第七章萬有引力與宇宙航行第4節(jié)宇宙航行如何讓“嫦娥六號”飛出地球？它需要達(dá)到多快的速度？“嫦娥六號”的探月之旅點(diǎn)擊視頻物體初速度達(dá)到多大時就可以發(fā)射成為一顆人造衛(wèi)星呢?牛頓曾設(shè)想，從高山上用不同的水平速度拋出物體，速度一次比一次大，則落點(diǎn)一次比一次遠(yuǎn)，如果速度足夠大，

物體就不再落到地面上來，它將繞地球運(yùn)動，成為一顆人造地球衛(wèi)星。一、宇宙速度1.建立模型：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動2.基本思路：（1）環(huán)繞法：向心力由地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供計(jì)算：已知地球半徑R=6400km，地球質(zhì)量M=6.0×1024kg，G=6.67×10-11Nm2/Kg2衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動所必須具有的速度有多大？設(shè)地球質(zhì)量M，物體質(zhì)量m,它到地心的距離為r(2)拱橋法：當(dāng)支持力為0時，重力提供物體作圓周運(yùn)動的向心力。這就是物體在地球附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動的速度，叫作第一宇宙速度（環(huán)繞速度）。一、宇宙速度1.第一宇宙速度：注意：不同天體的第一宇宙速度一般不同，該公式也適用于其他天體有關(guān)第一宇宙速度的計(jì)算問題。(1)定義：是人造衛(wèi)星(或航天器)近地環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動的速度。(M為地球質(zhì)量；R為地球球體半徑)(2)公式：(g為地球表面重力加速度；R為地球球體半徑)地球的第一宇宙速度大小為7.9km/s。2.第二宇宙速度：11.2km/s當(dāng)物體（航天器）飛行速度達(dá)到11.2km/s時，就可以擺脫地球引力的束縛，飛離地球進(jìn)入環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道，不再繞地球運(yùn)行。這個脫離地球引力的最小速度就是第二宇宙速度3.第三宇宙速度：16.7km/s從地球起飛的航天器飛行速度達(dá)到16.7km/s時，無需后續(xù)加速就可以擺脫太陽引力的束縛，脫離太陽系進(jìn)入更廣袤的宇宙空間。這個從地球起飛脫離太陽系的最低飛行初速度就是第三宇宙速度。梳理深化發(fā)射速度v運(yùn)動情況v﹤7.9km/sv=7.9km/s7.9km/s﹤v﹤11.2km/s11.2km/s≤v﹤16.7km/s16.7km/s≤v物體落回地面物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動物體繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)動軌跡是橢圓。物體繞太陽運(yùn)動物體飛出太陽系東方紅1號衛(wèi)星錢學(xué)森中國航天之父1970年4月24日，我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號”發(fā)射成功，開創(chuàng)了中國航天史的新紀(jì)元。二、人造地球衛(wèi)星1.人造地球衛(wèi)星的軌道分類(1)赤道軌道：衛(wèi)星的軌道與赤道共面，衛(wèi)星始終處于赤道正上方。(2)極地軌道：衛(wèi)星的軌道與赤道平面垂直，衛(wèi)星經(jīng)過兩極上方。(3)一般軌道：衛(wèi)星的軌道與赤道平面成某一角度。思考2：衛(wèi)星繞地球沿圓軌道運(yùn)動時，地心一定是衛(wèi)星圓軌道的圓心嗎？請說明理由。衛(wèi)星繞地球沿圓軌道運(yùn)動時，因?yàn)榈厍驅(qū)πl(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球運(yùn)動的向心力，而萬有引力指向地心，所以地心必定是衛(wèi)星圓軌道的圓心。衛(wèi)星繞地球運(yùn)動的軌道可以是橢圓軌道，也可以是圓軌道。思考1：衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運(yùn)動時，地心是橢圓的什么？衛(wèi)星的周期和半長軸之間有什么關(guān)系？衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運(yùn)動時，地心是橢圓的一個焦點(diǎn)，衛(wèi)星的周期和半長軸的關(guān)系遵循開普勒第三定律。(1)衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動和受力特點(diǎn)衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動，地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供向心力：F引=F向

(2)衛(wèi)星的動力學(xué)方程rR2.衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動以及受力特點(diǎn)高軌低速長周期3.近地衛(wèi)星(1)近地衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動的軌道半徑r可以近似地認(rèn)為等于地球半徑R，線速度大小：v1＝7.9km/s，由

可得其周期為T≈85min。(2)7.9km/s和85min分別是人造衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動的最大線速度和最小周期。軌道平面與赤道平面夾角為90°的人造地球衛(wèi)星，運(yùn)行時能到達(dá)南北極上空。4.極地衛(wèi)星(1)定義：相對于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星叫地球同步衛(wèi)星。(2)特點(diǎn)：六個“一定”①轉(zhuǎn)動方向一定：和地球自轉(zhuǎn)方向一致；②周期一定：和地球自轉(zhuǎn)周期相同，即T＝24h；③角速度一定：等于地球自轉(zhuǎn)的角速度；5.地球同步衛(wèi)星④軌道平面一定：所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方，其軌道平面必須與赤道平面重合；⑤高度一定：離地面高度固定不變(約3.6×104km)；⑥速率一定：線速度大小一定。三、載人航天與探空探索1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員加加林進(jìn)入了東方一號載人飛船?；鸺c(diǎn)火起飛，飛船繞地球飛行一圈，歷時108min，然后重返大氣層，安全降落在地面，鑄就了人類首次進(jìn)入太空的豐碑。1969年7月16日9時32分，運(yùn)載阿波羅11號飛船的土星5號火箭在美國卡納維拉爾角點(diǎn)火升空，拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷幕。我國的載人航天和太空探索錢學(xué)森，世界著名科學(xué)家，空氣動力學(xué)家，中國載人航天奠基人，“中國航天之父”。由于錢學(xué)森回國效力，中國導(dǎo)彈、原子彈的發(fā)射向前推進(jìn)了至少20年。2003年10月15日9時，我國神舟五號宇宙飛船把中國第一位航天員楊利偉送入太空飛船繞地球飛行14圈后安全降落。這標(biāo)志著中國成為世界上能夠獨(dú)立開展載人航天活動的國家。我國的載人航天和太空探索2019年1月3日，嫦娥四號實(shí)現(xiàn)人類航天器首次月球背面軟著陸與巡視探測。2020年，嫦娥五號進(jìn)行月壤采樣

，1731g，成為人類歷史上無人自動采樣最多的一次。2021年5月、天問一號探測器著陸火星。祝融號火星車開展了探測火星巡視區(qū)形貌和地質(zhì)構(gòu)造等任務(wù)，并傳回科學(xué)影像圖，標(biāo)志著我國首次火星探測任務(wù)完滿成功。1.若取地球的第一宇宙速度為8km/s，某行星質(zhì)量是地球的6倍，半徑是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度約為(

)A A.16km/s B.32km/s C.4km/s D.2km/s2.如圖所示，是同一軌道平面內(nèi)的三顆人造地球衛(wèi)星，下列說法正確的是()A.線速度vA＜vB＜vCB.根據(jù)萬有引力定律，可知FA＞FB＞FCC.角速度ωA＞ωB＞ωCD.向心加速度aA＜aB＜aCC3.如圖所示，中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).其中有靜止軌道同步衛(wèi)星和中軌道地球衛(wèi)星.已知中軌道地