人教版高中物理必修第二冊(cè)第七章 萬(wàn)有引力與宇宙航行 4宇宙航行 課件

第七章萬(wàn)有引力與宇宙航行4.宇宙航行目標(biāo)導(dǎo)航：1.知道三個(gè)宇宙速度及含義，了解衛(wèi)星的分類.（物理觀念）

2.會(huì)推導(dǎo)第

一宇宙速度，掌握人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系.（科學(xué)思

維）

3.了解人類在宇宙探索方面的重要成就，培養(yǎng)應(yīng)用物理規(guī)律造福人類的意識(shí).

（科學(xué)態(tài)度與責(zé)任）第3頁(yè)研習(xí)任務(wù)一情境

導(dǎo)學(xué)衛(wèi)星發(fā)射和三個(gè)宇宙速度的示意圖如圖所示，思考下列問(wèn)題：

（1）什么是第一宇宙速度？提示：第一宇宙速度是衛(wèi)星在地球附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大速度.

（2）什么是第二、第三宇宙速度？提示：第二宇宙速度是能夠克服地球引力，永遠(yuǎn)離開地球的速度；第三宇宙速度

是能夠掙脫太陽(yáng)引力束縛，飛到太陽(yáng)系外的速度.知識(shí)

梳理1.

第一宇宙速度（1）定義：物體在地球附近繞地球做

運(yùn)動(dòng)的速度叫作第一宇宙速度.（2）大小：v＝7.9

km/s.2.

第二宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，如果速度大于

，又小于11.2

km/s，它繞地球運(yùn)

行的軌跡就不是圓，而是橢圓.當(dāng)飛行器的速度等于或大于11.2

km/s時(shí)，它就會(huì)克服

地球的引力，永遠(yuǎn)離開

.我們把

叫作第二宇宙速度.3.

第三宇宙速度在地面附近發(fā)射飛行器，如果要使其掙脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系外，必須使它

的速度等于或大于16.7

km/s，這個(gè)速度叫作第三宇宙速度.勻速圓周7.9

km/s

地球11.2

km/s

深化

理解1.

對(duì)第一宇宙速度的推導(dǎo)

2.

對(duì)宇宙速度的理解（1）三個(gè)宇宙速度都是指發(fā)射速度，指在地面附近使航天器獲得的速度，然后靠慣

性飛行.（2）當(dāng)發(fā)射速度達(dá)到第一宇宙速度，即v＝7.9

km/s時(shí)，物體貼近地球表面做勻速圓

周運(yùn)動(dòng)，不再落回地面.當(dāng)發(fā)射速度小于7.9

km/s時(shí)，物體最終落回地面，所以第一

宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度.（3）當(dāng)在地面的發(fā)射速度11.2

km/s＞v＞7.9

km/s時(shí)，衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)的軌道是橢

圓，地球位于一個(gè)焦點(diǎn)上.（4）當(dāng)在地面的發(fā)射速度16.7

km/s＞v≥11.2

km/s時(shí)，衛(wèi)星脫離地球的束縛，成為

太陽(yáng)系的一顆“小行星”或繞其他行星運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星.研習(xí)

經(jīng)典[典例1]

若取地球的第一宇宙速度為8

km/s，某行星的質(zhì)量是地球的6倍，半徑是地

球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度約為（

A

）A.16

km/sB.32

km/sC.4

km/sD.2

km/s[巧指導(dǎo)]

先推導(dǎo)行星上的第一宇宙速度與地球上的第一宇宙速度的關(guān)系，再利用地球上的第一宇宙速度求解此行星上的第一宇宙速度.

A

對(duì)于任何天體，計(jì)算其近地衛(wèi)星環(huán)繞速度時(shí)，都是根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力，近

地衛(wèi)星的軌道半徑等于天體的半徑，然后利用牛頓第二定律列式計(jì)算.[訓(xùn)練1]

（2024·湖北宜昌期中）如圖是關(guān)于地球表面發(fā)射衛(wèi)星時(shí)的三種宇宙速度的

示意圖，橢圓軌道為某衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌道，下列說(shuō)法正確的是（

A

）A.

此衛(wèi)星的發(fā)射速度大于第一宇宙速度B.

此衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)的速度大于第一宇宙速度C.

