人教版高中物理必修二 （宇宙航行）万有引力与宇宙航行 课件

宇宙航行核心素养目标物理观念知道三个宇宙速度及含义，了解卫星的分类。科学思维会推导第一宇宙速度，掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。科学态度与责任了解人类在宇宙探索方面的重要成就，培养应用物理规律造福人类的意识。知识点一宇宙速度[观图助学]水平速率v1不够大，因此炮弹将落到地上。当炮弹具有更大的初速度v2时，将飞得更远。当炮弹的水平速率v3足够大时，炮弹将环绕地球运动。1.环绕速度2.第一宇宙速度 (1)定义：物体在地球附近绕地球做___________运动的速度叫作第一宇宙速度。 (2)大小：v＝7.9km/s。匀速圆周万有引力匀速圆周3.第二宇宙速度

在地面附近发射飞行器，如果速度大于____________，又小于11.2km/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11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开_________。我们把___________叫作第二宇宙速度。4.第三宇宙速度

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16.7km/s，这个速度叫作第三宇宙速度。7.9km/s地球11.2km/s[思考判断](1)第一宇宙速度是发射卫星的最小速度。(

)(2)当发射速度v＞7.9km/s时，卫星将脱离地球的吸引，不再绕地球运动。(

)(3)地球所有的卫星在轨道上的运行速度都为7.9km/s。(

)√××三个宇宙速度发射速度与环绕速度不同。发射速度是将卫星送入轨道，在地面上所必须获得的速度。环绕速度是卫星发射成功后，环绕地球运行时的速度。知识点二人造地球卫星、载人航天与太空探索[观图助学]

你知道哪些我国最近发射的人造卫星？它们是地球同步卫星吗？1.人造地球卫星 (1)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，我国第一颗人造卫星“______________”发射成功。东方红一号(2)地球同步卫星(ⅰ)概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同______的卫星，叫作地球同步卫星。(ⅱ)特点：六个“一定”①转动方向一定：和地球自转方向_________；②周期一定：和地球自转周期相同，即T＝24h；③角速度一定：等于地球自转的角速度；④轨道平面一定：所有的同步卫星都在赤道的_________，其轨道平面必须与赤道平面重合；⑤高度一定：离地面高度固定不变(约3.6×104km)；⑥速率一定：线速度大小一定(约3.1×103m/s)。周期一致正上方2.载人航天与太空探索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。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。2003年10月15日9时，我国___________宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。2013年6月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接。2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。2017年4月20日，我国又发射了货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接及多项实验。神舟五号航天器种类繁多，分无人航天器(人造地球卫星、空间探测器等)和载人航天器(载人飞船、空间站、航天飞机等)两类。如下所示。中国第一位航天员杨利伟核心要点一宇宙速度(1)怎样求地球的第一宇宙速度？不同星球的第一宇宙速度是否相同？(2)把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？[问题探究]

发射卫星，要有足够大的速度才行。(2)轨道越高，需要的发射速度越大。[探究归纳]

1.第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的速度。2.第一宇宙速度的计算式3.第一宇宙速度的理解v＝7.9km/s是最小的发射速度也适用于其他星体的卫星(1)“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力。近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。v＝7.9km/s是最大环绕速度[试题案例][例1]

(多选)下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是(

)A.第一宇宙速度v1＝7.9km/s，第二宇宙速度v2＝11.2km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1，小于v2B.美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，其发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体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造小行星的最小发射速度D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度答案CD[例2]

若取地球的第一宇宙速度为8km/s，某行星质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为(

) A.16km/s B.32km/s C.4km/s D.2km/s即v′＝2v＝2×8km/s＝16km/s，A正确。答案A方法总结第一宇宙速度的计算方法对于任何天体，计算第一宇宙速度时，都是根据万有引力提供向心力的思路，卫星的轨道半径等于天体的半径，由牛顿第二定律列式计算。(1)如果知道天体的质量和半径，可直接列式计算。(2)如果不知道天体的质量和半径的具体数值，但知道该天体与地球的质量、半径关系，可分别列出天体与地球环绕速度的表达式，用比例法进行计算。答案CD核心要点二人造地球卫星运行物理量分析[问题探究]

如图所示，在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动。(1)这些卫星的轨道平面有什么特点？(2)这些卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度等跟什么因素有关呢？答案(1)轨道平面过地心。(2)与轨道半径有关。[探究归纳]

1.人造卫星的三种轨道 (1)赤道轨道：卫星轨道在赤道所在平面上，卫星始终处于赤道上方。 (2)极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星经过两极上空。 (3)一般轨道：卫星轨道平面和赤道平面成一定角度(不等于0或90°)，如图所示。2.人造卫星的运行规律：人造卫星的运行规律类似行星运行规律。

万有引力提供向心力[试题案例][例3]

(多选)三颗人造地球卫星A、B、C绕地球做匀速圆周运动，如图所示，已知mA＝mB＜mC，则对于三颗卫星，正确的是(

)A.运行线速度关系为vA＞vB＝vCB.运行周期关系为TA＜TB＝TCC.

