資源簡介

7.4 宇宙航行
學習目標
1、了解人造地球衛星的最初構想。
2、會解決涉及人造地球衛星運動的較簡單的問題。
3、知道三個宇宙速度的含義和數值，會推導第一宇宙速度。
4、感受人類對客觀世界不斷探究的精神和情感。
重點難點
1、對于宇宙速度的理解和應用（重點）
2、了解人造地球衛星和同步衛星（重點）
3、第一宇宙速度的計算和衛星運行的規律（難點）
4、同步衛星的規律、衛星變軌與對接以及雙星模型（難點）
自主探究
1、宇宙速度
1、第一宇宙速度(環繞速度)：物體繞地球做勻速圓周運動的最大_________速度。
2、第二宇宙速度：在地面附近發射飛行器，使其克服地球引力永遠離開地球所需的最小___________速度。
3、第三宇宙速度：在地面附近發射飛行器，能夠掙脫太陽引力的束縛飛到太陽系外的最小__________速度。
2、人造地球衛星
地球同步衛星位于赤道上方高度約 36000km處，因相對地面靜止，也稱靜止衛星。地球同步衛星與地球以相同的___________轉動，周期與地球_______________相同。
3、載人航天與太空探索
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。這標志著中國成為世界上能夠獨立開展載人航天活動的國家。在載人航天方面，繼神舟五號之后，截至2017年底，我國已經將11名(14人次)航天員送人太空，包括兩名女航天員。
除了載人航天工程，我國還在許多方面進行著太空探索。2013年6月，神舟十號分別完成與天宮一號空間站的手動和自動交會對接；2016年10月19日，神舟十一號完成與天宮二號空間站的自動交會對接。2017年4月20日，我國又發射了貨運飛船天舟一號，入軌后與天宮二號空間站進行自動交會對接、自主決速交會對接等3次交會對接及多項實驗。
探究思考
1、第一宇宙速度的求解方法
（1） 環繞法：，其中r=R，得
（2） 代換法：地球表面衛星受到的地球引力等于尹星在地面的重力，由得。
注意：（1）任何天體都有“第一宇宙速度”，求解方法與地球第一宇宙速度的求解方法相同。
(2)由“第一宇宙速度”的計算式可以看出，“第一宇宙速度”的值由中心天體決定，“第一宇宙速度”的大小取決于中心天體的質量M和半徑R，與衛星無關。
【典例一】1、2018年10月15日，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，以“一箭雙星”方式成功發射第三十九、四十顆北斗導航衛星。若其中一顆衛星入軌后繞地球做勻速圓周運動，其軌道半徑為r，周期為T，地球的半徑為R，則地球的第一宇宙速度為（ ）
A. B. C. D.
解題思路：衛星入軌后繞地球做勻速圓周運動,其軌道半徑為r,周期為T,由牛頓第二定律,及萬有引力定律,則有：
地球的半徑為R,再有：
聯合解得： ，故BCD錯誤，A正確
答案：A
2、衛星變軌與飛船對接
（1）衛星的變軌
衛星在運動中的“變軌” 有兩種情況：離心運動和近心運動。當萬有引力恰好提供衛星所需的向心力，即時，衛星做勻速圓周運動；當某時刻速度發生突變，所需的向心力也會發生突變，而突變瞬間萬有引力不變。
①制動變軌：衛星的速率變小時，使得萬有引力大于所需向心力，即，衛星做近心運動，軌道半徑將變小。所以要使衛星的軌道半徑變小，需開動發動機使衛星做減速運動。
②加速變軌：衛星的速率變大時，使得萬有引力小于所需向心力，即，衛星做離心運動，軌道半徑將變大。所以要使衛星的軌道半徑變大，需開動發動機使衛星做加速運動。
（2）飛船的對接
①低軌道飛船與高軌道空間站對接：如圖甲所示，低軌道飛船通過合理加速，沿橢圓軌道做離心運動，追上高軌道空間站與其完成對接。
②同一軌道飛船與空間站對接：如圖乙所示，后面的飛船先減速降低高度，再加速提升高度，通過適當控制，使飛船追上空間站時恰好具有相同的速度。
【典例二】2、我國即將發射“天宮二號”空間實驗室，之后發生“神舟十一號”飛船與“天宮二號”對接。假設“天宮二號”與“神舟十一號”都圍繞地球做勻速圓周運動，為了實現飛船與空間實驗室的對接，下列措施可行的是( )
