第3节　人类对太空的不懈探索

第3节人类对太空的不懈探索核心素养目标物理观念1.认识发现万有引力定律的过程和重要意义，以

及科学定律对人类探索未知世界的作用。2.学会分析人造卫星的运行问题，理解地球同步

卫星的特点及规律。科学思维1.了解“地心说”和“日心说”的内容及意义，

学习科学家实事求是、尊重客观规律、不迷信权

威、敢于坚持真理的科学态度和科学精神。2.了解开普勒行星运动定律的建立过程。目录01.基础知识·准落实02.核心要点·快突破03.教学效果·勤检测04.课时训练·提素能基础知识·准落实梳理归纳自主学习01

知识点一

古希腊人的探索1.

公元140年前后，托勒密提出了

（即地心说），该体

系可以解释已知天体的运动。2.

地心说：

是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月球以及

其他星体都绕

运动。地心体系地球地球知识点二文艺复兴的撞击1.

1543年

提出了“日心说”（1）内容：太阳是

的中心，水星、金星、地球、火星、

木星及土星都绕太阳做匀速圆周运动，月球是地球的卫星。（2）“日心说”可以简洁地描述行星运动，并能更清楚地解释诸

多天文现象。2.

开普勒研究了

连续20年的观测数据，提出了开普勒三

大定律。哥白尼宇宙第谷知识点三牛顿的大综合1.

牛顿在前人研究的基础上，运用开普勒行星运动定律和自己的研究

成果，逐步建立了

⁠。2.

牛顿的

是物理学的第一次大综合，它将

⁠

的力学和

的力学统一起来，形成了以

⁠

为基础的力学体系。万有引力定律万有引力定律地上天上牛顿三大运动定

律知识点四

人类“飞天”梦的实现1.

1957年10月4日，

成功发射了第一颗人造地球卫星。2.

1961年4月12日，苏联宇航员

⁠成功完成了人类第一次环

绕地球的飞行。3.

1969年7月20日，美国的“阿波罗十一号”宇宙飞船将人类送上

了

⁠。4.

1971年4月19日，苏联“礼炮一号”空间站成为人类进入太空的第

一个空间站。5.

1971年12月2日，苏联“火星三号”探测器在火星表面着陆。苏联加加林月球6.

1981年4月12日，美国的第一架航天飞机“哥伦比亚号”成功发

射。目前，科学家正在研究一种新型的航天器——空天飞机。7.

2003年10月15日，“神舟五号”载人飞船成功发射，中国成为世界

上第三个独立掌握载人航天技术的国家。【情景思辨】地心说与日心说的示意图如图所示。判断下列说法的正误。（1）地球是宇宙的中心，是静止不动的。

（

×

）×（2）“太阳从东边升起，在西边落下，”这说明太阳绕地球转动，

地球是不动的。

（

×

）（3）如果认为地球是不动的（以地球为参考系），行星运动的描述

不仅复杂而且问题很多。

（

√

）（4）如果认为太阳是不动的（以太阳为参考系），则行星运动的描

述变得简单。

（

√

）（5）“地心说”和“日心说”都有一定的局限性，我们认识的太阳

系本身也在宇宙中不停地运动着。

（

√

）×√√√核心要点·快突破互动探究深化认知02

要点一天体运动参量的分析与计算【探究】（1）一般卫星（或行星）的运动可看成匀速圆周运动，用描述天

体运行的物理量表示出其所需向心力，并写出与万有引力的

关系。

（2）你知道“黄金代换公式”吗？说说这个公式的作用。

（3）请使用问题（1）中的关系式推导线速度v、角速度ω、周期T、

向心加速度a与轨道半径r的关系。

（4）随着轨道半径r的增大，v、ω、T、a如何变化？在同一圆轨道上

运行的不同卫星，它们的v、ω、T、a有何特点？提示：

卫星的轨道半径r越大，v、ω、a越小，T越大，即越远越慢。卫星的轨道半径r确定后，其相对应的线速度大小、角速度、周期和向心加速度大小是唯一的，与卫星的质量

无关，即同一轨道上的不同卫星具有相同的周期、线速度大小、角速度和向心加速度大小。（5）同一轨道上的两卫星是否有可能相撞？提示：

不可能。同一轨道上的两卫星，线速度大小相等，相对静止，故不可能相撞。

【典例1】有的天文学家倾向于把太阳系外较小的天体叫作“矮行

星”，而另外一些人把它们叫作“小行星”，谷神星就是小行星之

一。现有两个这样的天体，它们的质量分别为m1和m2，绕太阳运行的

轨道半径分别是r1和r2，求：（1）它们与太阳间的万有引力之比；

（2）它们的公转周期之比。

1.