为FA＝FB＜FC

利用牛顿第二定律半径与周期关系利用开普勒第三定律向心力大小关系答案ABD[针对训练2]2018年6月2日我国的“高分六号”在酒泉卫星发射中心发射成功，假设在轨运行的“高分六号”卫星、同步卫星和月球都绕地球做匀速圆周运动，它们在空间的位置示意图如图所示。下列有关“高分六号”卫星的说法正确的是(

)A.其发射速度可能小于7.9km/sB.绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度小C.绕地球运行的周期比同步卫星绕地球运行的周期小D.在运行轨道上完全失重，重力加速度为0答案C核心要点三航天事业改变着人类的生活20世纪人类最伟大的创举之一是开拓了太空这一全新活动领域。1.卫星通信和卫星广播：通过卫星实现越洋通话、实时收看世界各地发来的电视新闻。2.“静止”在赤道上空的同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面，3颗同步卫星就可以形成一条南北纬50°之间的全球观测带。再配合几颗纵穿地球两极的极轨卫星，就能形成全球气象卫星观测系统，为天气预报提供全面、及时的气象资料。用卫星监测厄尔尼诺现象。不同的颜色代表海平面高度与正常水平的差值3.卫星引起了船舶、飞机导航技术的重大变化。利用全球卫星定位系统导航的各种汽车已经奔驰在城市的道路上。4.地球资源卫星：应用于勘测海洋和水利资源、调查地下矿藏、监视自然灾害、观测环境污染等方面。国产车载GPS根据卫星信号确定汽车位置，利用电脑储存的电子地图，用语音向驾驶员提出建议5.军用卫星：已经成为指挥系统和武器系统的重要组成部分，侦察卫星、军用通信卫星、军用导航卫星以及空中预警飞机构成了现代防务的“神经中枢”。6.由于失重现象，航天器是一个微重力实验室，在这样的条件下，可以研制高纯度大单晶、超高纯度金属，进行各种物理、化学、生物、医学等学科的研究。太空环境的另一个特点是高强度的辐射。它一方面对宇航员造成威胁；另一方面，它可以诱导生物基因的变异，受辐射的植物种子就有可能变为具有优良性状的新品种。[例4]

中国北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。2020年左右北斗卫星导航系统可以形成全球覆盖能力。如图所示是北斗卫星导航系统中部分卫星的轨道示意图，已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动，a是地球同步卫星，则(

)A.卫星a的角速度小于c的角速度B.卫星a的加速度大于b的加速度C.卫星a的运行速度大于第一宇宙速度D.卫星b的周期大于24h答案A[针对训练3]2018年11月1日，我国在西昌卫星发射中心成功发射第四十一颗北斗导航卫星，是我国北斗三号系统第十七颗组网卫星，它是地球同步卫星，设地球自转角速度一定，下面关于该卫星的说法正确的是(

) A.它绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度 B.它沿着与赤道成一定角度的轨道运动 C.运行的轨道半径可以有不同的取值 D.如果需要可以发射到北京上空解析地球的同步卫星与地球自转的周期相同，故它绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度，选项A正确；它的轨道平面与赤道平面重合，即只能定点在赤道的上空，选项B、D错误；根据G＝mω2r可知，运行的轨道半径是固定的值，选项C错误。答案A4宇宙航行第七章万有引力与宇宙航行

1.会推导第一宇宙速度，知道三个宇宙速度的含义.2.了解人造地球卫星的历史及现状，认识同步卫星的特点.3.了解人类对太空的探索历程和我国载人航天工程的发展.学习目标梳理教材夯实基础探究重点提升素养随堂演练逐点落实内容索引NEIRONGSUOYIN梳理教材夯实基础011.牛顿的设想如图1所示，把物体从高山上水平抛出，如果速度

，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为

.宇宙速度一图1足够大人造地球卫星匀速圆周万有引力mg(3)三个宇宙速度及含义

数值意义第一宇宙速度

km/s物体在

绕地球做匀速圆周运动的速度第二宇宙速度

km/s在地面附近发射飞行器使物体克服

引力，永远离开地球的最小地面发射速度第三宇宙速度

km/s在地面附近发射飞行器使物体挣脱

引力束缚，飞到太阳系外的

地面发射速度7.9地面附近11.2地球16.7太阳最小人造地球卫星二1.

年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功.

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.为我国航天事业作出特殊贡献的科学家

被誉为“中国航天之父”.2.地球同步卫星的特点地球同步卫星位于

上方高度约

处，因

，也称静止卫星.地球同步卫星与地球以

的角速度转动，周期与地球自转周期

.19571970钱学森赤道36000km相对地面静止相同相同1.

年苏联宇航员

进入东方一号载人飞船，铸就了人类首次进入太空的丰碑.2.1969年，美国

飞船发射升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕.3.

年10月15日9时，我国

宇宙飞船把中国第一位航天员

送入太空，截止到2017年底，我国已经将

名航天员送入太空，包括两名女航天员.4.

