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第4节
宇宙航行
人教版（2019）高中物理必修第二册第七章
万有引力与宇宙航行
人教版（2019）高中物理必修第二册第七章
万有引力与宇宙航行
2021年4月24日，第六个中国航天日如期而至，今年的主题是“扬帆起航
逐梦九天”。
“探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。”（习近平）
2021年2月22日，习近平会见探月工程嫦娥五号任务参研参试人员代表时:同孙家栋、栾恩杰等亲切交流。
1.会推导第一宇宙速度，知道三个宇宙速度的含义。
2.了解人造地球卫星的历史及现状，认识同步卫星的特点。
3.了解人类对太空的探索历程和我国载人航天工程的发展。
学习目标
先参观科技馆
听听科技辅导员的介绍。
1．第一宇宙速度(环绕速度)
(1)推导：对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径R＝6
400
km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，取g＝9.8
m/s2，则
7.9
km/s就是卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。
1．第一宇宙速度(环绕速度)
①由公式知，卫星轨道半径的最小值是地球半径R，当半径r>R,绕行速度v′＜v＝7.9
km/s，所以v＝7.9
km/s是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的最大绕行速度。
②当卫星的线速度小于7.9
km/s时，万有引力大于卫星所需的向心力，卫星将向圆心运动而落回地面。所以，要将卫星送入轨道，必须使发射速度v0≥v＝7.9
km/s，故v＝7.9
km/s是人造卫星的最小发射速度。
对第一宇宙速度(环绕速度)的理解：
行星
卫星
2．第二宇宙速度(脱离速度)
在地面附近发射飞行器，使之能够脱离地球的引力作用永远离开地球所需的最小发射速度，称为第二宇宙速度，其大小为11.2
km/s。
3．第三宇宙速度(逃逸速度)
在地面附近发射飞行器，使之能够脱离太阳的引力作用飞到太阳系以外所需的最小发射速度，称为第三宇宙速度，其大小为16.7
km/s。
发射“旅行者”宇宙探测器，需要探测器的速度大于等于第三宇宙速度。
(1)卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心是椭圆的一个焦点，其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行时，地心是轨道的圆心。
(3)人造地球卫星的三种轨道：
①赤道轨道，卫星轨道在赤道所在平面上，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，卫星经过两极上空；
③一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。
4．卫星的轨道
例1.已知火星的半径为R，火星的质量为m火，引力
常量为G，则火星的第一宇宙速度为?
?????????????????.
练习1：我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”.设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面.已知月球的质量约为地球质量的
，月球的半径约为地球半径的
，地球的第一宇宙速度约为7.9
km/s，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为（
）
A.0.4
km/s
B.1.8
km/s
C.11
km/s
D.36
km/s
B
(1)位于地球赤道上方，相对于地面静止不动，它的角速度跟地球的自转角速度相同，广泛应用于通信，又叫同步通信卫星.
(2)特点
①定周期：所有同步卫星周期均为T＝24
h.
②定轨道：同步卫星轨道必须在地球赤道的正上方，运转方向必须跟地球自转方向一致，即由西向东.
5.地球同步卫星
地球
同步卫星
④定速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此线速度、角速度大小均不变。
⑤定加速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此向心加速度大小也不变。
例2：(多选)下列关于同步卫星的说法正确的是（
）
A.一定位于赤道正上空
B.为了避免相撞，应该与其他国家的同步卫星在不同的轨道上运行
C.发射速度小于7.9
km/s
D.运行速度小于7.9
km/s
AD
练习2：如图3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
例3：如图4所示，A为地面上的待发射卫星，B为近地圆轨道卫星，C为地球同步卫星.三颗卫星质量相同，三颗卫星的线速度大小分别为vA、vB、vC，角速度大小分别为ωA、ωB、ωC，周期分别为TA、TB、TC，向心加速度大小分别为aA、aB、aC，则（
）
A.ωA＝ωC<ωB
B.TA＝TCC.vA＝vCD.aA＝aC>aB
图4
A
练习3：(多选)同步卫星与地心的距离为r，运行速率为v1，向心加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则下列关系式正确的是（
）
AD
C
当堂练习
2.
(多选)如图5所示，牛顿在思考万有引力定律时就曾设想，把物体从高山上O点以不同的速度v水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远.如果抛出速度足够大，物体就不会落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星，则下列说法正确的是（
）
A.以v<7.9
km/s的速度抛出的物体可能落在A点
B.以v<7.9
km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动
C.以7.9
km/skm/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动
D.以11.2
km/skm/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动
AC
3．近年来，自然灾害在世界各地频频发生，给人类带来巨大损失。科学家们对其中地震、海啸的研究结果表明，地球的自转将因此缓慢变快。下列说法正确的是( )
A．天宫一号飞行器的高度要略调高一点
B．地球赤道上物体的重力会略变大
C．地球同步卫星的高度要略调低一点
D．地球的第一宇宙速度将略变小
C
4．我国发射的“天宫”一号和“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
B
5．关于地球同步卫星的说法正确的是( )
A．所有地球同步卫星一定在赤道上空
B．不同的地球同步卫星，离地高度不同
C．不同的地球同步卫星的向心加速度大小不相等
D．所有地球同步卫星受到的向心力大小一定相等
A
1、第一宇宙速度：v=7.9km/s
(地面附近、匀速圆周运动）
2、第二宇宙速度：当物体的速度大于或等于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的吸引，不在绕地球运行。
3、第三宇宙速度：如果物体的速度等于或大于16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。
V1=7.9km/s
地球
V2=11.2km/s
V3=16.7km/s
课堂小结
超燃！90秒带你走近中国航天
宇宙浩瀚，星辰璀璨。扬帆起航，逐梦九天。
今年是我国航天事业创建65周年。“东方红卫星”发射、“神舟飞天”、“嫦娥奔月”、火星探测器升空……65年来，一代代航天人自强不息、接续奋斗，走出了一条中国特色的航天发展道路，建立了航天科研生产体系和系统工程管理体制，造就了一支素质优良技术精湛的人才队伍，积淀了深厚博大的航天精神和文化。
“两弹一星”精神、载人航天精神、探月精神、新时代北斗精神……习近平总书记在不同场合频频提及的航天精神，犹如璀璨的星辰，激励着一代代中国人不断奋进、筑梦太空。
“大鹏一日同风起，扶摇直上九万里。”在走向太空的道路上，中国航天人的脚步越来越稳、越来越快、越来越远！
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