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1、7.4.1 宇宙航行 (宇宙速度、卫星运行、同步卫星)第七章 万有引力与宇宙航行C课堂探究一：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？思考:1.卫星在做什么运动？3.已知引力常量G、地球质量M、地球半径R、地球表面重力加速度g 请用不同的方法求出这个速度的表达式，并说明原理。2.谁提供向心力？1.第一宇宙速度 v1=7.9km/s一、宇宙速度（地球）注：发射速度是指卫星在地面附近离开发射火箭的初速度法一:万有引力提供向心力
2、法二：重力等于万有引力,提供向心力思考:1.发射速度等于第一宇宙速度时，卫星将做什么运动？2.发射速度小于第一宇宙速度时，卫星将做什么运动？3.发射速度大于第一宇宙速度时，卫星将做什么运动？5.把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？结论：第一宇宙速度是最小的发射速度，是卫星环绕地球做圆周运动的最大环绕(运行)速度4.卫星环绕地球做圆周运动的速度一定大于或等于第一宇宙速度吗？拓展：已知引力常量G、月球质量M、月球半径R、月球表面重力加速度g 请写求出月球的第一宇宙速度表达式。2、第二宇宙速度 v2=11.2 km/s阅读教材P60：了解第二、三宇宙速度3、第三宇宙速度 v3=16.
3、7 km/sl1.我国发射的“嫦娥5号”月球探测器，其发射速度应为多少？l2.我国发射的“天问一号”火星探测器，其发射速度应为多少？l3.“旅行者一号”宇宙探测器呢？2.11.2km/sv216.7km/s3.v316.7km/s“天问一号”火星探测器“旅行者1号”宇宙探测器1.7.9km/s v111.2km/s“嫦娥5号”月球探测器航天设计师,请设计发射速度！例1(多选)下列关于三种宇宙速度的说法正确的是()A第一宇宙速度v17.9 km/s，第二宇宙速度v211.2 km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于或等于v1，小于v2B美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，其发射速度大于
4、第三宇宙速度C第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造小行星的最小发射速度D第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度CD一遍过第一遍过第P82T13.2022四川省成都市期末考试已知某行星质量为地球质量的6倍,行星半径为地球半径的2倍,地球的第一宇宙速度约为8 km/s,地球与该行星均可视为球体,则该行星的第一宇宙速度约为()A.13.86 km/sB.24 km/sC.19.59 km/sD.48 km/s一遍过第一遍过第P82T3A课堂探究二：如图所示，在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动下列轨道哪些是可能的轨道
5、？哪些是不可能的轨道？卫星的轨道平面有什么特点？二、人造地球卫星极地轨道1.人造卫星的轨道特点赤道轨道一般轨道所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上运动二、人造地球卫星课堂探究三：如图所示，在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动这些卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度等跟什么因素有关？关系式如何？二、人造地球卫星越高越慢！2.人造卫星的运行规律二、人造地球卫星(1).卫星运行参量卫星运行参量(an、v、T)由由 r 决定决定,与卫星质量与卫星质量m无关无关(2).越高越慢越高越慢(3).最大运行(环绕)速度为第一宇宙速度 v1=7.9km/s教材 第64页第1题例2(多选)
6、三颗人造地球卫星A、B、C绕地球做匀速圆周运动，如图所示，已知mAmBvBvCB运行周期关系为TATBTCC向心力大小关系为FAFBFCD半径与周期关系为ABD2如图所示，a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上匀速运行的四颗人造卫星其中a、c的轨道相交于点P，b、d在同一个圆轨道上某时刻b卫星恰好处于c卫星的正上方下列说法正确的是()Ab、d存在相撞危险Ba、c的加速度大小相等，且大于b的加速度Cb、c的角速度大小相等，且小于a的角速度Da、c的线速度大小相等，且小于d的线速度B课堂探究四：地球同步卫星位于地面上方高度约36000km处,周期与地球自转周期相同。地球同步卫星按其轨道倾角的不
7、同可分为地球静止卫星、倾斜轨道同步卫星和极地轨道同步卫星。1.已知地球半径R、地球质量M、地球自转周期T、引力常量G,求地球同步卫星的高度h、线速度v、角速度、向心加速度an 2.不同位置的地球同步卫星有什么共同点？有哪些相同的量？2.高度一定：其轨道离地面高度固定不变，约为其轨道离地面高度固定不变，约为 3.6104 km4.线速度大小一定：线速度大小一定，约为线速度大小一定，约为3.1103 m/s5.向心加速度大小一定：约为约为0.23m/s23.角速度一定：等于地球自转的角速度等于地球自转的角速度1.周期一定：和地球自转周期相同，即和地球自转周期相同，即T 24h3.地球同步卫星(1)
8、.概念：与地球自转具有相同周期的卫星，叫作地球同步卫星(2).特点：几个“一定”课堂探究五：地球同步卫星位于地面上方高度约36000km处,周期与地球自转周期相同。其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角,运动方向与地球自转方向相同。因其相对地面静止,也称静止卫星。1.地球静止卫星中的“静止”是什么含义？2.不同位置的地球静止卫星有什么共同点？有哪些相同的量？分布在哪个面内？2.高度一定：其轨道离地面高度固定不变，约为其轨道离地面高度固定不变，约为 3.6104 km4.线速度大小一定：线速度大小一定，约为线速度大小一定，约为3.1103 m/s5.向心加速度大小一定：约为约为0.23m/s23.
