1、第5节宇宙航行学习目标：1.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度.2.理解掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系.3.了解人造卫星的相关知识及我国卫星发射的情况，激发学生的爱国热情一、人造地球卫星课本导读预习教材第44页前4自然段部分，请同学们关注以下问题：1怎样做才能让抛出的物体不再落回地面呢？2近地卫星的运动一般看成是哪种运动？知识识记1牛顿的设想当物体的初速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地面，成为一颗绕地球转动的人造卫星，如图所示2运动规律一般情况下可认为人造卫星绕地球做匀速圆周运动3向心力来源人造地球卫星的向心力由地球对它的万有引力提供即：Gm.二、宇宙速度
2、课本导读预习教材第44页“宇宙速度”部分，请同学们关注以下问题：1三个宇宙速度的数值分别是多少？2三个宇宙速度的意义分别是什么？知识识记数值意义第一宇宙速度7.9km/s卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度第二宇宙速度11.2km/s使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度第三宇宙速度16.7m/s使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度三、梦想成真课本导读预习教材第4445页“梦想成真”部分，请同学们关注以下问题：1人类第一颗人造地球卫星是什么时候发射成功的？2中国的第一颗人造地球卫星又是什么时候升空的？3中国的载人航天历史是什么时候开始的？知识识记11957年10月4日前苏联成功发
3、射了第一颗人造地球卫星21961年4月12日，苏联空军少校加加林进入“东方一号”载人飞船，铸就了人类进入太空的丰碑31969年7月，美国“阿波罗11号”飞船登上月球41970年4月24日，中国的第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功52003年10月15日，我国“神舟五号”宇宙飞般发射成功，把中国第一位航天员杨利伟送入太空1第一宇宙速度是发射卫星的最小速度()答案2无论从哪个星球上发射卫星，发射速度都要大于7.9 km/s.()答案3当发射速度v7.9 km/s时，卫星将脱离地球的吸引，不再绕地球运动()答案4地球所有的卫星在轨道上的运行速度都为7.9 km/s.()答案5人造地球卫星离地面
4、越高，运动速度越小()答案要点一对三个宇宙速度的理解重难点突破型知识精要1第一宇宙速度(环绕速度)：是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度，也是人造地球卫星的最小发射速度，其大小为v7.9 km/s.2第一宇宙速度的推导：设地球的质量为M5.981024 kg，近地卫星的轨道半径等于地球半径R6.4106 m，重力加速度g9.8 m/s2.方法一：万有引力提供向心力由Gm得v7.9 km/s.方法二：重力提供向心力由mgm得v7.9 km/s.3第一宇宙速度的重点理解(1)“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力近地轨道是人造卫星
5、的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度(2)“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由Gm可得v，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度4第二宇宙速度(脱离速度)：在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳运动的人造行星或绕其他行星运动的人造卫星所必需的最小发射速度，其大小为11.2 km/s.5第三宇宙速度(逃逸速度)：在地面上发射物体，使之最后能脱离太阳的引力作用，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小发射速度，其大小为16.7 km
