宇宙航行 高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

宇宙航行物理观念了解人造地球卫星的最初构想；会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题；知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度科学思维了解人造地球卫星和同步卫星，体会探究精神科学探究通过对于宇宙速度的理解和应用，计算第一宇宙速度提高分析计算和概括能力科学态度与责任了解人造地球卫星的最初构想，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感核心素养从远古时代起人们就想象着飞向太空，奔向月球，那么怎样才能实现这一梦想呢?这一节我们来探究这个问题．新课导入

抛出一个物体，物体将会落回到地面.如果物体被抛出时的初速度足够大，物体还会落回地面吗？ 英国科学家牛顿最早提出，抛出物体的初速度足够大时，物体将成为人造地球卫星，不再落回到地面.

300多年前，牛顿提出设想:从高山上用不同的水平速度抛出物体,速度越大,落点离山脚越远.一、宇宙速度地球如果没有空气阻力,当速度足够大时,物体就永远不会落到地面上,它将成为一颗绕地球运动的人造地球卫星.方法一：卫星绕地球做圆周运动，地球对卫星的万有引力提供向心力。设地球质量为M，半径为R.人造地球卫星在圆轨道上运行，质量为m，轨道半径为r.从上式可以看出:,卫星离地心越远，它运行的速度越慢。对于靠近地面的卫星，可以认为此时的r近似等于地球半径R，把r用地球半径R代入，可以求出方法二：卫星绕地球做圆周运动，重力提供向心力。

1．第一宇宙速度(7.9km/s)

卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度，叫第一宇宙速度．将人造地球卫星送入预定的轨道运行所必须具有的速度，叫发射速度．轨道越高，绕地球运行的环绕速度越小．因此，第一宇宙速度是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度，是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动所具有的最大速度，也是发射人造地球卫星的最小速度．2、第二宇宙速度：

在地面上发射飞行器，如果发射速度大于7.9km/s而小于11.2km/s时，它绕地球运行的轨道不是圆而是椭圆．当发射速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力成为绕太阳运转的人造行星或飞到其他行星上去．11.2km/s称为第二宇宙速度．3、第三宇宙速度：当物体的速度v≥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。

V1=7.9km/s地球V2=11.2km/sV3=16.7km/s【思考】

如图所示，a、b、c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪几条？

提示：卫星作圆周运动的向心力必须指向地心abc

想一想：人造卫星的发射速度和运行速度有何不同？

（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（2）运行速度：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．想一想：把卫星发射到越远的地方是否越容易？

BA第一宇宙速度是最大速度还是最小的速度?提示：同步卫星速度:v=3.1km/s＜v1=7.9km/s第一宇宙速度是最小的发射速度

最大的环绕速度结论:【思考】三、人造卫星的运动规律1.卫星绕地球的运动和受力特点卫星绕地球做圆周运动，地球对卫星的万有引力提供向心力。F引=F向

2.卫星的动力学方程(r-V-ω-T的关系)地球VTωrRrMm地球思考：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思考：卫星轨道的圆心在哪儿？分析：所有卫星的圆心都在地心上。思考：现在有几种卫星？按用途分类:通信卫星;气象卫星按轨道分类:基地卫星;赤道卫星;其他卫星各种各样的卫星……五、地球同步卫星（通信卫星）1.所谓地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星，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.所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上

，即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫星离地面高度为定值。3.地球同步卫星的特点：“五个一定”（1）周期一定：T=24h（2）高度一定:在赤道上空（3）速率、角速度一定（4）轨道平面一定：与地球赤道平面共面三颗同步卫星作为通讯卫星，则可覆盖全球。h=3.6×107mr=4.2×107mv=3km/sT=24hh=3.8×108mr≈3.8×108mv=1km/sT=27天h≈0r=6.4×106mv=7.9km/sT=84分钟同步卫星近地卫星月球近地卫星、同步卫星、月球三者比较拓展:人造卫星的应用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三、载人航天与太空探索1957年10月4日，苏联发射第一颗人造卫星斯普尼克号(Sputnik,“旅行伴侣”),96分钟绕行地球一圈，开启太空时代.1958年1月31日，美国成功

发射“探险家1号”卫星.1961年4月12日，苏联空军

少校加加林首次进入太空.1969年7月20日，美国宇航员

阿姆斯特朗首次登陆月球.第一颗人造卫星 That'sonesmallstepforman，onegiantleapformankind.尼尔·奥尔登·阿姆斯特朗留在月面的脚印1970年4月24日中国第一颗人造地球卫星东方红一号发射成功,卫星重173kg,近地点441km,远地点2368km.2003年10月15日，中国第

一位宇航员杨利伟进入太空,飞船

绕行14圈后顺利返回地面，中国

成为第三个能够独立开展载人航

天活动的国家。东方红一号【例题1】某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t后，物体以速率v落回手中．已知该星球的半径为R，求该星球上的第一宇宙速度．典例试做答案B【例题2】(多选)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点，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，且大于d的线速度D．a、c存在在P点相撞的危险思维导引：

由人造卫星的线速度、角速度、加速度、周期与轨道半径的关系来分析．答案A

C【变式2】关于我国发射的“亚洲一号”同步通信卫星的说法，正确的是()A．若其质量加倍，则轨道半径也要加倍B．它在北京上空运行，故可用于我国的电视广播C．它以第一宇宙速度运行D．它运行的角速度与地球自转角速度相同答案D思维导引：赤道上的物体与卫星的受力情况不同，因此并不满足相同的规律，