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1、宇宙航行人教版高中物理 必修2第 七 章 万 有 引 力 与 宇 宙 航 行 宇宙航行，探索太空自古以来就是人类的伟大梦想。时至今日，人类发射的各种航天器已几乎深入到太阳系的各个角落，有的甚至已飞出太阳系之外。航天技术也成为一个国家科技发展水平的综合体现，我们国家在航天领域取得了巨大的成就，已成为航天大国，正在向航天强国迈进。本章的标题是“万有引力与宇宙航行”，那么航天活动和万有引力之间有什么联系呢？本节课，我们从运动和受力分析入手，用万有引力定律和牛顿第二定律求解发射航天器所需要的速度。物体在地球附近绕地球运动时，太阳及其他天体的引力作用可以忽略，可认为只受到地球对它的万有引力作用。人造卫星
2、作圆周运动的向心力由万有引力提供。地球上的物体，发射的速度至少要达到多大才能离开地球进行宇宙航行呢？当卫星在地面附近绕地球运行时，轨道半径为r，地球的质量为m地，物体的质量为 m。请推导卫星绕地球运行速度v的表达式。思考与计算解：万有引力提供卫星作圆周运动的向心力。由此解出已知=6.6710-11N m2/kg2,地球质量M=5.891024kg,地球半径R=6400km6.4106m，近地卫星在离地面100200km的高度飞行，求近地卫星绕地球运行速度v的大小？思考与计算解：近地卫星在 100 200 km的高度飞行，远小于地球半径（6400km），可以近似用地球半径 R 代替卫星到地心的距
3、离 r。思考与讨论人类发射航天器通常都是依靠火箭技术，由于火箭质量较大，不可能直接飞到很高的高度，通常在飞出大气层之后，在地球表面附近完成“星箭分离”。卫星和火箭完成“星箭分离”时的速度称为“发射速度”。那么在地球表面附近发射卫星时，发射速度至少要达到多少呢？“发射速度”至少为7.9km/s,若 ，则 ，卫星将做向心运动，坠回地面，导致发射失败。1、第一宇宙速度（1）定义：物体在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度。v=7.9km/s（2）人造卫星的发射速度与环绕速度 发射速度:指被发射物体在地球表面附近“星箭分离”时的速度。环绕速度：指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度
4、。一、宇宙速度若卫星的发射速度大于 7.9km/s，会出现什么情况？7.9km/s7.9km/s v 11.2 km/s 椭圆圆思考与讨论若卫星的发射速度大于 7.9km/s，又小于11.2km/s时，它绕地球运动的轨迹不再是圆，而是椭圆，发射速度越大，椭圆轨道越“扁”。（2）意义：使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。2、第二宇宙速度（1）当飞行器的速度等于或大于 11.2 km/s 时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把 11.2 km/s叫作第二宇宙速度。v=11.2km/s注意：达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。7.9km
5、/s7.9km/s v 11.2 km/s 椭圆圆11.2km/s16.7km/s3、第三宇宙速度 v=16.7km/s（1）当物体的速度等于或大于16.7km/s时，物体可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空 间。16.7km/s叫做第三宇宙速度。（2）意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。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，所以直到多级火箭的研制成功，才为人造地球卫星的发射创造了条件。1957年10月，苏联发射第一颗人造地球卫星。开创了人类航天时代的新纪元。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，
