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文檔簡介
1、第二節(jié)萬有引力定律的應(yīng)用第二節(jié)萬有引力定律的應(yīng)用第三節(jié)飛向太空第三節(jié)飛向太空核心要點突破核心要點突破課堂互動講練課堂互動講練知能優(yōu)化訓(xùn)練知能優(yōu)化訓(xùn)練課前自主學(xué)案課前自主學(xué)案第三節(jié)飛向太空第三節(jié)飛向太空課標(biāo)定位課標(biāo)定位課標(biāo)定位課標(biāo)定位學(xué)習(xí)目標(biāo):學(xué)習(xí)目標(biāo):1.會利用萬有引力定律計算天體的質(zhì)會利用萬有引力定律計算天體的質(zhì)量量2理解人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌理解人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系道半徑的關(guān)系3能利用人造衛(wèi)星的運行規(guī)律分析、計算有關(guān)能利用人造衛(wèi)星的運行規(guī)律分析、計算有關(guān)問題并能區(qū)分人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和環(huán)繞速度問題并能區(qū)分人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和環(huán)繞速度4知道三個宇宙速度的
2、含義,會推導(dǎo)第一宇宙知道三個宇宙速度的含義,會推導(dǎo)第一宇宙速度速度重點難點:重點難點:利用萬有引力定律,求天體的質(zhì)量、利用萬有引力定律,求天體的質(zhì)量、密度、運動周期和運動速度密度、運動周期和運動速度課前自主學(xué)案課前自主學(xué)案一、計算天體的質(zhì)量一、計算天體的質(zhì)量(以地球為例討論以地球為例討論)1基本思路基本思路月球繞地球做勻速圓周運動的向心力是由它月球繞地球做勻速圓周運動的向心力是由它們之間的們之間的_提供的,由此可列方提供的,由此可列方程,從中求得地球的質(zhì)量程,從中求得地球的質(zhì)量萬有引力萬有引力3如果已知衛(wèi)星繞行星如果已知衛(wèi)星繞行星(或行星繞中心天體或行星繞中心天體)運運動的動的_和衛(wèi)星與行星和
3、衛(wèi)星與行星(或行星與中心天體或行星與中心天體)之間的之間的_,也可以算出行星,也可以算出行星(或中心天體或中心天體)的質(zhì)量的質(zhì)量周期周期距離距離思考感悟:思考感悟:1根據(jù)月球繞地球做圓周運動的觀根據(jù)月球繞地球做圓周運動的觀測數(shù)據(jù),應(yīng)用萬有引力定律求出的天體質(zhì)量是地測數(shù)據(jù),應(yīng)用萬有引力定律求出的天體質(zhì)量是地球的還是月球的?球的還是月球的?提示:提示:求出的是地球的質(zhì)量,因為利用求出的是地球的質(zhì)量,因為利用F萬萬F引引只能求出中心天體的質(zhì)量只能求出中心天體的質(zhì)量二、理論的威力:預(yù)測未知天體二、理論的威力:預(yù)測未知天體歷史上天文學(xué)家曾經(jīng)根據(jù)萬有引力定律計算太陽歷史上天文學(xué)家曾經(jīng)根據(jù)萬有引力定律計算太
4、陽系中天王星的運動軌道,由于計算值與實際情況系中天王星的運動軌道,由于計算值與實際情況有較大偏差,促使天文學(xué)家經(jīng)過進一步的研究先有較大偏差,促使天文學(xué)家經(jīng)過進一步的研究先后發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星這兩顆星的發(fā)現(xiàn)進一后發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星這兩顆星的發(fā)現(xiàn)進一步證明了萬有引力定律的正確性,而且也顯示了步證明了萬有引力定律的正確性,而且也顯示了萬有引力定律對天文學(xué)研究的重大意義萬有引力定律對天文學(xué)研究的重大意義2宇宙速度宇宙速度(1)第一宇宙速度:第一宇宙速度:v1_,這是人,這是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必須具有的速度,也叫須具有的速度,也叫_速度速
