新教材同步系列2024春高中物理第三章万有引力定律第四节宇宙速度与航天课件粤教版必修第二册

第三章万有引力定律第四节宇宙速度与航天学习目标学法指导1．知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度2．了解人造卫星的有关知识，掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系3．了解人类对太空探索的历程及我国卫星发射的情况1．通过近地卫星的运行推导第一宇宙速度并计算其数值，同时理解第二、第三宇宙速度的含义2．通过对地球卫星运动的分析，掌握不同高度卫星的线速度、角速度、周期和加速度的特点知识导图课前·自主预习宇宙速度宇宙速度数值意义第一宇宙速度____km/s(1)卫星环绕地球表面运行的速度，也是绕地球做匀速圆周运动的______速度(2)使卫星绕地球做匀速圆周运动的______地面发射速度第二宇宙速度____km/s使卫星挣脱______引力束缚的______地面发射速度第三宇宙速度____km/s使卫星挣脱______引力束缚的______地面发射速度7.9最大最小11.2地球最小16.7太阳最小关于宇宙速度，下列说法正确的是

(

)A．第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的最小发射速度B．第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度C．第二宇宙速度是卫星在椭圆轨道上运行时的最大速度D．第三宇宙速度是发射人造地球卫星的最小速度【答案】A

【解析】第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度，也是地球卫星绕地球飞行的最大速度，A正确、B错误；第二宇宙速度是在地面上发射物体，使之成为绕太阳运动或绕其他行星运动的人造卫星所必需的最小发射速度，C错误；第三宇宙速度是在地面上发射物体，使之飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小发射速度，D错误．1．________年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功．2．________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”．3．地球同步卫星：(1)位于_______上方，高度约为________km．(2)相对地面______，周期与__________周期相同．人造卫星19571970钱学森赤道36000静止地球自转1．1961年4月12日，苏联航天员________乘坐“东方1号”载人飞船首次成功进入太空．2．1969年7月美国“阿波罗11号”登上______．3．2003年10月15日我国航天员________踏入太空．4．2013年6月，“神舟十号”分别完成与“天宫一号”的手动和自动交会________．载人航天与太空探索加加林月球杨利伟对接课堂·重难探究1．发射速度指卫星直接从地面发射后离开地面时的速度，相当于在地面上用一门威力强大的大炮将卫星轰出炮口时的速度，卫星离开炮口后，不再对卫星提供动力．现实中并非这样发射卫星，而是由火箭推送经过长时间的加速，最终送入预定轨道并运行工作．宇宙速度的推导和理解例1

恒星演化发展到一定阶段，可能成为中子星．中子星的半径较小，一般在7～20km，但它的密度大得惊人．若某中子星的半径为10km，密度为1.2×1017kg/m3，那么该中子星的第一宇宙速度约为(

)A．7.9km/s B．16.7km/sC．2.9×104km/s D．5.8×104km/s【答案】D

变式1

(多选)(2023年佛山期中)如图所示，牛顿在思考万有引力定律时就曾设想，把物体从高山上O点以不同的速度v水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远．如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星，则下列说法正确的是(

)A．以v<7.9km/s的速度抛出的物体可能落在A点B．以v<7.9km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动C．以7.9km/s<v<11.2km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动D．以11.2km/s<v<16.7km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动【答案】AC

【解析】物体抛出速度v<7.9km/s时必落回地面，物体抛出速度v＝7.9km/s时，物体刚好能不落回地面，绕地球做圆周运动，故A正确，B错误；当物体抛出速度7.9km/s<v<11.2km/s时，物体在抛出点做离心运动，但物体不能脱离地球引力束缚，故物体做椭圆运动，可能沿C轨道运动，故C正确；当物体抛出速度v>11.2km/s时，物体会脱离地球引力束缚，不可能沿C轨道运动，故D错误．1．卫星运动随轨道半径变化的规律设卫星的轨道半径为r，线速度大小为v，角速度大小为ω，周期为T，向心加速度大小为a．人造卫星的运行规律2．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，如图所示．(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)同步卫星：位于地球赤道上方，相对于地面静止不动，它的角速度跟地球的自转角速度相同，广泛应用于通信，又叫同步通信卫星．(3)极地卫星：轨道平面与赤道平面夹角为90°的人造地球卫星，运行时能到达南北极上空．例2

(2023年广州番禺期末)如图，A、B两颗卫星围绕地球做匀速圆周运动，则

(

)A．A的周期大于B的周期B．A的角速度大于B的角速度C．A的运行速率大于B的运行速率D．A的向心加速度大于B的向心加速度【答案】A

变式2

(2023年广州第一一三中学期末)如图是北斗导航系统中部分卫星轨道示意图．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

