宇宙速度与航天+高一下学期物理粤教版（2019）必修第二册

第三章

万有引力定律第4节

宇宙速度与航天1.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。2.理解人造卫星的相关知识，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卫星发射的情况。嫦娥奔月“嫦娥”五号探月牛顿的设想：从高山上水平抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远。如果速度足够大，物体就不再落回地球，将绕着地球运动，成为人造地球卫星。这个足够大的速度应为多大？思考：可以先算出某一绕着地球做匀速圆周运动的飞行器的速度。一、宇宙速度已知Ｇ=6.67×10-11N·m2/kg2,地球质量M=5.89×1024kg,地球半径R=6400km，这个速度多大呢？近地卫星在地面附近飞行，r≈R。地球对物体的万有引力恰好提供向心力方法一：由可知，r越小，v越大，因此这个速度是所有卫星速度中的最大值。是卫星做匀速圆周运动的最大环绕速度。已知地球表面重力加速度g=9.8m/s2，地球半径R=6400km,能否计算物体恰好绕地球做匀速圆周运动的速度呢？物体恰好绕地球做匀速圆周运动时，万有引力等于重力，也就是重力提供物体圆周运动的向心力方法二：第一宇宙速度v=7.9km/sv=7.9km/s，这是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，称为：第一宇宙速度(也叫环绕速度)7.9km/s是人造地球卫星进入轨道的最小的发射速度。也是卫星的运行的最大环绕速度。第一宇宙速度若飞行器的发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，飞行器的轨迹就不是圆，而是椭圆。发射速度大于或等于11.2km/s，航天器就会挣脱地球引力，不再绕地球运行，而是绕太阳运动或飞向其他行星，人们将11.2km/s称为第二宇宙速度，也叫做脱离速度，是卫星挣脱地球引力的最小发射速度。第二宇宙速度v=11.2km/s挣脱太阳引力束缚的最小发射速度叫做第三宇宙速度，也叫做逃逸速度，数值是16.7km/s.第三宇宙速度

v=16.7km/s二、人造卫星人造卫星是指环绕地球在宇宙空间轨道上运行的无人航天器．

人造卫星的用途很广，通信卫星可以作为无线电通信中继站，把通信范围扩展至全球；测地卫星可以测量地形（如图３

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２所示），勘探地下矿藏；气象卫星可以拍摄云图，观测气象变化；科学卫星可以帮助科学家在太空中做许多在地面做不了的实验；等等．

此，发射卫星甚至卫星组网是各国航天事业的工作目标之一．北斗卫星导航系统计划于2020年前后建成，它将为全球用户提供稳定、可靠、优质的导航服务，并与世界其他导航系统携手，共同促进人类文明和社会发展。如图３－４－３所示，北斗卫星导航系统计划于２０２０年前后建成由５颗静止轨道和３０颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统．其中静止轨道卫星又称为同步卫星，是指与地球相对静止的星．这种卫星的轨道平面与赤道平面重合，并且位于赤道上空一定的高度上。r↑则

T↑，v↓，ω↓，a↓r↑，T↑r↑，v↓r↑，ω↓r↑，a↓卫星的运行由万有引力提供向心力，有结论：高轨低速大周期。【例题】:已知地球的质量M=5.97×1024kg,半径R=6.37×106m,自转周期T=24h,G=6.67×10-11N·m2/kg2(1)地球对卫星的引力就是卫星绕地球运动所需的向心力,列出万有引力定律与向心力公式的关系式,即可求解(1)估算同步卫星离地面的高度.(2)简述为什么同步卫星轨道平面要与赤道平面重合(2)根据同步卫星的功能,结合万有引力定律与圆周运动的特点进行分析分析:(1)设同步卫星离地面的高度为h,地球对同步卫星的引力就是同步卫星运动所需向心力,则有(2)卫星绕地球做圆周运动所需向心力等于地球对卫星的万有引力,因此卫星轨道的圆心位于地心,即地心位于卫星轨道平面上.“同步”的意思是卫星与地球保持相对静止,即同步卫星运动与地球自转的角速度和方向相同而同时满足这两个条件的,只有地球赤道平面.因此,同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合.解得解:同步卫星五定定周期：T=24h定轨道：在赤道上空定高度：h=36000km总结：地球同步卫星的特点定角速度：与地球自转角速度相等定线速度：v=3.1km/s环绕速度V=3.075km/sh=3.6×107mr=4.26×107mv=3.1km/sT=24hh=3.8×108mr≈3.8×108mv=1km/sT=27天h≈0r=6.4×106mv=7.9km/sT=85分钟同步卫星近地卫星月球近地卫星、同步卫星、月球三者比较同步卫星的应用：⑴同步卫星主要用于通讯，由于它相对地面静止，相当于架在高空中的固定的转播台。⑵根据数学运算，一颗同步卫星能覆盖地球面积的1／3，除在南北两极纬度82°以上是盲区外。三颗等距离的同步卫星可覆盖全球。⑶为了使同步卫星之间不互相干扰，大约30左右才能放置1卫颗，故地球的同步卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种有限资源。1969年7月20日，阿波罗11号将人类送上了月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他在月球上迈出了一小步，却是人类迈出的一大步。三、遨游太空１９５７年１０月４日，苏联发射了第一颗人造地球卫星，标志着人类进入了航天时代，展开了对太空的探索．１９６１年４月１２日，世界第一艘载人宇宙飞船“东方１号”载着苏联宇航员加加林（Ｙ

Ｇａｇａｒｉｎ，１９３４—１９６８）环绕地球一圈，第一次实现了人类遨游太空的梦想．1990年4月24日,哈勃空间望远镜升空,人类有了性能卓越的空间天文台,如图3-4-5所示

直到1976年“维京1号”探测器成功着陆火星并发回照片数据,人类正式开始对火星的探测.此后一系列火星探测器(如“机遇号”“好奇号”“洞察号”等)陆续登陆火星(如图3-4-6所示),开展各项科学考察任务

2003年10月15日,中国“神舟五号”飞船成功发射,把我国第一位宇航员杨利伟送入太空(如图3-4-7所示).这是中国首次载人航天飞行.中国成为第三个依靠自己的力量将宇航员送上太空的国家。2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功。神舟八号神舟九号爱因斯坦曾说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”。你想加入破解它的行列吗？神舟十号

2017年4月22日,“天舟一号”货运飞船(如图3-4-8所示)与“天宫二号”空间实验室完成首次推进剂在轨补加,正式宣告中国航天事业迈进“空间站”时代

现时,我国正在筹备建立空间站(如图3-4-9所示),到2024年国际空间站退役时,中国可能成为全球唯一拥有空间站的国家

2013年“嫦娥三号”探测器成功实现月球软着陆,“玉免号”月球车(如图3-4-10所示)开展自动巡视勘测1.关于第一宇宙速度，下列说法正确的是：()A.大小是7.9km/hB.它是人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度C.它是物体成为地球卫星的最小发射速度D.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度BC2、人造卫星以地心为圆心做匀速圆周运动，下列说法正确的是：

A.半径越大，速率越大，周期越小

B.半径越大，速率越小，周期越大

C.所有卫星的角速度相同，与半径无关

D.所有卫星的速率均相同，与半径无关B3、地球同步卫星距离地心的距离为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，地球的半径为R，则A、B、C、D、(A、D)4、可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道A、与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面同心圆B、与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面同心圆C、与地球表面上的赤道线是共面同心圆，且卫星相对地球表面