人教版高中物理必修二 （宇宙航行）万有引力与宇宙航行教师教学课件

4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＝

可知，卫星的轨道半径r越大，即距离地面越远，卫星的环绕速度越小，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，选项D正确；实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项A错误；火星探测卫星仍在太阳系内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选项B错误；第二宇宙速度是使物体挣脱地球引力束缚而成为太阳的一颗人造行星的最小发射速度，选项C正确.12342.(对同步卫星的认识)(多选)(2019·海师附中期中)下列关于同步通信卫星的说法正确的是A.各国发射的地球同步卫星的高度和速率都是相等的B.同步通信卫星的角速度虽已确定，但高度和速率可以选择，高度增加，速率增

大，高度降低，速率减小，仍同步C.我国发射的第一颗人造地球卫星的周期是114min，它的高度比同步卫星低D.同步通信卫星的速率比我国发射的第一颗人造地球卫星速率小1234√√√3.(同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较)(多选)如图6所示，同步卫星与地心的距离为r，运行速率为v1，向心加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则下列关系式正确的是1234√√图6解析地球同步卫星：轨道半径为r，运行速率为v1，向心加速度为a1；地球赤道上的物体：轨道半径为R，随地球自转的向心加速度为a2；以第一宇宙速度运行的卫星为近地卫星.对于卫星，其共同特点是万有引力提供向心力，12344.(第一宇宙速度的计算)(2019·岷县一中期末)已知某星球的质量是地球质量的81倍，半径是地球半径的9倍.已知地球的第一宇宙速度为7.9km/s，则在该星球上发射一颗人造卫星，其发射人造卫星的速度最小是多少？

1234答案23.7km/s1234解析设地球质量为M1，半径为R1；该星球的质量为M2，半径为R2则在该星球上发射人造卫星的速度至少为：v2＝3v1＝23.7km/s.7.4宇宙航行

1.了解人造卫星的有关知识；2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。学习目标思考：地球上的物体，怎样才能离开地球进行宇宙航行呢？思考：地球上的物体，怎样才能离开地球进行宇宙航行呢？思考：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2,地球质量M=5.89×1024kg,地球半径R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2)法一：万有引力提供物体做圆周运动的向心力法二：在地面附近，重力提供物体做圆周运动的向心力宇宙速度1、第一宇宙速度物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。思考：1.向高轨道发射卫星与发射近地卫星相比,哪个需要的发射速度大？为什么？2.高轨道卫星与近地卫星相比哪个运行速度大？为什么？注意：人造卫星的发射速度与运行速度是两个不同的概念发射速度

指被发射物体离开地面时的速度运行速度

指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度第一宇宙速度（V1=7.9km/s）最小发射速度最大运行速度思考：卫星的的关系

小小小大小近地卫星的周期是多大？2、第二宇宙速度当物体的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2km/s叫做第二宇宙速度。3、第三宇宙速度当物体的速度等于或大于16.7km/s时，物体可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间。我们把16.7km/s叫做第三宇宙速度。梦想成真1957年10月4日，苏联发射第一颗人造地球卫星1961年4月12日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，实现了人进入太空的梦想1969年7月20日，阿波罗11号将人类送上了月球我国的航天成就

1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功2010年10月1日嫦娥二号顺利发射2013年12月2日嫦娥三号探测器进入太空，当月14日成功软着陆于月球2003年10月15日，神舟五号，杨利伟2005年10月12日，神舟六号，费俊龙聂海胜2008年9月25日，神舟七号，翟志刚、刘伯明、景海鹏2011年11月1日，神舟八号顺利升空2012年6月16日，神州九号2013年6月11日，神舟十号，聂海胜、张晓光、王亚平2011年9月29日天宫一号发射升空2011年11月，天宫一号与神舟八号飞船成功对接2012年6月18日神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器自动交会对接2013年6月13日，神舟十号飞船与天宫一号顺利自动交会对接我国的航天成就2016年9月15日22时04分12秒，天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心发射。2016年10月19日凌晨，神州十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。航天员景海鹏、陈东进入天宫二号。2017年9月17日15时29分，地面发送指令，天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室实施分离。2018年9月15日，天宫二号空间实验室已圆满完成2年在轨飞行和各项试验任务，天宫二号平台及装载的应用载荷功能正常、状态良好。为进一步发挥空间应用效益。2019年7月19日21时06分，天宫二号空间实验室受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层，标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。我国的航天成就题组一卫星运行参量的分析与比较常考题型题1[多选］有两颗质量相同的人造卫星A、B，其轨道半径分别为RA、RB，RA∶RB=1∶4，那么下列判断中正确的有（）A.它们的运行周期之比TA∶TB=1∶8 B.它们的运行线速度之比vA∶vB=4∶1C.它们所受的向心力之比FA∶FB=4∶1 D.它们的运行角速度之比ωA∶ωB=8∶1【解析】A对：据=mR，可得T=；两卫星轨道半径之比RA∶RB=1∶4，则它们的运行周期之比TA∶TB=∶:=1∶8。B错：据，可得v=；两卫星轨道半径之比RA∶RB=1∶4，则它们的运行线速度之比vA∶vB=2∶1。C错：向心力Fn=，质量相同的人造卫星A、B，轨道半径之比RA∶RB=1∶4，它们所受的向心力之比FA∶FB=16∶1。D对：据=mRω2，可得ω=，两卫星轨道半径之比RA∶RB=1∶4，则它们的运行角速度之比ωA∶ωB=8∶1。【答案】