6、/s.典例剖析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审题指导(1)物体做竖直上抛运动的加速度与星球表面的重力加速度有何关系？(2)物体在星球表面做匀速圆周运动的向心力与物体所受的重力有何关系？(3)物体沿星球表面做匀速圆周运动的线速度与该星球的第一宇宙速度有何联系？尝试解答根据匀变速运动的规律可得，该星球表面的重力加速度为g，该星球的第一宇宙速度，即为卫星在其表面附近绕它做匀速圆周运动的线速度，该星球对卫星的引力(重力)提供卫星做圆周运动的向心力，则mgm，该星球表面的第一宇宙速度为v1.答案一般求某星球的第一宇宙速
7、度，都联系“最大环绕速度”这一点来解答，其中关键是该天体的质量以及半径是否已知，本题是利用了“黄金替代”并综合了竖直上抛的知识而求解的.题组训练1(第一宇宙速度)若取地球的第一宇宙速度为8 km/s，某行星的质量是地球质量的6倍，半径是地球半径的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为()A16 km/s B32 km/sC4 km/s D2 km/s解析由Gm得v，因为行星的质量M是地球质量M的6倍，半径R是地球半径R的1.5倍，即M6M，R1.5R，所以2，则v2v16 km/s，A正确答案A2(第一宇宙速度)恒星演化发展到一定阶段，可能成为恒星世界的“侏儒”中子星中子星的半径较小，一般在720
8、 km，但它的密度大得惊人若某中子星的半径为10 km，密度为1.21017 kg/m3，万有引力常量G6.671011 Nm2/kg2，那么该中子星上的第一宇宙速度约为()A7.9 km/s B16.7 km/sC2.9104 km/s D5.8104 km/s解析中子星上的第一宇宙速度即为它表面处的卫星的环绕速度，此时卫星的轨道半径可近似地认为是该中子星的半径，且中子星对卫星的万有引力充当向心力，由Gm，得v，又MV，得vr5.8107 m/s5.8104 km/s，D正确答案D要点二人造地球卫星重难点突破型知识精要1人造地球卫星的轨道(1)椭圆轨道：地心位于椭圆的一个焦点上(2)圆轨道：
9、卫星绕地球做匀速圆周运动，卫星所需的向心力由万有引力提供，由于万有引力指向地心，所以卫星的轨道圆心必然是地心，即卫星在以地心为圆心的轨道平面内绕地球做匀速圆周运动(3)卫星的三种轨道：地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度，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2卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系推导式关系式结论线速度Gmvr越大，v越小角速度Gmr2r越大，越小周期Gmr2T2r越大，T越大向心加速度Gmaar越大，a越小3.地球同步卫星(1)定义：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，叫做地球
10、同步卫星(2)特点：(七个“一定”)同步卫星的运行方向与地球自转方向一致同步卫星的运转周期与地球自转周期相同，T24 h.同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度同步卫星的轨道平面均在赤道平面上，即所有的同步卫星都在赤道的正上方同步卫星的高度固定不变由mr2知r.由于T一定，故r一定，而rRh，h为同步卫星离地面积的高度，hR.又因GMgR2，代入数据T24 h86400 s，g取9.8 m/s2，R6.38106 m，得h3.6104 km.同步卫星的环绕速度大小一定：设其运行速度为v，由于Gm，所以v m/s3.1103 m/s.向心加速度大小一定典例剖析如图所示，a、b、c是大气层外圆形
11、轨道上运行的三颗人造地球卫星，a、b质量相同且小于c的质量，下列说法中正确的是()Ab、c的线速度大小相等且大于a的线速度Bb、c的向心加速度相等且大于a的向心加速度Cb、c的周期相等且大于a的周期Db、c的向心力相等且大于a的向心力审题指导(1)卫星的轨道半径与线速度、向心加速度、周期有何关系？(2)向心力是由什么力提供的？向心力与哪些因素有关？尝试解答a、b、c三颗人造地球卫星做圆周运动所需的向心力都是由地球对它们的万有引力提供. 由牛顿第二定律得Gmmrma(M为地球的质量，m为卫星的质量)，所以v，与卫星质量无关，由图知rbrcra，则vbvcra，得abacra得TbTcTa，C正确
