宇宙航行 高一下學期物理人教版（2019）必修第二冊

宇宙航行物理觀念了解人造地球衛(wèi)星的最初構想；會解決涉及人造地球衛(wèi)星運動的較簡單的問題；知道三個宇宙速度的含義和數(shù)值，會推導第一宇宙速度科學思維了解人造地球衛(wèi)星和同步衛(wèi)星，體會探究精神科學探究通過對于宇宙速度的理解和應用，計算第一宇宙速度提高分析計算和概括能力科學態(tài)度與責任了解人造地球衛(wèi)星的最初構想，感受人類對客觀世界不斷探究的精神和情感核心素養(yǎng)從遠古時代起人們就想象著飛向太空，奔向月球，那么怎樣才能實現(xiàn)這一夢想呢?這一節(jié)我們來探究這個問題．新課導入

拋出一個物體，物體將會落回到地面.如果物體被拋出時的初速度足夠大，物體還會落回地面嗎？ 英國科學家牛頓最早提出，拋出物體的初速度足夠大時，物體將成為人造地球衛(wèi)星，不再落回到地面.

300多年前，牛頓提出設想:從高山上用不同的水平速度拋出物體,速度越大,落點離山腳越遠.一、宇宙速度地球如果沒有空氣阻力,當速度足夠大時,物體就永遠不會落到地面上,它將成為一顆繞地球運動的人造地球衛(wèi)星.方法一：衛(wèi)星繞地球做圓周運動，地球對衛(wèi)星的萬有引力提供向心力。設地球質量為M，半徑為R.人造地球衛(wèi)星在圓軌道上運行，質量為m，軌道半徑為r.從上式可以看出:,衛(wèi)星離地心越遠，它運行的速度越慢。對于靠近地面的衛(wèi)星，可以認為此時的r近似等于地球半徑R，把r用地球半徑R代入，可以求出方法二：衛(wèi)星繞地球做圓周運動，重力提供向心力。

1．第一宇宙速度(7.9km/s)

衛(wèi)星環(huán)繞地球做勻速圓周運動的最大速度，叫第一宇宙速度．將人造地球衛(wèi)星送入預定的軌道運行所必須具有的速度，叫發(fā)射速度．軌道越高，繞地球運行的環(huán)繞速度越小．因此，第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所具有的速度，是人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動所具有的最大速度，也是發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度．2、第二宇宙速度：

在地面上發(fā)射飛行器，如果發(fā)射速度大于7.9km/s而小于11.2km/s時，它繞地球運行的軌道不是圓而是橢圓．當發(fā)射速度等于或大于11.2km/s時，它就會克服地球的引力成為繞太陽運轉的人造行星或飛到其他行星上去．11.2km/s稱為第二宇宙速度．3、第三宇宙速度：當物體的速度v≥16.7km/s，物體就擺脫了太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙空間去。這個速度叫第三宇宙速度。

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

如圖所示，a、b、c三軌道中可以作為衛(wèi)星軌道的是哪幾條？

提示：衛(wèi)星作圓周運動的向心力必須指向地心abc

想一想：人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運行速度有何不同？

（1）發(fā)射速度：指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時的初速度（2）運行速度：指衛(wèi)星在進入運行軌道后繞地球做勻速圓周運動的線速度．想一想：把衛(wèi)星發(fā)射到越遠的地方是否越容易？

BA第一宇宙速度是最大速度還是最小的速度?提示：同步衛(wèi)星速度:v=3.1km/s＜v1=7.9km/s第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度

最大的環(huán)繞速度結論:【思考】三、人造衛(wèi)星的運動規(guī)律1.衛(wèi)星繞地球的運動和受力特點衛(wèi)星繞地球做圓周運動，地球對衛(wèi)星的萬有引力提供向心力。F引=F向

2.衛(wèi)星的動力學方程(r-V-ω-T的關系)地球VTωrRrMm地球思考：對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越_____________（2）離地面越高，線速度越_____________（3）離地面越高，周期越_______________（4）離地面越高，角速度越_____________（5）離地面越高，向心加速度越_________小大小小小1.發(fā)射和回收階段發(fā)射加速上升超重回收減速下降超重2.沿圓軌道正常運行只受重力a=g完全失重與重力有關的現(xiàn)象全部消失天平彈簧秤測重力液體壓強計思考：衛(wèi)星軌道的圓心在哪兒？分析：所有衛(wèi)星的圓心都在地心上。思考：現(xiàn)在有幾種衛(wèi)星？按用途分類:通信衛(wèi)星;氣象衛(wèi)星按軌道分類:基地衛(wèi)星;赤道衛(wèi)星;其他衛(wèi)星各種各樣的衛(wèi)星……五、地球同步衛(wèi)星（通信衛(wèi)星）1.所謂地球同步衛(wèi)星是指相對于地面靜止的人造衛(wèi)星，它在軌道上跟著地球自轉，同步地做勻速圓周運動，它的周期：T＝24h。2.所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個確定軌道上

，即同步衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星離地面高度為定值。3.地球同步衛(wèi)星的特點：“五個一定”（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）軌道平面一定：與地球赤道平面共面三顆同步衛(wèi)星作為通訊衛(wèi)星，則可覆蓋全球。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分鐘同步衛(wèi)星近地衛(wèi)星月球近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、月球三者比較拓展:人造衛(wèi)星的應用資源衛(wèi)星技術實驗衛(wèi)星科學探測衛(wèi)星通信衛(wèi)星快速偵測衛(wèi)星三、載人航天與太空探索1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星斯普尼克號(Sputnik,“旅行伴侶”),96分鐘繞行地球一圈，開啟太空時代.1958年1月31日，美國成功

發(fā)射“探險家1號”衛(wèi)星.1961年4月12日，蘇聯(lián)空軍

少校加加林首次進入太空.1969年7月20日，美國宇航員

阿姆斯特朗首次登陸月球.第一顆人造衛(wèi)星 That'sonesmallstepforman，onegiantleapformankind.尼爾·奧爾登·阿姆斯特朗留在月面的腳印1970年4月24日中國第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅一號發(fā)射成功,衛(wèi)星重173kg,近地點441km,遠地點2368km.2003年10月15日，中國第

一位宇航員楊利偉進入太空,飛船

繞行14圈后順利返回地面，中國

成為第三個能夠獨立開展載人航

天活動的國家。東方紅一號【例題1】某人在一星球上以速率v豎直上拋一物體，經時間t后，物體以速率v落回手中．已知該星球的半徑為R，求該星球上的第一宇宙速度．典例試做答案B【例題2】(多選)a、b、c、d是在地球大氣層外的圓形軌道上運行的四顆人造衛(wèi)星．其中a、c的軌道相交于P點，b、d在同一個圓軌道上，b、c軌道在同一平面上．某時刻四顆衛(wèi)星的運行方向及位置如圖所示．下列說法正確的是()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的線速度大小相等，且大于d的線速度D．a、c存在在P點相撞的危險思維導引：

由人造衛(wèi)星的線速度、角速度、加速度、周期與軌道半徑的關系來分析．答案A

C【變式2】關于我國發(fā)射的“亞洲一號”同步通信衛(wèi)星的說法，正確的是()A．若其質量加倍，則軌道半徑也要加倍B．它在北京上空運行，故可用于我國的電視廣播C．它以第一宇宙速度運行D．它運行的角速度與地球自轉角速度相同答案D思維導引：赤道上的物體與衛(wèi)星的受力情況不同，因此并不滿足相同的規(guī)律，