9、角速度一定：等于地球自转的角速度等于地球自转的角速度1.周期一定：和地球自转周期相同，即和地球自转周期相同，即T 24h6.(地球静止卫星)运行方向一定：和地球自转一致，自西向东和地球自转一致，自西向东3.地球同步卫星(1).概念：与地球自转具有相同周期的卫星，叫作地球同步卫星(2).特点：七个“一定”7.(地球静止卫星)轨道平面一定：都在赤道平面内都在赤道平面内(1)同同步步卫卫星星:地球同步卫星是指在地球同步轨道上自西向东运行的人造卫星,它的轨道周期与地球的自转周期相同。地球同步卫星按其轨道倾角的不同可分为地球静止卫星、倾斜轨道同步卫星和极地轨道同步卫星。概念辨析：1.同步卫星与静止卫星(
10、2)静静止止卫卫星星:其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角,运动方向与地球自转方向相同,因其相对地面静止,也称静止卫星,即属于同步卫星的一种.注意：由于教材版本的变化,目前大部分题目中地球同步卫星主要是指地球静止卫星,注意联系题意理解！3已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，地球自转的周期为T，试求地球同步卫星的向心加速度大小。教材 第64页第3题针对训练2 2018年6月2日我国的“高分六号”在酒泉卫星发射中心发射成功，假设在轨运行的“高分六号”卫星、同步卫星和月球都绕地球做匀速圆周运动，它们在空间的位置示意图如图所示下列有关“高分六号”卫星的说法正确的是()A“高分六号”卫星的发射速
11、度可能小于7.9 km/sB“高分六号”卫星绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度小C“高分六号”卫星绕地球运行的周期比同步卫星绕地球运行的周期小D“高分六号”卫星在运行轨道上完全失重，重力加速度为0C阅读教材P61P63三、载人航天与太空探索1961年年4月月2日苏联日苏联宇航员尤里宇航员尤里.加加林加加林首次进入太空首次进入太空1969年年7月月20日美国日美国宇航员阿姆斯特朗首宇航员阿姆斯特朗首次登月次登月2003年年10月月15日我国日我国宇航员杨利伟首次遨宇航员杨利伟首次遨游太空游太空资资料料资资料料资资料料(1)航空：空气动力学航空：空气动力学概念辨析：2.航空与航天(2)航天
12、：万有引力提供向心力航天：万有引力提供向心力(1)发射速度发射速度:发射速度是指卫星 在地面附近离开发射火箭的初速度概念辨析：3.发射速度与运行(环绕)速度(2)运行运行(环绕环绕)速度速度:卫星绕地球做匀速圆周运动的线速度针对训练1 中国北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统.2020年北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力如图所示是北斗卫星导航系统中部分卫星的轨道示意图，已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动，a是地球同步卫星，则()A卫星a的角速度小于卫星c的角速度B卫星a
13、的加速度大于卫星b的加速度C卫星a的运行速度大于第一宇宙速度D卫星b的周期大于24 hA针对训练2 2018年11月1日，我国在西昌卫星发射中心成功发射第四十一颗北斗导航卫星，该卫星是我国北斗三号系统第十七颗组网卫星，它是地球同步卫星，设地球自转角速度一定，下列关于该卫星的说法正确的是()A它绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度B它沿着与赤道成一定角度的轨道运动C运行的轨道半径可以有不同的取值D如果需要可以发射到北京上空A课堂小结1.第一宇宙速度 v1=7.9km/s一、宇宙速度1.万有引力提供向心力2.重力等于万有引力,提供向心力2.第二宇宙速度 v2=11.2 km/s3.第三宇宙速度 v3=16.7 km/s3.特点：最小发射速度、最大运行(环绕)速度二、人造地球卫星特点：越高越慢特点：越高越慢1.人造卫星的轨道特点：所有卫星都在以地心为圆心的圆轨道上运动3.地球同步卫星：七个“一定”(地球静止卫星)轨道平面一定：都在赤道平面内都在赤道平面内(地球静止卫星)运行方向一定：和地球自转一致，自西向东和地球自转一致，自西向东