5、度7.9km/s環(huán)繞環(huán)繞(2)第二宇宙速度:第二宇宙速度:v2_,當(dāng)人造衛(wèi)星,當(dāng)人造衛(wèi)星的發(fā)射速度大于或等于這一速度時,衛(wèi)星就會掙的發(fā)射速度大于或等于這一速度時,衛(wèi)星就會掙脫脫_的束縛,不再繞地球運動,所以的束縛,不再繞地球運動,所以第二宇宙速度也叫第二宇宙速度也叫_速度速度(3)第三宇宙速度:第三宇宙速度:v3_,人造衛(wèi)星要,人造衛(wèi)星要想擺脫太陽引力的束縛,飛出太陽系,其發(fā)射速想擺脫太陽引力的束縛,飛出太陽系,其發(fā)射速度至少要達到這一速度,所以第三宇宙速度又叫度至少要達到這一速度,所以第三宇宙速度又叫_速度速度11.2km/s地球引力地球引力脫離脫離16.7km/s逃逸逃逸思考感悟:思考感悟
6、:2發(fā)射一個火星探測器,那么這個發(fā)射一個火星探測器,那么這個探測器大體以多大的速度從地面上發(fā)射?探測器大體以多大的速度從地面上發(fā)射?提示:提示:發(fā)射速度應(yīng)介于第二宇宙速度和第三宇宙發(fā)射速度應(yīng)介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之間,即速度之間,即11.2km/sv16.7km/s.四、飛向太空四、飛向太空1火箭的發(fā)明火箭的發(fā)明火箭最早是由我國發(fā)明的,早在火箭最早是由我國發(fā)明的,早在12世紀(jì)的南宋時期世紀(jì)的南宋時期,火箭已被用于戰(zhàn)爭它是利用火藥燃燒向后急速,火箭已被用于戰(zhàn)爭它是利用火藥燃燒向后急速噴出的氣體產(chǎn)生反作用力,使火箭向前射出噴出的氣體產(chǎn)生反作用力,使火箭向前射出2近代火箭的研究近代火箭的研究
7、(1)近代火箭的研究從近代火箭的研究從19世紀(jì)開始世紀(jì)開始(2)俄國科學(xué)家齊奧爾斯基作出了重要貢獻:研究俄國科學(xué)家齊奧爾斯基作出了重要貢獻:研究了火箭運動的原理和液體火箭推進及噴射的理論,了火箭運動的原理和液體火箭推進及噴射的理論,提出了用液體火箭對未來太空飛行的設(shè)想及多級火提出了用液體火箭對未來太空飛行的設(shè)想及多級火箭和慣性導(dǎo)航的概念箭和慣性導(dǎo)航的概念3多級火箭多級火箭多級火箭是用幾個火箭連接而成多級火箭是用幾個火箭連接而成的火箭組合,一般用三級,如圖的火箭組合,一般用三級,如圖321所示火箭起飛時,第所示火箭起飛時,第一級火箭的發(fā)動機一級火箭的發(fā)動機“點火點火”,推,推動各級火箭一起前進,
8、當(dāng)這一級動各級火箭一起前進,當(dāng)這一級的燃料燃盡后,第二級火箭開始的燃料燃盡后,第二級火箭開始工作,自動脫掉第一級火箭的外工作,自動脫掉第一級火箭的外殼;第二級火箭在第一級火箭基殼;第二級火箭在第一級火箭基礎(chǔ)上進一步加速,以此類推,最礎(chǔ)上進一步加速,以此類推,最終達到所需要的速度終達到所需要的速度圖圖3214探索宇宙奧秘的先鋒探索宇宙奧秘的先鋒空間探測器空間探測器深空探測既是人類認識宇宙的需要,又是人類深空探測既是人類認識宇宙的需要,又是人類為了開發(fā)宇宙資源,擴大自身生存環(huán)境的需要為了開發(fā)宇宙資源,擴大自身生存環(huán)境的需要因此,世界上的科技大國都投入巨資進行研因此,世界上的科技大國都投入巨資進行研
