高中物理第5章万有引力与航天5.4飞出地球去学案沪科版必修2

5.4 飞出地球去

思维激活

1970年4月24日，第一颗人造地球卫星“东方红”1号在酒泉发射成功，我国成为世界上第五个发射卫星的国家.1975年11月26日，首颗返回式卫星发射成功，3天后顺利返回，我国成为世界上第三个掌握卫星返回技术的国家.2003年10月15日，中国第一艘载人飞船“神舟”五号发射成功.2005年10月12日,中国自主研制的“神舟六号”载人飞船在酒泉卫星发射中心发射升空，如图541.这些对你有何启发？你知道卫星是如何发射升空的吗？

图5-4-1

提示中国卫星技术的发展，体现了我国历代科学家不怕困难、勇于探索、为国争光的精神，依靠自己的聪明才智为世界的和平与发展作出了巨大的贡

献.要把一颗卫星送入预定的轨道，除需要有科学的理论计算和尖端的火箭监

控技术外，通常是经过三个阶段进行的.

首先，全部准备工作完毕后，第一级火箭发动机点火，运载火箭开始脱离发射架上升，而且速度越来越快.这就是加速飞行段.

运载火箭从地面发射到把有效载荷送入预定轨道，称为发射阶段.在这一阶段所飞经的路线就叫做发射轨道.运载火箭的发射轨道一般为三大部分，即加速飞行段、惯性飞行段和最后加速段.运载火箭垂直起飞10秒钟后，开始按预定程序缓慢地转弯.发动机继续工作约100多秒后，运载火箭已上升到70千米左右的高度，基本达到所需的入轨速度和与地面接近平行的方向时，第一级火箭发动机关机分离，同时，第二级火箭发动机点火，继续加速飞行.此时，已飞行2—3分钟，高度已达150千米—200千米，基本已飞出稠密大气层，按预定程序抛掉箭头整流罩.接着，在火箭达到预定速度和高度时，第二级火箭发动机关机、分离，至此加速飞行段结束.

这时，运载火箭已获得很大动能，在地球引力作用下，开始进入惯性飞行段，一直到与卫星预定轨道相切的位置，第三级火箭发动机开始点火，进入最后加速段飞行.当加速到预定速度时，第三级火箭发动机关机，卫星从火箭运载器弹出，进入预定的卫星运行轨道.至此，运载火箭的任务就算完成了.

自主整理

一、三个宇宙速度

1.第一宇宙速度

要想发射人造卫星，必须具有足够的速度，发射人造卫星最小的发射速度称为第一宇宙速度.v=gR=7.9 km/s.

2.第二宇宙速度——飞出地球去

当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9 km/s时，它绕地球运行的轨迹就不再是圆形，而是椭圆形.当卫星的速度等于或大于11.2 km/s时，卫星就会脱离地球的引力不再绕地球运行，成为绕太阳运行的人造行星或飞到其他行星上去，我们把11.2 km/s称为第二宇宙速度，也称脱离速度.

3.第三宇宙速度——飞出太阳系

当物体的速度等于或大于16.7 km/s 时，物体便将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间中去，我们把16.7 km/s 称为第三宇宙速度，也称逃逸速度.

二、为了和平与进步

俄罗斯的学者齐奥尔科夫斯基最早系统地提出了航空理论.

1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造卫星.

1961年4月12日，苏联发射了第一艘载人飞船.

1969年7月20日，美国的宇宙飞船“阿波罗11号”第一次实现人类登月.

1976年7月和9月，美国的“海盗”1号和“海盗”2号在火星先后成功地软着陆. 1984年4月12日，第一架航天飞机“哥伦比亚”号发射成功.

2003年10月15日，中国第一艘载人飞船“神舟”五号发射成功.

2005年10月12日,中国自主研制的“神舟六号”载人飞船在酒泉卫星发射中心发射升空后,准确进入预定轨道,“神舟六号”载人飞船发射成功.

高手笔记

1.卫星的运行速度、角速度、周期与轨道半径r 的关系

①由G 2r Mm =m r v 2得卫星的速度与半径r 的关系：v=r GM ∝2

11r ，可见，环绕地球飞行的人造地球卫星速度与飞行的轨道半径有关，半径越大，速度越小.

②由G 2r Mm =m ω2r 得卫星的角速度与半径r 的关系：ω=3

r GM ∝2

31r ，可见，环绕地球飞行的人造地球卫星的角速度与飞行的轨道半径有关，半径越大，角速度越小.

③由G 2r Mm =m 22

4T

πr 得卫星的周期与半径r 的关系：T=GM r 324π∝23r ，可见，环绕地球飞行的人造地球卫星的周期与飞行的轨道半径有关，半径越大，周期越大.

2.第一宇宙速度的两种推导方法

(1)由G 2r Mm =m r v 2得v=r

GM ，应用近地条件r=R （R 为地球半径），R ＝6 400 km,代入地球质量M=6×1024 kg,得v=r

GM ＝7.9 km/s. (2)在地面附近，重力等于万有引力，此力提供卫星匀速圆周运动的向心力.（地球半径R 、地面重力加速度g 已知）

由mg=m R

v 2

得v=gR =8.91064003⨯⨯m/s=7.9 km/s. 3.地球同步卫星

地球同步卫星是指在赤道平面内，以和地球自转角速度相同的角速度绕地球运动的卫星，同步卫星又叫通讯卫星.同步卫星有以下几个特点：

（1）周期一定：同步卫星在赤道上空相对地球静止，它绕地球的运动与地球自转同步，它的运动周期就等于地球自转的周期，即T ＝24 h.

（2）角速度一定：同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度.

（3）轨道一定：由于同步卫星绕地球的运动与地球的自转同步，这就决定了同步卫星的轨道平面应与赤道平面平行.又由于同步卫星绕地球运动的向心力是地球对卫星的万有引力，这就决定了同步卫星做圆周运动的圆心为地心.所以，所有同步卫星的轨道必在赤道平面内.

由于所有同步卫星的周期相同，由r ＝32

24πGMT 知，所有同步卫星的轨道半径相同，即同步卫星都在同一轨道上绕地球做匀速圆周运动，其轨道离地面的高度约为3.59×104 km.

（4）环绕速度大小一定：所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的，都是 3.08 km/s.

（5）向心加速度大小一定：所有同步卫星由于到地心距离相同，所以，它们绕地球运动的

向心加速度大小都相同，约为0.23 m/s 2.

4.人造地球卫星中的超重和失重

(1)人造卫星在发射升空时，有一段加速运动；在返回地面时，有一段减速运动，这两个过程加速度方向均向上，因而都是超重状态.

(2)人造卫星在沿椭圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力，所以处于完全失重状态.在这种情况下凡是与重力有关的力学现象都会停止发生.因此，在卫星上的仪器，凡是制造原理与重力有关的均不能使用.同理，与重力有关的实验也将无法进行.

名师解惑

1.为什么第一宇宙速度既是卫星的最小发射速度，又是最大的环绕地球的速度？

剖析：卫星的发射速度越大，升得越高，轨道半径越大，但环绕速度却越小.因为卫星到达轨道的过程中，要克服重力做功，所以发射速度越大，轨道半径越大；又因为卫星稳定运行时，环绕地球运动的速度：v=r

GM （其中r 为轨道半径，M 为地球的质量），所以轨道半径r 越大，环绕速度v 却越小.当r=R(R 为地球半径）时，v=7.9 km/s （第一宇宙速度）