年6月，神舟十号分别完成与

空间站的手动和自动交会对接；2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接.2017年4月20日，我国发射了货运飞船

，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接及多项实验.载人航天与太空探索三1961加加林阿波罗11号2003神舟五号杨利伟112013天宫一号天舟一号即学即用1.判断下列说法的正误.(1)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9km/s.(

)(2)人造地球卫星的最小绕行速度是7.9km/s.(

)(3)我国向月球发射的“嫦娥二号”宇宙飞船在地面附近的发射速度要大于11.2km/s.(

)(4)在地面附近发射火星探测器的速度应为11.2km/s<v<16.7km/s.(

)(5)由v＝

，高轨道卫星运行速度小，故发射高轨道卫星比发射低轨道卫星更容易.(

)√××√×2.已知火星的半径为R，火星的质量为m火，引力常量为G，则火星的第一宇宙速度为

.探究重点提升素养02三个宇宙速度一导学探究不同天体的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的决定因素是什么？知识深化1.第一宇宙速度(1)两个表达式(2)含义①近地卫星的圆轨道运行速度，大小为7.9km/s，也是卫星圆轨道的最大运行速度.②人造卫星的最小发射速度，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，需要更多能量.2.第二宇宙速度在地面附近发射飞行器，使之能够克服地球的引力，永远离开地球所需的最小发射速度，其大小为11.2km/s.当发射速度7.9km/s<v0<11.2km/s时，物体绕地球运行的轨迹是椭圆，且在轨道不同点速度大小一般不同.3.第三宇宙速度在地面附近发射飞行器，使之能够挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最小发射速度，其大小为16.7km/s.√例2

(2019·湘潭一中期末)某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t后，物体以速率v落回手中.已知该星球的半径为R，求该星球的第一宇宙速度.(物体只受星球的引力，忽略星球自转的影响)人造地球卫星二1.人造地球卫星(1)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步轨道)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任意角度，如图2所示.图2(2)因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球做圆周运动的向心力，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心.2.近地卫星(2)7.9km/s和85min分别是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大线速度和最小周期.3.同步卫星(1)“同步”的含义就是和地面保持相对静止，所以其周期等于地球自转周期.(2)特点①定周期：所有同步卫星周期均为T＝24h.②定轨道：同步卫星轨道必须在地球赤道的正上方，运转方向必须跟地球自转方向一致，即由西向东.④定速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此线速度、角速度大小均不变.⑤定加速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此向心加速度大小也不变.例3

(多选)“静止”在赤道上空的地球同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面，为天气预报提供准确、全面和及时的气象资料.设地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍，下列说法中正确的是A.同步卫星距地面的高度是地球半径的(n－1)倍√√解析地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍，所以同步卫星距地面的高度是地球半径的(n－1)倍，A正确；同步卫星与地球赤道上的物体具有相同的角速度，根据v＝rω知，同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转获得的速度的n倍，C错误；例4如图3所示，中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统.其中有静止轨道同步卫星和中地球轨道卫星.已知中地球轨道卫星的轨道高度为5000～15000km，则下列说法正确的是A.中地球轨道卫星的线速度小于静止轨道同步卫星的线速度B.上述两种卫星的运行速度可能大于7.9km/sC.中地球轨道卫星绕地球一圈的时间小于24小时D.静止轨道同步卫星可以定位于北京的上空图3√同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较三例5如图4所示，A为地面上的待发射卫星，B为近地圆轨道卫星，C为地球同步卫星.三颗卫星质量相同，三颗卫星的线速度大小分别为vA、vB、vC，角速度大小分别为ωA、ωB、ωC，周期分别为TA、TB、TC，向心加速度大小分别为aA、aB、aC，则A.ωA＝ωC<ωBB.TA＝TC<TBC.vA＝vC<vBD.aA＝aC>aB图4√解析同步卫星与地球自转同步，故TA＝TC，ωA＝ωC，由v＝ωr及a＝ω2r得vC>vA，aC>aA故可知vB>vC>vA，ωB>ωC＝ωA，TB<TC＝TA，aB>aC>aA.选项A正确，B、C、D错误.总结提升2.同步卫星和赤道上物体都做周期和角速度相同的圆周运动.因此要通过v＝ωr，an＝ω2r比较两者的线速度和向心加速度的大小.针对训练

(2018·四川凉山州木里中学高一下期中)如图5所示，A是地球赤道上随地球自转的物体，其向心加速度大小为a1，线速度大小为v1；B是绕地球做匀速圆周运动的近地卫星，其向心加速度大小为a2，线速度大小为v2；C是地球同步卫星，其轨道半径为r.已知地球半径为R，下列关于A、B的向心加速度和线速度的大小关系正确的是图5√随堂演练逐点落实031.(对宇宙速度的理解)(多选)(2019·巴蜀中学期末)下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是A.人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于或等于7.9km/s、小于11.2km/sB.火星探测卫星的发射速度大于16.7km/sC.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的

人造行星的最小发射速度D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度1234√√解析根据v