若想讓衛(wèi)星進(jìn)入月球軌道，發(fā)射速度需大于第二宇宙速度D.

若想讓衛(wèi)星進(jìn)入太陽(yáng)軌道，發(fā)射速度需大于第三宇宙速度A解析：第一宇宙速度是衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，要想發(fā)射衛(wèi)星，發(fā)射速度至少為第一宇

宙速度，且軌道越高，發(fā)射速度越大，橢圓軌道為某衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，則此衛(wèi)星的發(fā)

射速度大于第一宇宙速度，A正確；第一宇宙速度是近地衛(wèi)星繞地球表面做圓周運(yùn)動(dòng)

的運(yùn)行速度，也是衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大速度，此衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)做近心運(yùn)動(dòng)，

此衛(wèi)星的速度小于在離地相同高度的圓軌道上做圓周運(yùn)動(dòng)的速度，故此衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)

的速度小于第一宇宙速度，B錯(cuò)誤；衛(wèi)星在月球軌道運(yùn)行時(shí)還在地球吸引范圍之內(nèi)，

發(fā)射速度不能超過(guò)第二宇宙速度，C錯(cuò)誤；發(fā)射速度大于第三宇宙速度時(shí)，衛(wèi)星將脫

離太陽(yáng)的束縛，飛到太陽(yáng)系外，D錯(cuò)誤.第13頁(yè)研習(xí)任務(wù)二情境

導(dǎo)學(xué)圖甲為不同軌道上的人造地球衛(wèi)星，圖乙為我國(guó)的天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室.天

宮二號(hào)的軌道高度大約是393

km，同步衛(wèi)星的軌道高度大約是3.6×104

km.思

考下列問(wèn)題：（1）天宮二號(hào)和同步衛(wèi)星的周期相比較哪個(gè)更大？提示：同步衛(wèi)星的周期更大.（2）天宮二號(hào)和同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度、加速度哪個(gè)更大？提示：天宮二號(hào)的運(yùn)行速度、加速度更大.深化

理解1.

軌道及特點(diǎn)（1）軌道：赤道軌道、極地軌道及其他軌道.如圖所示.（2）特點(diǎn)：所有軌道的圓心都在地心.

（2）衛(wèi)星的各物理量隨軌道半徑變化的規(guī)律3.

地球同步靜止衛(wèi)星（1）概念：相對(duì)于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星，叫作地球同步靜止

衛(wèi)星.（2）特點(diǎn)：六個(gè)“一定”①轉(zhuǎn)動(dòng)方向一定：和地球自轉(zhuǎn)方向一致；②周期一定：和地球自轉(zhuǎn)周期相同，即T＝24

h；③角速度一定：等于地球自轉(zhuǎn)的角速度；④軌道平面一定：所有的靜止衛(wèi)星都在赤道的正上方，其軌道平面必須與赤道平面成

0度角；⑤高度一定：離地面高度固定不變（約3.6×104

km）；⑥速率一定：線速度大小一定（約3.1×103

m/s）.研習(xí)

經(jīng)典角度1

人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律[典例2]

我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，以“一箭雙星”方式成

功發(fā)射了第24、25顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星.北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由5顆靜止軌道衛(wèi)星（即衛(wèi)星相對(duì)地

面的位置保持不變）和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，其中北斗－G5為地球靜止軌道衛(wèi)

星，軌道高度約為36

000

km；北斗－M3為我國(guó)地球軌道衛(wèi)星，軌道高度約為21

500

km，已知地球半徑為6

400

km，則下列說(shuō)法中正確的是（

B

）A.

北斗－G5受到地球的引力小于北斗－M3受到地球的引力B.

北斗－G5和北斗－M3繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的線速度均小于7.9

km/sC.

北斗－M3繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的角速度小于北斗－G5的角速度D.

北斗－M3繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的向心加速度小于北斗－G5的向心加速度B

角度2

地球赤道上的物體、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)參量比較[典例3]如圖所示，A為地面上的待發(fā)射衛(wèi)星，B為近地圓軌道衛(wèi)星，C為地球同步衛(wèi)星.三顆衛(wèi)星質(zhì)量相同，線速度大小分別為vA、vB、vC，角速度分別為ωA、ωB、ωC，周期分別為TA、TB、TC，向心加速度大小分別為aA、aB、aC，則（

A

）

AA.