9、究,使得深空探測水平和載人航天技術(shù)成為衡究,使得深空探測水平和載人航天技術(shù)成為衡量一個國家發(fā)展水平的標(biāo)志量一個國家發(fā)展水平的標(biāo)志核心要點突破核心要點突破特別提醒:特別提醒:(1)在用萬有引力等于向心力列式求天在用萬有引力等于向心力列式求天體的質(zhì)量時,只能求出中心天體的質(zhì)量,這種方體的質(zhì)量時,只能求出中心天體的質(zhì)量,這種方法不僅適用于地球,也適用于其他天體質(zhì)量的計法不僅適用于地球,也適用于其他天體質(zhì)量的計算算即時應(yīng)用即時應(yīng)用(即時突破,小試牛刀即時突破,小試牛刀)1(雙選雙選)(2011年天津高一檢測年天津高一檢測)已知下面的哪組已知下面的哪組數(shù)據(jù),可以算出地球的質(zhì)量數(shù)據(jù),可以算出地球的質(zhì)量M(
10、引力常數(shù)引力常數(shù)G為已知為已知)()A月球繞地球運動的周期月球繞地球運動的周期T1及月球到地球中心及月球到地球中心的距離的距離R1B地球繞太陽運行的周期地球繞太陽運行的周期T2及地球到太陽中心及地球到太陽中心的距離的距離R2C人造衛(wèi)星在地面附近的運行速度人造衛(wèi)星在地面附近的運行速度v3和運行周和運行周期期T3D地球繞太陽運行的速度地球繞太陽運行的速度v4及地球到太陽中心及地球到太陽中心的距離的距離R4二、對人造衛(wèi)星的理解二、對人造衛(wèi)星的理解1人造衛(wèi)星的軌道人造衛(wèi)星的軌道在地球上空繞地球運行的在地球上空繞地球運行的人造地球衛(wèi)星所受的力是人造地球衛(wèi)星所受的力是地球?qū)λ娜f有引力在地球?qū)λ娜f有引力
11、在中學(xué)階段,我們主要研究中學(xué)階段,我們主要研究繞地球做勻速圓周運動的繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星衛(wèi)星圖圖322衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動時由地球?qū)λ娜f有衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動時由地球?qū)λ娜f有引力提供向心力,地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力指向地引力提供向心力,地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力指向地心,而做勻速圓周運動的物體的向心力時刻指向心,而做勻速圓周運動的物體的向心力時刻指向它做圓周運動的圓心因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓它做圓周運動的圓心因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的圓心必與地心重合,而這樣的軌道有多周運動的圓心必與地心重合,而這樣的軌道有多種,其中比較特殊的有與赤道共面的赤道軌道和種,其中比較特殊的有與赤道共面的赤
12、道軌道和通過兩極點上空的極地軌道當(dāng)然也應(yīng)存在著與通過兩極點上空的極地軌道當(dāng)然也應(yīng)存在著與赤道平面成某一角度的圓軌道,只要圓心在地心赤道平面成某一角度的圓軌道,只要圓心在地心,就可能是衛(wèi)星繞地球運行的圓軌道如圖,就可能是衛(wèi)星繞地球運行的圓軌道如圖322所示所示但由于人造地球衛(wèi)星發(fā)射過程中要克服地球引力但由于人造地球衛(wèi)星發(fā)射過程中要克服地球引力做功,增大勢能,所以將衛(wèi)星發(fā)射到離地球越遠做功,增大勢能,所以將衛(wèi)星發(fā)射到離地球越遠的軌道上,在地面所需要的發(fā)射速度越大,衛(wèi)星的軌道上,在地面所需要的發(fā)射速度越大,衛(wèi)星的最小發(fā)射速度為的最小發(fā)射速度為7.9km/s.3人造衛(wèi)星的運行規(guī)律人造衛(wèi)星的運行規(guī)律在中