核心素养应用物理与科学技术——航天器的变轨与对接当卫星由于某种原因，速度突然改变时(开启或关闭发动机或空气阻力作用)，万有引力就不再等于向心力大小，卫星将做变轨运动．3．综上所述，当卫星需要变轨到更大半径的轨道时需要加速，但到达预定的轨道后的运行速度比原运行速度则更小了，反之变轨到更小半径的轨道，则需要减速，但到达轨道后运行速度比原速度更大了．4．从能量的角度来讲，外力做功加速的目的是克服万有引力做功，从而获得更大的重力势能，而并非转化为卫星的动能．相反，减速之后，轨道半径变小，卫星将部分势能转化成了动能，从而获得了更大的速度．例3

(多选)如图所示，在发射地球同步卫星的过程中，卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ，然后在Q点通过改变卫星速度，让卫星进入地球同步轨道Ⅱ，则

(

)A．该卫星的发射速度必定大于11.2km/sB．卫星在轨道Ⅱ上的运行速度大于7.9km/sC．在椭圆轨道上，卫星在P点的速度大于在Q点的速度D．卫星在Q点通过加速实现由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ【答案】CD

【解析】11.2km/s是卫星脱离地球引力束缚的发射速度，而同步卫星仍然绕地球运动，故A错误；7.9km/s(第一宇宙速度)是近地卫星的环绕速度，也是卫星做圆周运动最大的环绕速度，同步卫星运动的线速度一定小于第一宇宙速度，故B错误；椭圆轨道Ⅰ上，P是近地点，故卫星在P点的速度大于在Q点的速度，卫星在轨道Ⅰ上的Q点做向心运动，只有加速后才能沿轨道Ⅱ运动，故C、D正确．小练·随堂巩固1．(多选)(2023年江门外海中学期中)关于地球的第一宇宙速度，下列说法正确的是

(

)A．它是人造地球卫星在近地圆轨道绕地球运行的速度B．它是人造地球卫星在同步圆轨道绕地球运行的速度C．第一宇宙速度是人造地球卫星的最小运行速度D．第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度【答案】AD

【解析】第一宇宙速度是卫星绕地球做圆周运动的最小发射速度，也是绕地球运动卫星的最大环绕速度，故A、D正确．2．关于地球同步卫星，下列表述正确的是

(

)A．卫星运行时可能经过重庆的正上方B．卫星的运行速度大于第一宇宙速度C．卫星距离地面的高度大于月球离地面的高度D．卫星运行的向心加速度小于地球表面的重力加速度【答案】D

3．(多选)已知地球半径为R，质量为M，自转角速度为ω，地面重力加速度为g，引力常量为G，地球同步卫星的运行速度为v，则第一宇宙速度的值可表示为

(

)【答案】ABC

4．(多选)我国发射的“嫦娥五号”探月卫星，执行月面取样并返回任务．“嫦娥五号”从月球返回地球的过程可以简单分成四步，如图所示，第一步将“嫦娥五号”发射至月球表面附近的环月圆轨道Ⅰ，第二步在环月轨道的A处进行变轨，进入月地转移轨道Ⅱ，第三步当接近地球表面附近时，又一次变轨，从B点进入绕地圆轨道Ⅲ，第四步再次变轨道后降落至地面．下列说法正确的是

(

)A．将“嫦娥五号”发射至轨道Ⅰ时，所需的发射速度为7.9km/sB．“嫦娥五号”从环月轨道Ⅰ进入月地转移轨道Ⅱ时需要加速C．“嫦娥五号”从A点沿月地转移轨道Ⅱ到达B点的过程中其速率先减小后增大D．“嫦娥五号”在第四步变轨时需要加速【答案】BC

【解析】7.9km/s是地球的第一宇宙速度，也是将卫星从地面发射到近地圆轨道的最小发射速度，而月球的第一宇宙速度比地球的小得多，故将卫星发射到近月轨道Ⅰ上的发射速度比7.9km/s小得多，A错误；“嫦娥五号”从环月轨道Ⅰ进入月地转移轨道Ⅱ时做离心运动，因此需要加速，B正确；“嫦娥五号”从A点沿月地转移轨道Ⅱ到达B点的过程中，开始时月球的引力大于地球的引力，“嫦娥五号”做减速运动，当地球的引力大于月球的引力时，“嫦娥五号”开始做加速运动，C正确；“嫦娥五号”在第四步变轨时做近心运动，因此需要减速，D错误．5．(2023年佛山西樵中学质检)如甲图所示，我国首个火星探测器“天问一号”在火星着陆，开展巡视探测．图乙为“天问一号”环绕火星变轨