ωA＝ωC＜ωBB.

TA＝TC＜TBC.

vA＝vC＜vBD.

aA＝aC＞aB

地球衛(wèi)星的an、v、ω、T由地球的質(zhì)量M和衛(wèi)星的軌道半徑r決定，當(dāng)r確定后，衛(wèi)

星的an、v、ω、T便確定了，與衛(wèi)星的質(zhì)量、形狀等因素?zé)o關(guān)，俗稱“一（r）定四

（an、v、ω、T）定”.[訓(xùn)練2]

（多選）（2023·海南高考）如圖所示，1、2軌道分別是天宮二號(hào)飛船在變

軌前后的軌道，下列說(shuō)法正確的是（

ACD

）A.

飛船從1軌道變到2軌道要點(diǎn)火加速B.

飛船在1軌道周期大于2軌道周期C.

飛船在1軌道速度大于2軌道D.

飛船在1軌道加速度大于2軌道ACD

[訓(xùn)練3]

（多選）（2024·河南平頂山聯(lián)考）地球同步衛(wèi)星到地心的距離為r，運(yùn)行速

率為v1，加速度為a1；地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2，第一宇宙速

度為v2，地球半徑為R，則下列比值正確的是（

AD

）

AD知識(shí)

構(gòu)建第26頁(yè)課堂強(qiáng)研習(xí)合作學(xué)習(xí)精研重難課后提素養(yǎng)1.

下列關(guān)于三種宇宙速度的說(shuō)法中正確的是（

D

）A.

人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度大于或等于7.9

km/s、小于11.2

km/sB.

火星探測(cè)衛(wèi)星的發(fā)射速度大于16.7

km/sC.

第三宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛，成為繞太陽(yáng)運(yùn)行的人

造行星的最小發(fā)射速度D.

第一宇宙速度7.9

km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度D

2.

（多選）有兩個(gè)行星A、B，在這兩個(gè)行星表面附近各有一顆衛(wèi)星，如果這兩顆衛(wèi)

星的運(yùn)動(dòng)周期相等，則下列說(shuō)法正確的是（

AD

）A.

A、B兩行星表面重力加速度之比等于它們的半徑之比B.

兩衛(wèi)星的線速度一定相等C.

行星A、B的質(zhì)量和半徑一定相等D.

行星A、B的密度一定相等AD

3.

我國(guó)高分系列衛(wèi)星的高分辨對(duì)地觀察能力不斷提高.2018年5月9日發(fā)射的“高分五

號(hào)”軌道高度約為705

km，之前已運(yùn)行的“高分四號(hào)”軌道高度約為36

000

km，它

們都繞地球做圓周運(yùn)動(dòng).與“高分四號(hào)”相比，下列物理量中“高分五號(hào)”較小的是

（

A

）A.

周期B.

角速度C.

線速度D.

向心加速度

A4.

（2024·山東菏澤月考）海王星的質(zhì)量是地球的17倍，它的半徑是地球的4倍，地球

表面的重力加速度為g，地球的第一宇宙速度為v，則（

B

）B

5.

已知地球半徑為R，地球表面重力加速度為g，引力常量為G，不考慮地球自

轉(zhuǎn)的影響.（1）求地球的質(zhì)量；

（2）試推導(dǎo)第一宇宙速度的表達(dá)式.答案：見解析

第35頁(yè)課時(shí)作業(yè)（十三）宇宙航行[基礎(chǔ)訓(xùn)練]1.

以下關(guān)于宇宙速度的說(shuō)法中正確的是（

A

）A.

第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星在圓軌道運(yùn)行時(shí)的最大速度B.

第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星在圓軌道運(yùn)行時(shí)的最小速度C.

人造地球衛(wèi)星在圓軌道運(yùn)行時(shí)的速度可以等于第二宇宙速度D.

地球上的物體無(wú)論具有多大的速度都不可能脫離太陽(yáng)的束縛

A1234567891011

C12345678910113.

（多選）（2024·河北石家莊河北師大附中期中）如圖所示，a、b是兩顆繞地球做

勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星，它們的軌道半徑分別是2R和3R（R為地球半徑），下列關(guān)

于a、b兩衛(wèi)星的說(shuō)法正確的是（

CD

）A.

a、b的線速度大小之比是3∶2D.

a、b的向心加速度大小之比是9∶4CD1234567891011

12345678910114.