A、使飛船與空間實驗室在同一軌道上運行，然后飛船加速追上空間實驗室實現對接
B、使飛船與空間實驗室在同一軌道上運行，然后空間實驗室減速等待飛船實現對接
C、飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上加速，加速后飛船逐漸靠近空間實驗室，兩者速度接近時實現對接
D、飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上減速，減速后飛船逐漸靠近空間實驗室，兩者速度接近時實現對接
解題思路：A. B. 在同一軌道上運行加速做離心運動，減速做向心運動均不可實現對接。則AB錯誤
C. 飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上加速，則其做離心運動可使飛船逐漸靠近空間實驗室，兩者速度接近時實現對接。則C正確
D. 飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上減速，則其做向心運動，不可能與空間實驗室相接觸。則D錯誤。
故選：C
答案：C
隨堂訓練
1、下列關于三種宇宙速度的說法正確的是( )
A.第一宇宙速度 ,第二宇宙速度 ,則人造衛星繞地球在圓軌道上運行時的速度大于等于 ,小于
B.美國發射的“鳳凰號”火星探測衛星,其發射速度大于第三宇宙速度
C.第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛,成為繞太陽運行的人造衛星的最小發射速度
D.第一宇宙速度（7.9km/s）是人造地球衛星繞地球做圓周運動的最大運行速度
答案：CD
2、據報稱，成都市計劃于2020年發射第一顆“人造月亮”，2022年前實現發射三顆“人造月亮”，“人造月亮”可利 用太陽光為城市提供照明，其光照強度最大可達到月光的8倍，和月亮發光是同一個道理。關于這顆“人造月 亮”說法正確的是（ ）
A. “人造月亮”相對成都市是靜止不動的
B. “人造月亮”的運行速度大于地球第一宇宙速度
C. “人造月亮”繞地球運動周期大于月球繞地球運動的周期
D. “人造月亮”的向心加速度小于地球表面的重力加速度
答案：D
3、關于地球同步衛星,下列說法正確的是( )
A. 其發射速度是介于7.9km/s和11.2km/s之間的某一值.
B.地球同步衛星是近地衛星
C.其發射速度小于7.9km/s
D. 因為是地球的同步衛星，所以在軌道上的運行速度與赤道上某點的線速度大小相等
答案：A
4、2017年9月25日是我國新一代同 步衛星“風云四號”在軌交付的日子，與上一代相比，“風云四號”的整星觀察數據量提高了 160倍，當日，騰訊公司把微信的啟動頁面從阿波羅17號宇航員所拍攝的非洲大陸上空視角照片更換為“風云四號”拍攝的中國所在的東半球上空視角照片，下列關于“風云四號”同步衛星的說法正確的是( )
A.—定位于赤道正上空
B.繞地球運行的周期比月球繞地球運行的周期大
C.發射速度大于7.9 km/s
D.運行速度大于7.9 km/s
答案：AC
5、一宇航員在一星球上以速度為 豎直上拋一物體，經t秒鐘落回手中，已知該星球半徑為R，那么該星球的第一宇宙速度是( )
A. B. C. D.
答案：B
6、如圖所示，1、2、3分別是A、B、C三顆衛星繞地球運行的軌道，1、2是圓軌道，3是橢圓軌道，其中1是近地軌道， P為橢圓軌道的近地點,Q為2、3兩個軌道的一個交點，則下列說法正確的是（ ）
A.三顆衛星的線速度均不超過地球的第一宇宙速度
B.衛星B和衛星C的線速度大小有可能在某時刻相等
C.在Q點，衛星B的加速度—定大于衛星C的加速度
D.衛星A的周期最小，衛星B的周期最大
答案：B
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