宇宙航行【高效备课精研+知识精讲提升】 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7.4宇宙航行高中物理同步备课必修第二册目录contents宇宙速度0102人造地球卫星与航天03人造卫星的分类04人造卫星的参数万户飞天的勇敢尝试嫦娥奔月的神话传说天问一号阿波罗11号登月从嫦娥奔月到万户飞天，从阿波罗11号登月到天问一号的火星之旅，人类一直在为“飞天”梦想努力着。实际上，早在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿就设想：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。导入新课宇宙速度01人造卫星的发射原理建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动基本思路：向心力由地球对卫星的万有引力提供请同学们计算：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（r=R）地球做匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度g，如何求宇宙第一速度

v？由则由此可见，v=7.9km/s，这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度，称为第一宇宙速度。M近地卫星R=rV想一想1.第一宇宙速度（环绕速度）：v=7.9km/s(物体在地面附近、环绕地球做匀速圆周运动，是最小发射速度）2.第二宇宙速度（脱离速度）：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，不再绕地球运行。我们把这个速度叫作第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。3.第三宇宙速度（逃逸速度）：如果物体的速度大于或等于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。这个速度叫第三宇宙速度。宇宙速度注意：宇宙速度都是针对发射速度；以上三个宇宙速度都是地球上的宇宙速度。．说明：（1）第一宇宙速度是发射人造地球卫星的最小发射速度,当V发=7.9km/s时，卫星恰好环绕地球表面做匀速圆周运动；要使卫星在较高的轨道上运行，就必须使发射速度大于7.9km/s。（2）第一宇宙速度是最大的环绕速度。由知，轨道越高，环绕速度越小，即人造地球卫星的环绕速度v≤7.9km/s。（3）发射速度小于7.9km/s时，卫星将不能围绕地球做圆周运动，而是落回地面。（4）第一宇宙速度是卫星相对于地心的线速度。地面上发射卫星时的发射速度，是卫星获得相对地面的速度与地球自转速度的合速度，所以赤道上自西向东发射卫星，可以节省一定的能量。（5）当发射速度大于7.9km/s时：①若7.9km/s<V发<11.2km/s,但环绕速度V运<7.9km/s，卫星仍绕地球运行，但径迹是椭圆，地球处在椭圆的一个焦点上。②若11.2km/s≤V发<16.7km/s卫星脱离地球的束缚而围绕太阳运行，成为太阳系的一颗“小行星”。③若V>16.7km/s，卫星脱离太阳的吸引，而成为自由天体。（6）人造地球卫星的运行速度和发射速度间的大小关系：V运≤7.9km/s≤V发＜11.2km/s三个宇宙速度的对比数值意义第一宇宙速度7.9km/s(1)卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度(2)人造卫星的最小地面发射速度第二宇宙速度11.2km/s使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度第三宇宙速度16.7km/s使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度巨大的挑战牛顿虽然早就预言了人造地球卫星，但因发射需达到很大的速度，这对于人类是一个巨大的挑战。直到多级火箭研制成功，才为人造地球卫星的发射创造力条件。人造地球卫星人造地球卫星与航天02第一颗人造卫星发射成功1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星——“卫星1号”被送到了外层空间。这是人类第一次冲破重力的束缚，自由自在地探测宇宙空间。苏联的这一划时代成就当即在西方世界引发了一场“卫星地震”……人类首次进入太空1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类首次进入太空的丰碑。人类登月成功1969年7月16日9时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月20日下午10时56分，指挥长阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。”中国的第一颗人造卫星发射成功1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功。东方红一号卫星于1958年提出预研计划，1965年正式开始研制，于1970年4月24日在酒泉卫星发射中心成功发射。使中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。中国载人航天嫦娥5号天问一号举世瞩目的成绩中国航天之父——钱学森钱学森，世界著名科学家，空气动力学家，中国载人航天奠基人，“中国科制之父”和“火箭之王”，由于钱学森回国效力，中国导弹、原子弹的发射向前推进了至少20年。曾任美国麻省理工学院和加州理工学院教授。1950年钱学森回国受阻，并受美国方面监禁，1955年，在毛泽东主席和周恩来总理的争取下回到中国。（1911.12.11－2009.10.31）人造卫星的分类031、卫星：卫星是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体，人造卫星一般亦可称为卫星。人造卫星是由人类建造，以太空飞行载具如火箭、航天飞机等发射到太空中，像天然卫星一样环绕地球或其它行星的装置。（不过，如果两个天体质量相当，它们所形成的系统一般称为双行星系统，而不是一颗行星和一颗天然卫星）2、卫星轨道：可以是圆轨道（地心位于圆心），也可以是椭圆轨道（地心位于椭圆的一个焦点上），但轨道平面必过地心。3、人造地球卫星的轨道：

卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力充当向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，其轨道可分为三类：（1）赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面上，卫星始终处于赤道正上方。（2）极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空。（3）倾斜轨道（一般轨道）：卫星轨道和赤道成某一的角度。F引F1F2赤道平面北南东西人造地球卫星的轨道可以像这样的“天使环”吗？这样的“天使环”轨道是否稳定？【例】（多选）如图所示的四种虚线轨迹，可能是人造地球卫星轨道的是(

)【解析】人造地球卫星靠地球的引力提供向心力，地球对卫星的万有引力方向指向地心，所以人造地球卫星做圆周运动的圆心是地心，否则不能做稳定的圆周运动。A． B． C． C．

D．

ACD按用途分类:通信卫星、气象卫星、导航卫星、预警卫星等按轨道分类:极地卫星、赤道卫星、一般轨道4、人造卫星的分类：资源卫星技术实验卫星科学探测卫星通信卫星快速侦测卫星各式各样的人造卫星5、人造卫星的两个速度（1）发射速度：指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，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）环绕速度（也叫运行速度或绕行速度）：是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度．当卫星“贴着”地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度．

注意：卫星的实际环绕速度一定小于发射速度．v发射v运行★向高轨道发射卫星时,

需要的发射速度越大。发射高轨道卫星比发射低轨道卫星困难，原因是发射高轨道卫星时火箭要克服地球对它的引力做更多的功。将卫星送入低轨道和高轨道所需的发射速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？123想一想6、卫星运动的向心加速度、线速度、角速度和周期：可见：卫星运动情况(a、V、ω

、T

)是由r

惟一决定(2)由

得：ｖ＝GMmr2=mv2r(3)由

得：ω＝GMmr2=mω2r

(4)由

得：Ｔ＝GMmr2=m()r２πT2GM4π2r3(1)由

得：a＝GMmr2=maGMr2（R为地球的半径，h为卫星距地面的高度）★“高轨低速长周期”7、近地卫星指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。设近地卫星环绕速度为v，则：例3.求近地卫星的周期能发射一颗周期为80min的卫星吗？法二：地球同步卫星041.地球同步卫星：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，通常用作通讯卫星，又叫通信卫星（或静止轨道卫星）。它在轨道上跟着地球自转，同步地做匀速圆周运动，它的周期：T＝24h。2、同步卫星的轨道指相对于地面静止的人造卫星，它跟着地球做同步的匀速圆周运动，周期T=24h。所有的同步卫星只能分布在赤道正上方的一个确定轨道，即同步卫星轨道平面与赤道平面重合。卫星离地面高度为定值。同步卫星的几个定值轨道平面一定：赤道平面周期与角速度一定：T=24h轨道半径一定:r=6.6R线速度大小一定:v=3.08km/s运转方向一定:自西向东向心加速度的大小一定:3、地球同步卫星的特点：“六个一定”（1）定轨道平面：所有地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面内。（2）定周期：运转周期等于地球自转的周期，即T＝24h（ω也一定）（3）定方向：同步卫星的运行方向与地球自转方向一致（自西向东）。（4）定高度：在赤道正上方，距地面高度高度h≈3.6×107m≈3.6×107m≈5.6R（5）定速率：运行速率为v=3.1km/s≈3.1×103m/s（6）定向心加速度：0.23m/s2想一想：地球同步卫星能否位于北京正上方某一确定高度h？R6.5Rθ4.一颗同步卫星能覆盖地球上多大范围，要想使同步卫星信号能够覆盖完整个赤道，至少需要多少颗同步卫星？至少需要3颗。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。空间位置是一种极其有限的资源。同步卫星的用途人造卫星的常用参数05人造卫星与月球参数对比h=3.6××107mr=4.2××107mv=3.08km/sT=24hh=3.8××108mr≈3.8××108mv=1km/sT=27.3天h≈0r=6.4××106mv=7.9km/sT=84分钟同步卫星近地卫星月球探究：同步卫星A、近地卫星B、赤道上物体C的比较（v、a、T）赤道同步卫星近地卫星赤道上的物体rRABC赤道上物体（C）同步卫星（A）近地卫星（B）相同点向心力来源周期转动半径都在绕地心做匀速圆周运动F引-F重=F向F引=F向F引=F向T=24hT=24hT=84minr=R地r=R地+3.6X104kmr=R地a物<a同<a近V物<V同<V近三者V的关系:三者a的关系:三者T的关系:T物=T同>T近三者r的关系:r同>r物=r近不同轨道卫星和物体的参数对比1.发射和回收阶段发射加速上升超重回收减速下降超重2.沿圆轨道正常运行只受重力a=g完全失重与重力有关的现象全部消失天平弹簧秤测重力液体压强计卫星发射和回收过程中的超失重典型例题06地球对于绕地球运动的人造卫星：（1）离地面越高，向心力越_____________（2）离地面越高，线速度越_____________（3）离地面越高，周期越_______________（4）离地面越高，角速度越_____________（5）离地面越高，向心加速度越_________小大小小小想一想教材第64页1.有人根据公式v＝ωr说：人造地球卫星的轨道半径增大2倍，卫星的速度也增大2倍。但由公式