（2021·天津高考）2021年5月15日，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器著陸火星取得成功，邁出

了我國(guó)星際探測(cè)征程的重要一步，在火星上首次留下中國(guó)人的印跡.“天問(wèn)一號(hào)”探

測(cè)器成功發(fā)射后，順利被火星捕獲，成為我國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星.經(jīng)過(guò)軌道調(diào)整，

探測(cè)器先沿橢圓軌道Ⅰ運(yùn)行，之后進(jìn)入稱為火星停泊軌道的橢圓軌道Ⅱ運(yùn)行，如圖所

示，兩軌道相切于近火點(diǎn)P，則“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器（

D

）A.

在軌道Ⅱ上處于受力平衡狀態(tài)B.

在軌道Ⅰ運(yùn)行周期比在Ⅱ時(shí)短C.

從軌道Ⅰ進(jìn)入Ⅱ在P處要加速D.

沿軌道Ⅰ向P飛近時(shí)速度增大D1234567891011解析：“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在軌道Ⅱ上做變速圓周運(yùn)動(dòng)，受力不平衡，故A錯(cuò)誤；根

據(jù)開普勒第三定律可知，軌道Ⅰ的半長(zhǎng)軸大于軌道Ⅱ的半長(zhǎng)軸，故在軌道Ⅰ運(yùn)行周期比

在Ⅱ時(shí)長(zhǎng)，故B錯(cuò)誤；“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器從軌道Ⅰ進(jìn)入Ⅱ做近心運(yùn)動(dòng)，需要的向心力

要小于提供的向心力，故要在P點(diǎn)點(diǎn)火減速，故C錯(cuò)誤；在軌道Ⅰ向P飛近時(shí)，由開普

勒第二定律知，速度增大，故D正確.12345678910115.

美國(guó)宇航局2011年12月5日宣布，他們發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系外第一顆類似地球的、可適合

居住的行星——“開普勒—22b”，其直徑約為地球的2.4倍.至今其確切質(zhì)量和表面

成分仍不清楚，假設(shè)該行星的密度和地球相當(dāng)，根據(jù)以上信息，估算該行星的第一宇

宙速度等于（

D

）A.3.3×103

km/sB.7.9×103

km/sC.1.2×104

km/sD.1.9×104

km/s

D12345678910116.

我國(guó)首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年8月16日1點(diǎn)40分成功發(fā)射.量子衛(wèi)星成功運(yùn)行

后，我國(guó)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保

密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系.假設(shè)量子衛(wèi)星軌道在赤道平面，如圖所示.已知量子衛(wèi)星的軌

道半徑是地球半徑的m倍，同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的n倍，圖中P點(diǎn)是地球赤

道上一點(diǎn)，由此可知（

D

）D1234567891011

1234567891011[能力提升]7.

（多選）a、b、c、d是在地球大氣層外的圓形軌道上運(yùn)行的四顆人造衛(wèi)星，其中

a、c的軌道相交于P點(diǎn)，b、d在同一個(gè)圓軌道上，b、c軌道在同一平面上.某時(shí)刻四顆

人造衛(wèi)星的運(yùn)行方向及位置如圖所示.下列說(shuō)法中正確的是（

AC

）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的線速度大小相等，且大于d的線速度D.a、c存在相撞的危險(xiǎn)AC1234567891011

12345678910118.

（多選）如圖所示，“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星被月球捕獲后，首先穩(wěn)定在橢圓軌道Ⅰ

上運(yùn)動(dòng)，其中P、Q兩點(diǎn)分別是軌道Ⅰ的近月點(diǎn)和遠(yuǎn)月點(diǎn)，Ⅱ是衛(wèi)星繞月做圓周運(yùn)動(dòng)的

軌道，軌道Ⅰ和Ⅱ在P點(diǎn)相切，則（

AD

）A.

衛(wèi)星在軌道Ⅰ上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在P點(diǎn)的線速度大于在Q點(diǎn)的線速度B.

衛(wèi)星在軌道Ⅰ上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在P點(diǎn)的加速度小于在Q點(diǎn)的加速度C.

衛(wèi)星沿軌道Ⅰ運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)時(shí)的加速度大于沿軌道Ⅱ運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)時(shí)的加速度D.

衛(wèi)