13、學(xué)階段,若無特別說明,我們一般將衛(wèi)星的在中學(xué)階段,若無特別說明,我們一般將衛(wèi)星的運行軌道視為圓軌道,衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運運行軌道視為圓軌道,衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動,由萬有引力提供向心力即:動,由萬有引力提供向心力即:F萬萬F向向由此由此可知可知特別提醒:特別提醒:在同一中心天體做勻速圓周運動的在同一中心天體做勻速圓周運動的所有衛(wèi)星的所有衛(wèi)星的v、T、a各量都只與軌道半徑各量都只與軌道半徑r有關(guān)有關(guān)4人造衛(wèi)星的超重與失重人造衛(wèi)星的超重與失重人造衛(wèi)星在發(fā)射升空時,有一段加速運動;在返人造衛(wèi)星在發(fā)射升空時,有一段加速運動;在返回地面時,有一段減速運動這兩個過程加速度回地面時,有一段減速運動這兩個
14、過程加速度方向均向上,因而都是超重狀態(tài)方向均向上,因而都是超重狀態(tài)人造衛(wèi)星在沿圓軌道運行時,由于萬有引力提供人造衛(wèi)星在沿圓軌道運行時,由于萬有引力提供向心力,所以處于完全失重狀態(tài)在這種情況下向心力,所以處于完全失重狀態(tài)在這種情況下,凡是與重力有關(guān)的力學(xué)現(xiàn)象都會停止發(fā)生因,凡是與重力有關(guān)的力學(xué)現(xiàn)象都會停止發(fā)生因此,在衛(wèi)星上的儀器,凡是制造原理與重力有關(guān)此,在衛(wèi)星上的儀器,凡是制造原理與重力有關(guān)的均不能使用同理,與重力有關(guān)的實驗也將無的均不能使用同理,與重力有關(guān)的實驗也將無法進行法進行即時應(yīng)用即時應(yīng)用(即時突破,小試牛刀即時突破,小試牛刀)2.(單選單選)如圖如圖323所示,所示,a、b、c是環(huán)繞
15、地球是環(huán)繞地球圓形軌道上運行的圓形軌道上運行的3顆人造衛(wèi)星,它們的質(zhì)量關(guān)顆人造衛(wèi)星,它們的質(zhì)量關(guān)系是系是mambmc,則,則()Ab、c的線速度大小相等,且大于的線速度大小相等,且大于a的線速度的線速度B.b、c的周期相等,且小于的周期相等,且小于a的周期的周期Cb、c的向心加速度大小相等,且大于的向心加速度大小相等,且大于a的向的向心加速度心加速度Db所需向心力最小所需向心力最小圖圖323三、對宇宙速度的理解三、對宇宙速度的理解1第一宇宙速度第一宇宙速度(環(huán)繞速度環(huán)繞速度)指人造衛(wèi)星近地環(huán)繞速度,它是人造衛(wèi)星在地面指人造衛(wèi)星近地環(huán)繞速度,它是人造衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動所必須具有
16、的速度附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動所必須具有的速度,是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度,是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度,v17.9km/s.發(fā)射速度小于發(fā)射速度小于7.9km/s,衛(wèi)星將不能圍繞地,衛(wèi)星將不能圍繞地球做圓周運動而落回地面球做圓周運動而落回地面2第二宇宙速度第二宇宙速度(脫離速度脫離速度):在地面上:在地面上(rR)發(fā)射物體,使之能夠脫離地球的引力作用,成發(fā)射物體,使之能夠脫離地球的引力作用,成為繞太陽運行的人造行星或飛到其他行星上去為繞太陽運行的人造行星或飛到其他行星上去所必須達到的最小發(fā)射速度,稱為第二宇宙速所必須達到的最小發(fā)射速度,稱為第二宇宙速度,其大小為度,其大小為v11.2km
