宇宙航行课件-高一下学期物理人教版

7.4宇宙航行

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？问题？一.宇宙速度

1.人造地球卫星的发射原理（1）牛顿的设想：在高山上水平抛出一个物体，当初速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕地球转动的人造地球卫星.2.第一宇宙速度设地球的质量为M，物体的质量为m，物体到地心的距离为r，物体做匀速圆周运动的线速度大小为v，地球的半径为R.（1）第一宇宙速度的推导方法一:物体在地球附近绕地球运动时，绕地球的运动可视作匀速圆周运动，r≈R(R=6400km)，万有引力提供物体做匀速圆周运动所需的向心力，即：

方法二:物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时，可近似认为向心力是由重力提供的，即:

∴v=gR=7.9km/s（2）第一宇宙速度的意义①最大的环绕速度②最小发射速度③近地卫星速度注意：如果飞行器的发射速度小于第一宇宙速度，飞行器将落到地面而不能绕地球运行.（2）意义：使飞行器挣脱地球引力的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度.3.第二宇宙速度（1）大小：v=11.2km/s.注意：①当发射速度大于7.9km/s而小于11.2km/s时，飞行器绕太阳运动的轨迹为椭圆②当发射速度大于或等于11.2km/s时，飞行器就会克服地球引力，永远的离开地球.①当发射速度大于11.2km/s而小于16.7km/s时，飞行器绕太阳运动的轨迹为椭圆，它将成为一颗人造行星.4.第三宇宙速度（1）大小：v=16.7km/s.（2）意义：使飞行器挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最小发射速度.注意：②当发射速度大于或等于16.7km/s时，飞行器就会挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间.

CD二.人造地球卫星人造地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度，但轨道平面一定过地心.当轨道平面与赤道平面重合时，称为赤道轨道；当轨道平面与赤道平面垂直时，即通过极点，称为极地轨道，如图所示．例2.（多选）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线（非赤道）是共面的同心圆B．与地球表面上某一经线所决定的圆是共面的同心圆C．与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，且从地球表面看卫星是静止的D．与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，但卫星相对地球表面是运动的CD三.近地卫星和地球同步卫星

近地卫星指的是运行轨道半径r近似等于地球半径R的卫星，近地卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力是由地球对近地卫星的万有引力提供的.它的运行速度等于第一宇宙速度.1.近地卫星2.地球同步卫星（1）运行方向一定：地球同步卫星的运行方向与地球的自转方向一致.（3）角速度一定：地球同步卫星的角速度等于地球自转的角速度.（2）周期一定：地球同步卫星即与地球同步运行的卫星，从地面上看，它总在某地的正上方，好像静止地悬挂在空中，因此被称为地球同步卫星.因为地球同步卫星相对于地面静止，所以它具有和地球自转相同的周期，即T=24h.（4）线速度大小一定：所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小相同，均是3.07km/s．

（6）高度固定不变：设地球同步卫星距地面的高度为h，地球的质量、半径分别为M、R.由于地球同步卫星做匀速圆周运动所需的向心力是由地球对它的万有引力提供的，则

（7）轨道平面一定：若给赤道上A点的正上方P处发射一颗卫星(h=35800km,T=24h)，如图所示，经过一段时间，赤道上A点随地球自转到达A＇处，而该卫星运行到P＇处，即该卫星始终在某地的正上方.但是，若给某一纬度B点的正上方Q处发射一颗卫星(h=35800km,T=24h),经过一段时间，地面上的B点随地球自转到达B＇处，而该卫星运行到Q＇处，即该卫星不能始终在某地的正上方.所以地球同步卫星只能在赤道正上方的某一高度处.结论：地球同步卫星一定位于赤道所在平面内，离地高度、线速度大小、角速度、加速度大小、周期均是唯一确定的.例3.甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道均可视为圆轨道．以下判断正确的是()A．甲的角速度小于乙的角速度

B．甲的加速度大于乙的加速度

C．乙的速度大于第一宇宙速度

D．甲在运行时能经过北京的正上方A四.近地卫星、同步卫星、赤道上的物体的比较

1.近地卫星和赤道上的物体（1）相同点：运行轨道半径相同．（2）不同点：①受力情况不同，近地卫星只受地球引力的作用，地球引力提供近地卫星做圆周运动所需的向心力；而赤道上随地球自转的物体受地球引力和地面支持力的作用，其合力提供物体做圆周运动所需的向心力.

2.赤道上的物体和同步卫星（1）相同点：角速度都等于地球自转的角速度，周期都等于地球自转的周期.（2）不同点：①轨道半径不同，同步卫星的轨道半径比赤道上的物体的轨道半径大得多.②受力情况不同，赤道上的物体受万有引力和支持力的共同作用，同步卫星只受地球引力作用.例4.如图所示，卫星

a

、b、c沿圆形轨道绕地球运行．a是极地轨道卫星，在地球两极上空约1000km处运行；b是低轨道卫星，距地球表面高度与a相等；c是地球同步卫星．则()A.a、b的角速度比c的小B.a

、b的线速度大小相等C.a

、b的向心力大小一定相等D.a

、b的向心加速度大小比c的小B拓展：人造卫星轨道变化分析1.卫星变轨问题

2.地球同步卫星的变轨道发射问题发射地球同步卫星及离地比较远的卫星一般不采用普通卫星直接发射的方法，而是采用变轨道发射，如图所示．首先，利用第一级火箭将卫星送到180～200km的高空，然后依靠惯性进入停泊轨道1．当到达赤道上空时，第二、三级火箭点火，地球同步卫星进入位于赤道平面内的椭圆转移轨道2，且轨道远地点P的离地高度为35800km．当到达远地点时，地球同步卫星启动发动机，然后改变方向进入同步轨道3．（1）地球同步卫星的发射过程这种发射方法有两个特点：一是对火箭推力要求较低；二是发射场地局限在赤道上.

（2）变轨运行各物理量间的关系

例5.如图所示，在发射地球同步卫星的过程中，卫星首先进入椭圆轨道

Ⅰ,然后在Q点通过改变卫星速度，让卫星进入地球同步轨道Ⅱ，则()A．在轨道Ⅰ