6、开创了中国航天史的新纪元。科学家钱学森被誉为“中国航天之父”为我国航天事业作出特殊贡献。自首颗人造地球卫星发射后，人类已经发射了数千颗人造地球卫星，其中的通信、导航、气象等卫星已极大地改变了人类的生活。1、圆轨道卫星 轨道是圆的卫星，圆轨道卫星绕地球做匀速圆周运动。三、人造地球卫星赤道轨道极地轨道倾斜轨道地球同步卫星2、环绕速度 圆轨道卫星环绕地球做匀速圆周运动时的速度。三、人造地球卫星 r越大，T越大（4）r越大，an越小（1）r越大，v越小（2）r越大，越小（3）越高越慢第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，发射速度低于它，卫星将落回地面而不能绕地球运转。“第一宇宙速度是最小发射速度，但同时也
7、是最大环绕速度”如何理解？思考与讨论由 知，卫星轨道半径为r越小，v环绕越大，第一宇宙速度是卫星在地球表面附近绕地球运行时的速度，rR，所以v环绕最大。即第一宇宙速度是最大环绕速度。第一宇宙速度即是最小发射速度，也是最大环绕速度。由 知：高轨道上运行的卫星，线速度小，是否意味着发射高轨道卫星比发射低轨道卫星要容易呢？思考与讨论高轨道卫星的发射通常要多次进行变轨，在地球表面附近发射时，速度要大于第一宇宙速度（小于第二宇宙速度），成为椭圆轨道卫星，到达远地点时再进行变轨，成为高轨卫星，轨道越高，所需要的发射速度越大。所以第一宇宙速度是最小发射速度。3、两种特殊的圆轨道卫星（1）近地卫星：在地球表面
8、附近绕地球做匀速圆周运动，轨道半径约等于地球半径。特点：三、人造地球卫星（2）地球同步卫星：地球同步卫星位于赤道上方高度约 36000 km 处，因相对地面静止，也称静止卫星。特点：轨道一定：同步卫星轨道必须在赤道上空；高度一定:r=4.2104 km，h=3.6104 km 周期一定：T=24h=86400s；角速度一定；速率一定：v=3.1km/s；向心加速度一定。三、人造地球卫星4.卫星的变轨发射AB（1）变轨发射过程 利用火箭将卫星送至近地轨道，以速度v1发射后，沿轨道匀速圆周运动。在A点点火加速，速度变为vA，开始离心运动，沿椭圆轨道运动至远地点B，从A到B速度逐渐减小，至B点时速度
9、为vB。在B点点火加速到适当速度（v3）后，卫星沿轨道运动，成为圆轨道卫星。4.卫星的变轨发射AB（3）加速度关系：在轨道上经过A点时的加速度和在轨道上经过A点时的加速度相等。在轨道上经过B点时的加速度和在轨道上经过B点时的加速度相等。（2）速度关系：四、载人航天与太空探索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。实现了人类进入太空的梦想。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，指挥长阿姆斯特朗踏上月面并说出
10、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。“中国航天日”，是为了纪念中国航天事业成就，发扬中国航天精神而计划设立的一个纪念日。2016年3月8日，国务院批复同意自2016年起，将每年4月24日设立为“中国航天日”。“中国航天日”为每年的 4月 24日，是 因 为1970年的这一天，长征一号火箭将我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”送入太空，拉开了中华民族进军太空的序幕。我国的航天成就1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空长征系列火箭2005年10月12日神舟六号费俊龙 聂海胜2003年10月15日神舟五号中国第一位航天员杨利伟中国载人航天2008
11、年9月25日神舟七号翟志刚 刘伯明 景海鹏2012年6月16日神舟九号景海鹏 刘洋 刘旺聂海胜 张晓光 王亚平2013年6月11日神舟十号中国空间站载人空间站命名为天宫，货运飞船命名为天舟。中国载人空间站整体名称及各舱段和货运飞船共5个名称具体如下：载人空间站命名为天宫，代号TG；核心舱命名为天和，代号TH；实验舱命名为问天，代号WT；实验舱命名为梦天，代号MT；货运飞船命名为天舟，代号TZ。中国探月工程嫦娥一号嫦娥二号嫦娥三号嫦娥四号-玉兔号月球车嫦娥五号-实现月壤采集带回王希季，白族，祖籍云南大理上末村，中国卫星与返回技术专家，两弹一星功勋奖章获得者，国际宇航科学院、中国科学院院士。王希季是中国空间事业开创人之一，卫星总设计师、空间返回技术学科的带头人。他是中国第一枚运载火箭“长征一号”总体方案的设计者，中国18种探空火箭中有12种是他担任型号负责人研制出来的。他是中国第一颗返回式卫星总设计师，中国返回式卫星之父。