如图所示，a、b、c是在地球大气层外圆形轨道上运行的3颗人造卫

星，下列说法正确的是（

）A.

b、c的线速度大小相等，且大于a的线速度B.

b、c的向心加速度相等，且大于a的向心加速度C.

c加速可以追上同轨道上的b，b减速可以等候同一轨

道上的cD.

b、c卫星的周期大小相等，且大于a的周期

2.

有两颗卫星分别用a、b表示，若a、b两颗卫星绕地球做匀速圆周运

动的轨道半径之比为4∶9，如图所示，则下列说法正确的是

（

）A.

a、b两颗卫星的质量之比为3∶2B.

a、b两颗卫星运行的线速度大小之比为2∶3C.

a、b两颗卫星运行的角速度之比为27∶8D.

a、b两颗卫星运行的向心加速度大小之比为9∶4

要点二地球同步卫星的特点1.

地球同步卫星地球同步卫星是指位于地球赤道上方一定高度、运行方向与地

球自转方向相同、运行周期与地球自转周期相等、相对地面静

止的卫星。2.

地球同步卫星的六个“一定”【典例2】利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任

意两点之间保持无线电通信。目前，地球同步卫星的轨道半径约为地

球半径的6.6倍。假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星

来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为（

）A.1

hB.4

hC.8

hD.16

h

1.

2020年6月23日，我国北斗三号最后一颗全球组网卫星发射成功，

这颗卫星是地球同步卫星。关于该卫星，下列说法正确的是（

）A.

该卫星相对地面是运动的B.

该卫星发射速度大于11.2

km/sC.

该卫星运行速度小于7.9

km/sD.

该卫星定点在南京上空解析：

地球同步卫星相对地面是静止的，故A错误；所有的地

球卫星的发射速度均小于11.2

km/s，故B错误；第一宇宙速度即

7.9

km/s，是最大的环绕速度，所以同步卫星的运行速度小于7.9

km/s，故C正确；地球同步卫星应该定位在赤道上空，故D错误。2.

（多选）地球同步卫星，常用于通信、气象、广播电视、导弹预

警、数据中继等方面，设地球半径为R，同步卫星离地面的高度为

h，不计地球自转的影响时，地球表面的重力加速度为g。有关地球

同步卫星，下列说法正确的是（

）A.

同步卫星能够定位于北京上空C.

同步卫星的速率可以与某极地卫星的速率相等D.

所有同步卫星的向心加速度一定相同

要点三近地卫星、同步卫星与赤道上物体的比较1.

轨道半径近地卫星与赤道上物体的轨道半径相同，同步卫星的轨道半径较

大，即r同＞r近＝r物。2.

运行周期

3.

角速度

4.

线速度

6.

动力学规律近地卫星和同步卫星都只受万有引力作用，由万有引力充当向心

力，满足万有引力充当向心力所决定的天体运动规律。赤道上的物

体由万有引力和地面支持力的合力充当向心力（或者说由万有引力

的分力充当向心力），它的运行规律不同于卫星的运行规律。【典例3】

（多选）有a、b、c、d四颗人造地球卫星，a还未发射，

在地球赤道上随地球一起转动，b在地面附近的近地轨道上正常运

动，c是地球同步卫星，d是高空探测卫星，各卫星排列位置如图所

示，则有（

）A.

a、c转过的弧长对应的角度相等B.

b在相同时间内转过的弧长最长D.

d的运动周期有可能是20

h

方法技巧处理近地卫星、同步卫星与赤道上物体运动问题的技巧（1）近地卫星与同步卫星的共同点是卫星做匀速圆周运动的向心力

由万有引力提供；（2）同步卫星与赤道上随地球自转的物体的共同点是具有相同的角

速度；（3）当比较近地卫星和赤道上物体的运动规律时，往往借助同步卫

星这一纽带，这样会使问题迎刃而解。

1.

如图所示，a是准备发射的一颗卫星，在地球赤道表面上随地球一

起转动，b是地面附近的近地轨道上正常运行的卫星，c是地球同步

卫星，则下列说法正确的是（

）A.

卫星a的向心加速度等于重力加速度gB.

卫星c的线速度小于卫星aC.

卫星b所受的向心力一定大于卫星cD.

卫星b运行的线速度大小约等于地球第一宇宙速度解析：

卫星a在赤道上，地球对卫星a的万有引力分解为重力和

卫星随地球自转而做圆周运动所需的向心力，向心力的大小远小于

重力的大小，则卫星a的向心加速度不等于重力加速度，故A错

误；c与a角速度相同，由v＝rω可知c的线速度大于a的线速度，故

B错误；因b和c的质量大小关系不知，则无法确定向心力的大小关

系，故C错误；第一宇宙速度为近地卫星的环绕速度，故D正确。2.