17、/s.當(dāng)衛(wèi)星的發(fā)射速度當(dāng)衛(wèi)星的發(fā)射速度7.9km/sv11.2km/s時,衛(wèi)時,衛(wèi)星的軌道是橢圓形的,地球處在橢圓的一個焦星的軌道是橢圓形的,地球處在橢圓的一個焦點上點上3第三宇宙速度第三宇宙速度(逃逸速度逃逸速度):在地面上發(fā)射物體:在地面上發(fā)射物體,使之最后能脫離太陽的引力范圍,飛到太陽系,使之最后能脫離太陽的引力范圍,飛到太陽系以外的宇宙空間所需的最小速度,稱為第三宇宙以外的宇宙空間所需的最小速度,稱為第三宇宙速度,其大小為速度,其大小為v16.7km/s.特別提醒:特別提醒:(1)第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最大運行速度,也是最小發(fā)射速度大運行速度,也是最
18、小發(fā)射速度(2)三個宇宙速度分別為在三種不同情況下在地面三個宇宙速度分別為在三種不同情況下在地面附近的最小發(fā)射速度附近的最小發(fā)射速度即時應(yīng)用即時應(yīng)用(即時突破,小試牛刀即時突破,小試牛刀)3(雙選雙選)(2011年成都高一檢測年成都高一檢測)關(guān)于地球的第一關(guān)于地球的第一宇宙速度,下列說法中正確的是宇宙速度,下列說法中正確的是()A它是人造地球衛(wèi)星繞地球運行的最小速度它是人造地球衛(wèi)星繞地球運行的最小速度B它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運行速它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運行速度度C它是能使衛(wèi)星進入近地軌道的最小速度它是能使衛(wèi)星進入近地軌道的最小速度D它是能使衛(wèi)星進入軌道的最大發(fā)射速度它是能使
19、衛(wèi)星進入軌道的最大發(fā)射速度四、近地衛(wèi)星與同步衛(wèi)星的比較四、近地衛(wèi)星與同步衛(wèi)星的比較1近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星所謂近地衛(wèi)星指的是衛(wèi)星的半徑等于地球的半徑,所謂近地衛(wèi)星指的是衛(wèi)星的半徑等于地球的半徑,衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力是萬有引力衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力是萬有引力它的運動速度為第一宇宙速度,它是衛(wèi)星的最大繞它的運動速度為第一宇宙速度,它是衛(wèi)星的最大繞行速度行速度2同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星指在赤道平面內(nèi),以和地球自轉(zhuǎn)角速度相同步衛(wèi)星指在赤道平面內(nèi),以和地球自轉(zhuǎn)角速度相同的角速度繞地球運動的衛(wèi)星同步衛(wèi)星又叫通訊同的角速度繞地球運動的衛(wèi)星同步衛(wèi)星又叫通訊衛(wèi)星,同步衛(wèi)星有以下幾個特點:衛(wèi)星,同步衛(wèi)星有以下
20、幾個特點:(1)同步衛(wèi)星的運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致同步衛(wèi)星的運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致(2)同步衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同,同步衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同,T24h.(3)同步衛(wèi)星的運行角速度等于地球同步衛(wèi)星的運行角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度自轉(zhuǎn)的角速度(4)同步衛(wèi)星的軌道一定與赤道平面同步衛(wèi)星的軌道一定與赤道平面共面共面如圖如圖324所示,假設(shè)衛(wèi)星在軌道所示,假設(shè)衛(wèi)星在軌道B跟著地球的自轉(zhuǎn)同步做勻速圓周運跟著地球的自轉(zhuǎn)同步做勻速圓周運動,衛(wèi)星運動的向心力由地球?qū)λ膭樱l(wèi)星運動的向心力由地球?qū)λ囊σ引引的一個分力的一個分力F1提供,由于另提供,由于另一個分力一個分力F2的