12、；FnG，与质量m和半径r有关，由mambra知，即FnaFnb，即FnbFnc，与无法比较，D错误答案C本题的解答突破口在于抓住a，b，c是围绕同一中心天体运行的卫星，利用好牛顿第二定律和万有引力定律，将参量与轨道半径之间的关系明确出来，问题则迎刃而解.(多选)地球同步卫星到地心的距离r可由r3求出已知式中a的单位是m，b的单位是s，c的单位是m/s2，则()Aa是地球半径，b是地球自转的周期，c是地球表面处的重力加速度Ba是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是同步卫星的加速度Ca是赤道周长，b是地球自转周期，c是同步卫星的加速度Da是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是地球
13、表面处的重力加速度审题指导(1)人造地球卫星绕地心运动的向心力由什么力提供的？(2)天体问题的解答有几个思路？由题给出的式子中的42是如何出现的呢？尝试解答同步卫星绕地心运动的周期等于地球自转的周期，所以Gmr即得r3按题中所给式子的单位是：m、s、m/s2，显然都不是G、M的单位，需将G、M代换掉由黄金代换式GMgR2可得r3按上述分析，可知正确选项为A、D.答案AD分析求解与同步卫星相关的问题时，除了要理解同步卫星的“七定”(定周期、定轨道平面、定高度、定运行速率、定向心加速度)等特征外，还要理解同步卫星与近地卫星及赤道上物体的区别与联系.易错警示易错点由于对人造卫星的运行规律认识不清而致
14、错(多选)假如做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增加到原来的2倍，仍做圆周运动，则()A根据公式vr可知卫星运动的线速度将增大到原来的2倍B根据公式F可知卫星所需的向心力将减小到原来的C根据公式FG可知地球提供的向心力将减小到原来的D根据上述B和C中给出的公式可知，卫星运行的线速度将减小到原来的错解AB错因分析对人造卫星的运行规律认识不清，盲目套用公式，不能正确判断当轨道半径发生变化时，相关物理量如何改变正确解答人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供，有G，得v，则离地球越远的卫星运行速度越小，当半径增加到原来的2倍时，引力变为原来的，速度变为原来的倍，选项B错误，
15、选项C、D正确由于，所以对于公式vr，当r增加到原来的2倍时，并不是恒量，所以选项A错误答案CD在讨论此类问题时，一定要分清哪些物理量是不变量，哪些物理量是变量，并由物理公式明确变量间的函数关系.解题的关键是对物理概念和规律的正确理解，绝对不能盲目套用公式.题组训练1(同步卫星的轨道特点)(多选)如图所示的三颗人造地球卫星，则下列说法正确的是()A卫星可能的轨道为a、b、cB卫星可能的轨道为a、cC同步卫星可能的轨道为a、cD同步卫星可能的轨道为a解析卫星的轨道平面可以在赤道平面内，也可以和赤道平面垂直，还可以和赤道平面成任一角度但是由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，所以，
16、地心必须是卫星圆轨道的圆心，因此卫星可能的轨道一定不会是b.同步卫星只能位于赤道的正上方，所以同步卫星可能的轨道为a.综上所述，正确选项为B、D.答案BD2(近地卫星的轨道特点)(多选)原计划的“铱”卫星通讯系统是在距地球表面780 km的太空轨道上建立一个由77颗小卫星组成的星座这些小卫星均匀分布在覆盖全球的7条轨道上，每条轨道上有11颗卫星，由于这一方案的卫星排布像化学元素“铱”原子的核外77个电子围绕原子核运动一样，所以称为“铱”星系统后来改为由66颗卫星，分布在6条轨道上，每条轨道上由11颗卫星组成，仍称它为“铱”星系统“铱”星系统的66颗卫星，其运行轨道的共同特点是()A以地轴为中心
17、的圆形轨道B以地心为中心的圆形轨道C轨道平面必须处于赤道平面内D“铱”星运行轨道远低于同步卫星轨道解析“铱”卫星系统作为覆盖全球的通讯卫星系统，在地球引力的作用下，在以地心为中心的圆形轨道上运行，故B正确，A、C错误“铱”卫星系统距地面的高度为780 km，远低于同步卫星距地面的高度，故D正确答案BD课堂归纳小结知识体系本节小结1人造卫星环绕地球的运动一般可看成匀速圆周运动，所需向心力由地球对卫星的万有引力来提供2.第一宇宙速度是发射的人造地球卫星离开地面，在地面附近做匀速圆周运动的最小发射速度，也是最大环绕速度，其大小为v17.9 km/s.3第二宇宙速度是发射物体挣脱地球引力束缚，离开地球的最小发射速度，其大小为v211.2 km/s.4第三宇宙速度是发射物体能挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去的最小发射速度，其大小为v316.7 km/s.5地球同步卫星又叫通信卫星，是指相对地面静止的和地球具有相同运动周期的卫星T同24 h，同步卫星的轨道平面、离地高度、速率、定点高度等均是固定唯一的.