可知，轨道半径增大时，人造地球卫星的速度是减小的。应当怎样正确理解这个问题？解：只有当角速度不变时，才满足半径增大2倍，线速度就增大2倍；实际上，随着半径的增大，由开普勒第三定律可知，周期在变大，故角速度在减小，而不能保持不变，即角速度为：教材第64页2.“2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，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，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。”根据以上消息，若不计发射与降落时间，飞船看作绕地球做匀速圆周运动，试估算神舟五号绕地球飞行时距地面的高度。已知地球质量m地＝6.0×1024kg，地球半径R＝6.4×103km。解：其中教材第64页3.已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，地球自转的周期为T，求地球同步卫星的向心加速度大小。解：其中地球表面上的物体所受的万有引力可以近似认为重力：教材第64页4.已知金星的半径是地球半径的95%，质量为地球质量的82%，金星表面的自由落体加速度是多大？金星的“第一宇宙速度”是多大？解：在金星表面：在地球表面：【典例】（多选）关于第一宇宙速度，下列说法中正确的是()A.它是人造地球卫星绕地球匀速圆周运行的最小速度B.它等于人造地球卫星在近地圆形轨道上的运动速度C.它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度D.它是卫星在椭圆轨道上运动至近地点的速度BC小试牛刀【典例】我国中星11号商业通信卫星是一颗地球同步卫星,它定点于东经98.2度的赤道上空,关于这颗卫星的说法正确的是(

)A.运行速度大于7.9km/sB.离地面高度一定,相对地面静止C.绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度小D.向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等B小试牛刀【解析】中星11号是地球同步卫星,距地面有一定的高度,运行速度要小于7.9km/s,A错误;其位置在赤道上空,高度一定,且相对地面静止,B正确;其运行周期约为24h,月球的绕行周期约为27天,由ω=知,其运行角速度比月球大,C错误;同步卫星与静止在赤道表面的物体具有相同的角速度,但半径不同,由an=ω2r知,同步卫星的向心加速度大,D错误。【正确答案】B【典例】如图所示，图中v1、v2和v3分别为第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度，三个飞行器a、b、c分别以第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度从地面上发射，三个飞行器中能够克服地球的引力，永远离开地球的是()A．只有aB．只有bC．只有c D．b和cD【典例】已知地球的质量约为火星质量的10倍，地球的半径约为火星半径的2倍，则火星的第一宇宙速度为 ()A．3.5km/sB．5.0km/sC．17.7km/s D．35.2km/sA【典例】（多选）如图所示,赤道上随地球自转的物体A、赤道上空的近地卫星B、地球同步卫星C,它们的运动都可视为匀速圆周运动,比较三个物体的运动情况,以下判断正确的是(

)A.三者的周期关系为TA<TB<TCB.三者向心加速度大小关系为aA>aB>aCC.三者角速度的大小关系为ωA=ωC<ωBD.三者线速度的大小关系为vA<vC<vBCD【解析】因为同步卫星转动周期与地球自转周期相同,故TA=TC,故A错误;因为同步卫星的周期和地球自转周期相同,故ωA=ωC,根据a=rω2知,A和C的向心加速度大小关系为aA<aC,故B错误;因为A、C的角速度相同,B、C由万有引力提供圆周运动向心力有:=mrω2可得角速度ω=,所以C的半径大,角速度小于B，即:ωA=ωC<ωB,C正确;B、C比较:得线速度v=知vC<vB,A、C间比较:v=rω,知C半径大线速度大,故有vA<vC<vB,D正确。【正确答案】CD【典例】a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星。其中a、c的轨道相交于P,b、d在同一个圆轨道上,b、c轨道在同一平面上。某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图所示,下列说法正确的是(

)A.a、c的加速度大小相等,且大于b的加速度B.b、c的角速度大小相等,且小于a的角速度C.a、c的线速度大小相等,且小于d的线速度D.a、c存在P