21、作用將使衛(wèi)星軌道靠向的作用將使衛(wèi)星軌道靠向赤道,故只有在赤道上空,同步衛(wèi)星赤道,故只有在赤道上空,同步衛(wèi)星才可能在穩(wěn)定的軌道上運行,所以所才可能在穩(wěn)定的軌道上運行,所以所有同步衛(wèi)星只能在赤道正上方,且在有同步衛(wèi)星只能在赤道正上方,且在一定高度處一定高度處圖圖324特別提醒:特別提醒:(1)所有同步衛(wèi)星的周期所有同步衛(wèi)星的周期T、軌道半徑、軌道半徑r、環(huán)繞速度、環(huán)繞速度v、角速度、角速度及向心加速度及向心加速度a的大小均的大小均相同相同(2)所有國家發(fā)射的同步衛(wèi)星的軌道都與赤道為同所有國家發(fā)射的同步衛(wèi)星的軌道都與赤道為同心圓,它們都在同一軌道上運動且都相對靜止心圓,它們都在同一軌道上運動且都相對
22、靜止即時應(yīng)用即時應(yīng)用(即時突破,小試牛刀即時突破,小試牛刀)4(單選單選)(2011年高考北京理綜卷年高考北京理綜卷)由于通信和廣由于通信和廣播等方面的需要,許多國家發(fā)射了地球同步軌道播等方面的需要,許多國家發(fā)射了地球同步軌道衛(wèi)星,這些衛(wèi)星的衛(wèi)星,這些衛(wèi)星的()A質(zhì)量可以不同質(zhì)量可以不同B軌道半徑可以不同軌道半徑可以不同C軌道平面可以不同軌道平面可以不同D速率可以不同速率可以不同課堂互動講練課堂互動講練天體質(zhì)量和密度的計算天體質(zhì)量和密度的計算類型一類型一1969年年7月月21日,美國宇航員阿姆斯特日,美國宇航員阿姆斯特朗在月球上留下了人類第一只腳印,邁出了人朗在月球上留下了人類第一只腳印,邁出
23、了人類征服宇宙的一大步在月球上,如果阿姆斯類征服宇宙的一大步在月球上,如果阿姆斯特朗和同伴奧爾德林用彈簧測力計測出質(zhì)量為特朗和同伴奧爾德林用彈簧測力計測出質(zhì)量為m的儀器的重力為的儀器的重力為F;而另一位宇航員科林斯駕;而另一位宇航員科林斯駕駛指令艙,在月球表面附近飛行一周,記下時駛指令艙,在月球表面附近飛行一周,記下時間為間為T.引力常數(shù)引力常數(shù)G已知,試根據(jù)以上數(shù)據(jù)求出月已知,試根據(jù)以上數(shù)據(jù)求出月球的質(zhì)量球的質(zhì)量第一宇宙速度的計算第一宇宙速度的計算類型二類型二【答案答案】B變式訓(xùn)練變式訓(xùn)練(2011年煙臺質(zhì)檢年煙臺質(zhì)檢)1990年年5月,中月,中國紫金山天文臺將國紫金山天文臺將1965年年9
24、月月20日發(fā)現(xiàn)的第日發(fā)現(xiàn)的第2752號小行星命名為吳健雄星,其直徑為號小行星命名為吳健雄星,其直徑為32km.若該若該行星的密度和地球的密度相同,則對該小行星而行星的密度和地球的密度相同,則對該小行星而言,第一宇宙速度為多少?言,第一宇宙速度為多少?(已知地球半徑已知地球半徑R16400km,地球的第一宇宙速度,地球的第一宇宙速度v18km/s)答案:答案:20m/s人造衛(wèi)星的穩(wěn)定運行和變軌運行人造衛(wèi)星的穩(wěn)定運行和變軌運行類型三類型三(雙選雙選)發(fā)射同步衛(wèi)星時,先將衛(wèi)星發(fā)發(fā)射同步衛(wèi)星時,先將衛(wèi)星發(fā)射到近地圓軌道射到近地圓軌道1,然后經(jīng)點火使其沿橢圓軌,然后經(jīng)點火使其沿橢圓軌道道2運行,最后再次點火,將衛(wèi)星送入同步圓運行,最后再次點火,將衛(wèi)星送入同步圓軌道軌道3.軌道軌道1、2
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