=mω2r=
m()2，物理量变化规律复合“高轨低速长周期”。
(2)当卫星的速度突然增大时,
G(3)当卫星的速度突然减小时,
G>m,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。
说明：
(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,航天器在不同轨道上（圆或椭圆轨道）的运行周期的大小可根据开普勒第三定律判断。
▲判一判
(1)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10
km/s。(
　　)
(2)在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9
km/s。(
　　)
(3)要发射一颗月球人造卫星，在地面的发射速度应大于16.7
km/s。(
　　
)
【考点研析】
任务一：三个宇宙速度理解
[例1]某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t物体以速率v落回手中，已知该星球的半径为R，求这星球上的第一宇宙速度．
[变式训练1-1]人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其速率
(
　　)
A.
一定等于7.9
km/s
B.
等于或小于7.9
km/s
C.
一定大于7.9
km/s
D.
介于7.9
km/s和11.2
km/s之间
任务二：人造地球卫星
[例2](多选)质量为m的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行，其运动视为匀速圆周运动．已知月球质量为M，月球半径为R，月球表面重力加速度为g，引力常量为G，不考虑月球自转的影响，则航天器的
(
　)
A.
线速度v＝
B.
角速度ω＝
C.
运行周期T＝2π
D.
向心加速度a＝
[变式训练2-1]我国发射的“天宫一号”与“神舟八号”在对接前，“天宫一号”的运行轨道高度为350
km，“神舟八号”的运行轨道高度为343
km.它们的运行轨道均视为圆周，则
(　　)
A.
“天宫一号”比“神舟八号”速度大
B.
“天宫一号”比“神舟八号”周期长
C.
“天宫一号”比“神舟八号”角速度大
D.
“天宫一号”比“神舟八号”加速度大
任务三：卫星变轨问题
[例3]某次发射同步卫星的过程如下：先将卫星发射至近地圆轨道1，然后再次点火进入椭圆形的过渡轨道2，最后将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，2、3相切于P点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是
(
　　)
A.
卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
B.
卫星在轨道3上的角速度大于在轨道1上的角速度
C.
卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度
D.
卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度
[变式训练3-1]宇宙飞船和空间站在同一轨道上运动，若飞船想与前面的空间站对接，飞船为了追上轨道空间站，可采取的方法是
(
　　)
A.
飞船加速直到追上空间站，完成对接
B.
飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站完成对接
C.
飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接
D.
无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接
【答案提示】
[例1]
v1＝＝
[变式训练1-1]
B
[例2]
ACD
[变式训练2-1]
B
[例3]
D
[变式训练3-1]
B
4

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