7.4 宇宙航行-2023-2024学年高一元创物理提前学+强基础（人教版2019必修第二册）

2023-2024学年 高一 元创物理 提前学 + 强基础 必修二第七章：万有引力与宇宙航行 4 宇宙航行 核心目标 1. 了解人造地球卫星，会推导第一宇宙速度。了解发射速度与环绕速度的区别和联系，理解天体运动中的能量观。 2. 知道同步卫星和其他卫星的区别，会分析卫星的受力和运动情况并解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题 【阅读+理解】----提前学知识要点 问题 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？ 1. 宇宙速度 我们可以从运动和受力分析入手，用万有引力定律和牛顿第二定律进行求解。 物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略。在简化之后，物体只受到指向地心的引力作用，物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动。设地球的质量为m地， 物体的质量为 m，速度为v，它到地心的距离为r。万有引力提供物体运动所需的向心力，所以G＝m 由此解出v＝ 只要知道地球的质量m地和物体做圆周运动的轨道半径r，就可以求出物体绕行速度的大小。 已知地球质量为5.98×1024 kg，近地卫星在100～200 km 的高度飞行，远小于地球半径（6 400 km），可以近似用地球半径 R 代替卫星到地心的距离r。把数据代入上式后算出 v＝＝m/s＝7.9 km/s 这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度。 思考与讨论 有人说，第一宇宙速度也可用 v ＝（式中g为重力加速度，R为地球半径）算出， 你认为正确吗？ 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时，可近似认为向心力是由重力提供的，有mg ＝m ,由此解出v ＝。 地球引力像一根无形的“绳子”，牵引着月球和人造地球卫星环绕地球转动。在地面附近发射飞行器，如果速度等于 7.9 km/s，这一飞行器只能围绕地球做圆周运动（如图），还不能脱离地球引力的束缚，飞离地球实现星际航行。 理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大于 7.9 km/s，又小于 11.2 km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于 11.2 km/s 时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2 km/s叫作第二宇宙速度。 达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱太阳引力的 束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于16.7 km/s，这个速度叫作第三宇宙速度。 2. 人造地球卫星 牛顿虽然早就预言了人造地球卫星，但因发射需达到很大的速度，这对于人类是一个巨大的挑战。直到多级火箭的研制成功，才为人造地球卫星的发射创造了条件。 1957 年 10 月 4 日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。1970 年 4 月 24 日，我国第一颗人造地球卫星“东方红 1 号” 发射成功，开创了中国航天史的新纪元。为我国航天事业 作出特殊贡献的科学家钱学森被誉为“中国航天之父”。自首颗人造地球卫星发射后，人类已经发射了数千颗人造地球卫星，目前在轨有效运行的卫星有上千颗，其中的通信、导航、气象等卫星已极大地改变了人类的生活。 地球同步卫星位于赤道上方高度约 36 000 km 处，因相对地面静止，也称静止卫星。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。 3.载人航天与太空探索 人类一直有“飞天”的梦想，万有引力定律的发现，不仅破解了天上行星的运行规律，也为人类开辟了上天的理论之路。随着技术的进步，人类迈向太空的脚步越来越大，越来越坚实。 1961 年 4 月 12 日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时 108 min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类首次进入太空的丰碑。 1969 年 7 月 16 日 9 时 32 分，运载阿波罗11 号飞船 的土星 5 号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7 月 20 日下午 10 时 56 分， 指挥长阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面（如图），并说 出了那句载入史册的名言 ：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。” 2003 年 10 月 15 日 9 时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空（如图）。飞船绕地球飞行14 圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。在载人航天方面，继神舟五号 之后，截至 2017 年底，我国已经将 11 名（14 人次）航天员送入太