新教材同步系列2024春高中物理第七章万有引力与宇宙航行4宇宙航行课件新人教版必修第二册

第七章万有引力与宇宙航行4宇宙航行学习目标学法指导1.知道三个宇宙的速度的含义，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3．通过阅读教材，体会人类探索太空的成就与科学精神知识导图课前·

自主预习宇宙速度分类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“东方红一号”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．人造地球卫星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“东方一号”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5．2017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．6．2021年5月15日7时18分，“天问一号”着陆巡视器成功着陆于火星的“乌托邦”平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务取得圆满成功．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工作运行．宇宙速度的推导和理解例1

恒星演化发展到一定阶段，可能成为恒星世界的“侏儒”——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，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，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，D错误．1．万有引力与匀速圆周运动规律结合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．3．近地卫星、同步卫星和极地卫星(2)同步卫星：位于地球赤道上方，相对于地面静止不动，它的角速度跟地球自转的角速度相同，周期为24h，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

(多选)(2023年常德汉寿一中段考)如图所示，地球半径为R，甲、乙两颗人造卫星绕地球做圆周运动，甲离地面的高度为R，乙离地面的高度为2R，下列说法正确的是 (

)【答案】AC变式2

2023年5月17日，第五十六颗“北斗”导航卫星在西昌成功发射．“北斗”卫星导航定位系统由地球同步卫星、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成．下列说法正确的是 (

)A．地球同步卫星的运行速度大于7.9km/sB．地球同步卫星的线速度比静止在赤道上物体的小C．中轨道卫星的周期大于24hD．中轨道卫星的向心加速度比地球同步卫星的大【答案】D本题解答时需注意：(1)区别两个半径(行星自身半径与公转轨道半径)；(2)区别两个加速度(公转向心加速度与行星表面重力加速度)；(3)比较第一宇宙速度时，只需比较根号内的数字大小即可．核心素养应用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，卫星将做变轨运行．物理与科学技术——航天器的变轨与对接3．综上所述，当卫星需要变轨到更大半径的轨道则需要加速，但到达预定的轨道后的运行速度比原运行速度更小了，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．卫星在同步轨道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，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，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，C、D正确．例4

(2022年浙江卷)“天问一号”从地球发射后，在如图甲所示的P点沿地火转移轨道到Q点，再依次进入如图乙所示的调相轨道和停泊轨道，则“天问一号”

(

)A．发射速度介于7.9km/s与11.2km/s之间B．从P点转移到Q点的时间小于6个月C．在环绕火星的停泊轨道运行的周期比在调相轨道上小D．在地火转移轨道运动时的速度均大于地球绕太阳的速度【答案】C【解析】因发射的卫星要能变轨到绕太阳转动，则发射速度要大于第二宇宙速度，即发射速度介于11.2km/s与16.7km/s之间，A错误；因P点转移到Q点的转移轨道的半长轴大于地球公转轨道半径，则其周期大于地球公转周期(1年)，则从P点转移到Q点的时间为轨道周期的一半时间应大于6个月，B错误；因环绕火星的停泊轨道的半长轴小于调相轨道的半长轴，则由开普勒第三定律可知在环绕火星的停泊轨道运行的周期比在调相轨道上小，C正确；卫星从P点变轨时，要增大速度，此后做离心运动，速度减小，则在地火转移轨道运动时Q点的速度小于地球绕太阳的速度，D错误．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最大速度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，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】D3．(2023年中山一中段考)如图所示，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿曾设想在高山上水平抛出物体，若速度一次比一次大，落点就一次比一次远．当速度足够大时，物体就不会落回地面而成为人造卫星了，这个足够大的速度至少为(不计空气阻力) (

)A．0.34km/s B．7.9km/sC．11.2km/s D．16.7km/s【答案】B【解析】当物体的速度大到所需向心力恰好等于地球的引力时，物体就不会落回地面而成为人造卫星了，这个足够大的速度就是地球的第一宇宙速度，大小至少为7.9km/s，A、C、D错误，B正确．4．(2021年菏泽期中)已知某行星的质量是地球质量的1.5倍，半径是地球半径的6倍，则此行星的第一宇宙速度约为(取地球的第一宇宙速度v1＝7.9km/s) (

)A．31.6