宇宙航行（教学课件）-高中物理人教版（2019）必修第二册

第七章万有引力与宇宙航行第4节宇宙航行问题与目标1.通过了解人造卫星的有关知识，正确理解人造卫星做匀速圆周运动时，各物理量之间的关系。

2.通过对三个宇宙速度含义的了解，能推导出第一宇宙速度。中国北斗卫星系统卫星信号传输过程如今，人们的通信手段越来越多样，加强了世界的联系。要保证稳定通畅的通讯，需要同步卫星进行信号的传递。手机等便携设备的导航定位功能已经非常全面，要实现精确的导航，需要同步卫星发挥极大的作用。怎么样才能把物体发射上天空，且不再落回地面？这节课我们共同来学习相关知识。（一）300多年前牛顿的设想如图所示，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？如图所示，你认为四条轨道中可以作为卫星轨道的是哪些?A、C、D可能，B不可能。万有引力提供向心力，所以轨道平面一定会经过地球的中心，卫星围绕地球的中心做匀速圆周运动。环绕天体做圆周运动的轨道平面的圆心必须是中心天体的球心。（二）宇宙速度人造卫星的发射速度至少达到多少才能绕地球做稳定的圆周运动?基本思路：卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供。已知地球半径R=6400km，地球质量M=6.0×1024kg，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？根据又，地面附近可得为什么抛出速度小于7.9km/s时，物体会落到地面上，而不会做匀速圆周运动呢?当速度等于7.9km/s时，地球提供的重力正好等于物体以7.9km/s的速度做匀速圆周运动时所需的向心力，物体做匀速圆周运动；当速度小于7.9km/s时，地球提供的重力将大于物体做匀速圆周运动时所需的向心力，所以物体做向心运动，落向地面。如果抛出速度大于7.9km/s呢？这时地球提供的重力将小于物体做圆周运动所需的向心力，物体将做离心运动，远离地球，不能再做匀速圆周运动。当抛出速度v满足7.9km/s＜v＜11.2km/s时，物体将围绕地球做椭圆轨道的运动；当抛出速度v满足11.2km/s≤v＜16.7km/s时，物体将脱离地球的引力，永远离开地球进而进入太阳的引力范围，围绕太阳运动；当抛出速度v满足v≥16.7km/s时，物体将脱离太阳的引力，永远离开太阳系。1.第一宇宙速度（1）第一宇宙速度：v=7.9km/s，这是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度，也是物体离开地球所必须具有的最小速度，故也称为“最小发射速度”。（2）意义：第一宇宙速度是人造卫星在地球附近环绕地球做匀速圆周运动的速度，所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。根据“第一宇宙速度”知识点的方法思路，小组讨论交流梳理“第二宇宙速度与第三宇宙速度”的知识点：知识梳理2.第二宇宙速度与第三宇宙速度（1）第二宇宙速度：v=11.2km/s，大于此速度，物体会克服地球的引力，永远离开地球。①若发射速度大于7.9km/s而小于11.2km/s，物体绕地球的运动轨迹就不是圆，而是椭圆，但还在地球的引力范围之内。②意义：使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。（2）第三宇宙速度：v=16.7km/s，大于此速度，物体会挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外。①发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳运动，成为太阳的一颗人造行星。如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。②意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。（三）人造地球卫星与近地轨道相比，外层轨道上的卫星的线速度比7.9km/s是大还是小呢？既然外层轨道上卫星的线速度比7.9km/s小，那如果要将卫星发现到外层轨道上，是不是需要的发射速度会小点?根据

知轨道半径越大，线速度越小，所以外层轨道上卫星的线速度比7.9km/s小。1.发射速度：（1）发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运动轨道。（2）要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。2.运行速度(或环绕速度）：（1）运行速度是指卫星在进人运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。（2）当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。（3）在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由

可得

，轨道半径越小，线速度越大。所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。3.卫星变轨如图所示，四颗卫星均绕地球做匀速圆周运动，方向均为逆时针方向。如果卫星3想追上卫星1，应该如何操作？不能直接加速或减速，如果加速，则卫星做离心运动，会进入外层轨道；如果减速，则卫星做向心运动，会进入内层轨道。故可以先加速后减速或先减速后加速的办法。问题（2）：假设某卫星正在地面附近绕地球做匀速圆周运动，速度是7.9km/s。现要让该卫星进人外层轨道，该如何操作?在某点瞬间加速，卫星将做离心运动，进入外层轨道后，再减速使卫星在该轨道上做匀速圆周运动。问题（3）：在牛顿抛物设想中，当抛出速度v满足7.9km/s<v<11.2km/s时，物体做什么运动？物体将围绕地球做椭圆轨道的运动。从上面的分析，我们知道，要想将卫星发射到外层轨道，速度必须大于7.9km/s。

总结：人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如图所示。（1）为了节省能量，在赤道上先顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道I上。（2）在A点点火加速，由于速度变大，万有引力不足以提供向心力，卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ。（3）在B点(远地点）再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ牢记：第一宇宙速度是最大的环绕速度，同时也是最小的发射速度。火星探测器—天问一号天问一号发射过程4.地球同步卫星接着我们来认识一种非常重要的人造卫星——地球同步卫星。所谓地球同步卫星，是指卫星相对于地面静止，即与地球具有相同自转周期的卫星，T=24h。地球同步卫星必须位于赤道上方距地面高h处，并且h是一定的。那请同学们计算总结一下同步卫星有哪些特点。（1）同步卫星一定在赤道平面上。（2）同步卫星离地面的高度是确定的。学生通过计算求出这个确定的高度：由得：

（T为地球自转周期，M、R分别为地球的质量，半径）代入数值解得h=3.6×107m。（3）三颗同步卫星基本可以覆盖全球。（四）载人航天与太空探索1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。1961年4月12日，苏联空军少校加加林进人了东方一号载人飞船，火箭点火起飞，绕地球飞行一圈，历时108min，然后重返大气层，安全降落在地面上，铸就了人类进入太空的丰碑。1969年7月16日9时32分，“阿波罗11号”成功登临月球，载人航天技术迅速发展。1992年，中国载人航天工程正式启动，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，为我国进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。伴随着神舟五号的发射成功，我国已正式启动嫦娥工程，开始了宇宙探索的新征程，截至2017年底，我国已经将11名(14人次）航天员送人太空