AD题2［多选］“土卫5”在距离土星表面高度为h的轨道上做匀速圆周运动。已知土星半径为R，土星表面的重力加速度为g，引力常量为G，则（）A.“土卫5”绕土星运行的周期为B.“土卫5”绕行的速度为C.“土卫5”绕土星运行的角速度为D.“土卫5”轨道处的重力加速度CD题3两颗人造卫星A、B绕地球做圆周运动的周期之比TA∶TB=1∶8，则轨道半径之比和运行速率之比分别为（）rA∶rB=4∶1

vA∶vB=1∶2 B.rA∶rB=4∶1

vA∶vB=2∶1C.rA∶rB=1∶4

vA∶vB=2∶1 D.rA∶rB=1∶4

vA∶vB=1∶2C题4［2019•天津卷第1题改编］2018年12月8日，肩负着亿万中华儿女探月飞天梦想的“嫦娥四号”探测器成功发射，“实现人类航天器首次在月球背面巡视探测，率先在月背刻上了中国足迹”。已知月球的质量为M、半径为R，探测器的质量为m，引力常量为G，“嫦娥四号”探测器围绕月球做半径为r的匀速圆周运动时，探测器的（）

A.周期为 B.速度为C.角速度为 D.向心加速度为A题组二

宇宙速度题5已知火星的质量约为地球质量的

，火星的半径约为地球半径的

。下列关于火星探测器的说法正确的是

（）A.发射速度只要高于第一宇宙速度即可B.发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C.发射速度不能低于第二宇宙速度D.火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的

【解析】A、B错，C对：火星探测器前往火星，脱离地球引力束缚，还在太阳系内，发射速度应大于第二宇宙速度，可以小于第三宇宙速度。D错：由

=

得，v=

，已知火星的质量约为地球质量的

，火星的半径约为地球半径的

，可得火星的第一宇宙速度与地球第一宇宙速度之比

=

=

=

。【答案】C

B题7已知地球两极处的重力加速度为g，赤道上的物体随地球做匀速圆周运动的向心加速度为a、周期为T，由此可知地球的第一宇宙速度为（）A. B.C. D.C题组三

同步卫星题8

2015年12月29日，“高分四号”卫星升空。这是我国“高分”专项首颗高轨道、高分辨率的光学遥感卫星，也是世界上空间分辨率很高、幅宽很大的地球同步轨道遥感卫星。下列关于“高分四号”地球同步卫星的说法中正确的是（）A.该卫星定点在北京上空B.该卫星定点在赤道上空C.它的高度和速度是一定的，但周期可以是地球自转周期的整数倍D.它的周期和地球自转周期相同，但高度和速度可以选择，高度增大，速度减小【解析】A错，B对：“高分四号”地球同步卫星相对地面静止不动，所以必须定点在赤道上空。C、D错：因为地球同步卫星要和地球自转同步，即它们的周期T与角速度相同，根据=mω2r=，可知ω一定，则r一定，且v也是确定的。【答案】

B题9如图所示，我国自主研发的北斗卫星导航系统由多颗卫星组成，包括分布于a类型轨道的同步轨道卫星、分布于b类型轨道的倾斜轨道卫星（与同步卫星轨道半径相同，轨道倾角55°）和分布于c类型轨道的中轨道卫星，中轨道卫星在3个互成120°的轨道面上做圆周运动。下列说法正确的是（）

A.a类型轨道上的卫星相对于地面静止且处于平衡状态B.a类型轨道上的卫星运行速率等于b类型轨道上卫星的运行速率C.b类型轨道上的卫星也与地球保持相对静止D.三类卫星相比，c类型轨道上的卫星的向心加速度最小B题10［多选］已知地球赤道上的物体随地球自转的线速度大小为v1、向心加速度大小为a1，近地卫星的线速度大小为v2、向心加速度大小为a2，地球同步卫星的线速度大小为v3、向心加速度大小为a3。设近地卫星距地面的高度不计，同步卫星距地面的高度约为地球半径的6倍，则以下结论正确的是（）A.=

B.=

C.

D.CD题组四卫星变轨问题题11［多选］如图所示，若关闭动力的航天飞机在月球引力作用下向月球靠近，并将与空间站在B处对接，已知空间站绕月球做匀速圆周运动的轨道半径为r，周期为T，万有引力常量为G，下列说法中正确的是（）A.图中航天飞机正加速飞向B处B.航天飞机在B处由椭圆轨道进入空间站轨道时必须点火减速C.根据题中条件可以算出月球质量D.根据题中条件可以算出空间站受到月球引力的大小【解析】A对：航天飞机在飞向B处的过程中，受到的引力方向和飞行方向之间的夹角是锐角，使航天飞机加速。B对：由运动的可逆性知，航天飞机在B处要先减速才能由椭圆轨道进入空间站轨道。C对：设绕月球飞行的空间站质量为m，据=可以算出月球质量M。D错：空间站的质量未知，不能计算出空间站受到的月球引力大小。【答案】

ABC题12［多选］如图所示，某次发射同步卫星时，先进入一个近地的圆轨道，然后在P点经极短时间点火变速后进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P点，远地点为同步轨道上的Q点），到达远地点时再次经极短时间点火变速后，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在P点经极短时间变速后的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在Q点经极短时间变速后进入同步轨道后的速率为v4。下列关系正确的是（）

A.v1<v3 B.v4<v1 C.v3<v4 D.v4<v2BCD题13［多选］某人造地球卫星发射时，先进入椭圆轨道Ⅰ，在远地点A加速变轨进入圆轨道Ⅱ。已知轨道Ⅰ的近地点B到地心的距离近似等于地球半径R，远地点A到地心的距离为3R，则下列说法正确的是（）A.卫星在B点的加速度是在A点加速度的3倍B.在B点地球对卫星的万有引力是在A点地球对卫星万有引力的