1970年4月24日我国首次成功发射的人造卫星东方红一号，目前仍

然在椭圆轨道上运行，其轨道近地点高度约为440

km，远地点高度

约为2

060

km；1984年4月8日成功发射的东方红二号卫星运行在赤

道上空35

786

km的地球同步轨道上。设东方红一号在远地点的加

速度为a1，东方红二号的加速度为a2，固定在地球赤道上的物体随

地球自转的加速度为a3，则a1、a2、a3的大小关系为（

）A.

a2＞a1＞a3B.

a3＞a2＞a1C.

a3＞a1＞a2D.

a1＞a2＞a3

要点回眸教学效果·勤检测强化技能查缺补漏03

1.

设地球半径为R，a为静止在地球赤道上的一个物体，b为一颗近地

卫星，c为地球的一颗同步卫星，其轨道半径为r。下列说法正确的

是（

）

2.

地球的两颗人造卫星A和B，它们的轨道近似为圆。已知A的周期约

为12小时，B的周期约为16小时，则两颗卫星相比（

）A.

A距地球表面较远B.

A的角速度较小C.

A的线速度较小D.

A的向心加速度较大

3.

（多选）如果把水星和金星绕太阳的运动视为匀速圆周运动，从水

星与金星在一条直线上时开始计时，若天文学家测得在相同时间内

水星转过的角度为θ1，金星转过的角度为θ2（θ1、θ2均为锐角），

如图所示，则由此条件可求得（

）A.

水星和金星绕太阳运动的周期之比B.

水星和金星的密度之比C.

水星和金星到太阳的距离之比D.

水星和金星绕太阳运动的向心加速度大小之比

B.

天和核心舱在轨道上飞行的速度大于7.9

km/sC.

天和核心舱在轨道上飞行的周期小于24

hD.

天和后续加挂实验舱后，空间站由于质量增大，轨道半径将变小

04课时训练·提素能分层达标素养提升

1.

由于通信和广播等方面的需要，许多国家发射了地球同步卫星，这

些卫星的（

）A.

质量可以不同B.

轨道半径可以不同C.

轨道平面可以不同D.

速率可以不同12345678910111213

123456789101112132.

金星、地球和火星绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动，它们的向

心加速度大小分别为a金、a地、a火，它们沿轨道运动的速率分别为v

金、v地、v火。已知它们的轨道半径R金＜R地＜R火，由此可以判定

（

）A.

a金＞a地＞a火B.

a火＞a地＞a金C.

v地＞v火＞v金D.

v火＞v地＞v金12345678910111213

123456789101112133.

假设地球和火星都绕太阳做匀速圆周运动，已知地球到太阳的距离

小于火星到太阳的距离，则（

）A.

地球公转的周期大于火星公转的周期B.

地球公转的线速度小于火星公转的线速度C.

地球公转的加速度小于火星公转的加速度D.

地球公转的角速度大于火星公转的角速度12345678910111213

123456789101112134.

近年来，自然灾害在世界各地频频发生，给人类带来巨大损失。科

学家们对其中地震、海啸的研究结果表明，地球的自转将因此缓慢

变快。下列说法正确的是（

）A.

“天宫二号”飞行器的高度要略调高一点B.

地球赤道上物体的重力会略变大C.

地球同步卫星的高度要略调低一点D.

地球的第一宇宙速度将略变小12345678910111213

12345678910111213

A.2D.412345678910111213

123456789101112136.

a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星。

其中a、c的轨道相交于P点，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在

同一平面上。某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图所示，下列说

法中正确的是（

）A.

a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度B.

b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度C.

a、c的线速度大小相等，且小于d的线速度D.

a、c存在在P点相撞的危险12345678910111213

123456789101112137.

如图所示，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轨道地球卫星。已知中轨道地

球卫星的轨道高度为5

000～15

000

km，则下列说法正确的是（

）A.

中轨道地球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7.9

km/sC.

中轨道地球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12345678910111213

123456789101112138.

（多选）我国首颗量子科学实验卫星“墨子”已于酒泉成功发射，

将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。“墨子”由火箭

发射至高度为500

km的预定圆形轨道。此前在西昌卫星发射中心

成功发射了第二十三颗北斗导航卫星G7。G7属地球静止轨道卫星

（高度约为36

000

km），它将使北斗系统的可靠性进一步提高。

关于卫星的以下说法正确的是（

）A.

这两颗卫星的运行速度可能大于7.9

km/sB.

量子科学实验卫星“墨子”的周期比北斗G7的

小C.

通过地面控制可以将北斗G7定点于西昌正上方D.

量子科学实验卫星“墨子”的向心加速度比北

斗G7的大12345678910111213

12345678910111213

A.

公转周期之比T比∶T日＝1∶1B.

向心加速度之比a比∶a日＝3∶4C.

动能之比Ek比∶Ek日＝3∶8D.

万有引力之比F比∶F日＝3∶812345678910111213

12345678910111213

10.

若将地球同步卫星和月球绕地球的运动均视为匀速圆周运动，下

列相关说法正确的是（

）A.

月球的周期比同步卫星的周期小B.

月球的角速度比同步卫星的角速度大C.

月球