第七章　4.宇宙航行.docxVIP

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4.宇宙航行

【课程标准】

1.会计算人造地球卫星的环绕速度。

2.知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。

3.了解牛顿力学对航天技术发展的重大贡献。

【知识导图】

【情境引入】

北斗卫星导航系统,是中国自行研制的全球卫星导航系统;全球定位系统,是美国研制发射的一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统;伽利略卫星导航系统,是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统;格洛纳斯,是俄罗斯研制的卫星导航系统。

但是,你知道吗?无论哪种卫星导航系统,都起源于牛顿的一个大胆设想,所有的航天发射也都离不开这个设想。那么,牛顿的这个设想是什么?各种不同的卫星又有哪些共同的运行规律?带着这些疑问,进入我们今天的学习之旅。

必备知识·认知导学

一、宇宙速度

1.牛顿的设想

如图所示,把物体从高山上水平抛出,如果抛出速度足够大,物体就不会落回地面,它将绕地球运动,成为人造地球卫星。

2.第一宇宙速度的推导

r=R

(1)已知地球质量m地和半径R,物体在地面附近绕地球的运动可视为匀速圆周运动,万有引力提供物体运动所需的向心力,轨道半径r近似认为等于地球半径R,由Gmm地R2=mv2R

(2)已知地面附近的重力加速度g和地球半径R,由mg=mv2R得:v=

3.三种宇宙速度

(1)第一宇宙速度:v1=7.9km/s,卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度,又称环绕速度。

(2)第二宇宙速度:v2=11.2km/s,使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度。

(3)第三宇宙速度:v3=16.7km/s,使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度。

二、人造地球卫星

1.三种轨道

(1)赤道轨道:卫星轨道在赤道所在平面上,卫星始终处于赤道上方。

(2)极地轨道:卫星轨道平面与赤道平面垂直,卫星经过两极上空。

(3)一般轨道:卫星轨道平面和赤道平面成一定角度(不等于0°或90°),如图所示。

2.同步卫星的特点

也称为“静止卫星”

地球同步卫星位于地面上方高度约36000km处,相对地面静止。地球同步卫星与地球以相同的角速度转动,周期与地球自转周期相同。

【对号入座】

静止轨道同步卫星(如图中卫星P)、倾斜同步轨道卫星(与静止同步卫星轨道高度相同,如图中卫星Q)、中圆地球轨道卫星(如图中卫星M),这些卫星在轨运行时均视为做圆周运动。关于这些卫星,下列说法正确的有①④。?

①发射速度均大于7.9km/s

②在轨运行速度均大于7.9km/s

③中圆轨道卫星在轨运行速度比静止轨道同步卫星运行速度小

④静止轨道同步卫星和倾斜同步轨道卫星运行的线速度大小相等

【明辨是非】

1.卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大。(×)

提示:v=Gm地R,R

2.绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10km/s。(×)

提示:第一宇宙速度是最大的环绕速度,小于10km/s。

3.地球的第一宇宙速度与地球的质量有关。(√)

4.同步卫星可以“静止”在北京的上空。(×)

提示:同步卫星在赤道上空。

关键能力·探究导思

学习任务一宇宙速度

探锚——情境创设启发设问

以下太空探索实践中需要的发射速度与宇宙速度的大小关系如何?

提示:“嫦娥”奔月中卫星的发射速度应该大于第一宇宙速度小于第二宇宙速度;“天问一号”的发射速度应该大于第二宇宙速度小于第三宇宙速度。

解锚——要点归纳规律概括

1.三个宇宙速度

项目

数值

说明

第一宇宙速度(环绕速度)

7.9km/s

7.9km/s是卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动的速度,是卫星的最小发射速度,也是卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度,在地面附近发射速度:

7.9km/sv11.2km/s,卫星在椭圆轨道上绕地球运动

第二宇宙速度(逃逸速度)

11.2km/s

当11.2km/s≤v16.7km/s时,卫星脱离地球引力的束缚,成为太阳系中的一颗“小行星”

第三宇宙速度

16.7km/s

当v≥16.7km/s时,卫星脱离太阳引力的束缚,跑到太阳系以外的宇宙空间中去

2.决定因素

由第一宇宙速度的计算式v=GMR可以看出,第一宇宙速度的值由中心天体决定,第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量M和半径R,

3.对发射速度和环绕速度的理解

(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)“