(共40张PPT)
4．人造卫星宇宙速度
5．太空探索(选学)
课 标 要 求
1.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度．
2．了解人造卫星的相关知识，知道地球同步卫星的特点，通过对比“同步卫星、近地卫星、地球赤道上物体”的运动规律，提高推理分析能力．
3．了解我国卫星发射情况，增强民族自信，体会人类探索宇宙的成就和科学精神．
思 维 导 图
足够大
人造卫星
7.9
(3)宇宙速度及其意义
数值 意义
第一宇宙速度 ________ km/s 卫星在地球表面附近绕地球做____________的速度
第二宇宙速度 ________ km/s 使卫星挣脱________引力束缚的最小地面发射速度
第三宇宙速度 ________ km/s 使卫星挣脱________引力束缚的最小地面发射速度
7.9
匀速圆周运动
11.2
地球
16.7
太阳
[导学1]
(1)三个宇宙速度均指卫星的发射速度，而不是轨道上的运行速度．
(2)人造地球卫星的发射速度与运行速度的大小关系：v运行≤7.9k m/s≤v发射<11.2k m/s.
(3)第一宇宙速度是指在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，是最大的环绕速度，也是最小的发射速度．
二、人造地球卫星
1．动力学特点
一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其向心力由地球对它的________提供．
2．地球同步卫星
相对于地面静止，且运动周期与地球________相同的卫星，也称静止轨道卫星．地球同步卫星具有以下特点：
(1)轨道平面一定：所有的地球同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必与________重合；
(2)绕行方向一定：和地球自转方向一致；
(3)周期一定：和地球自转周期相同，即T＝24 h；
(4)高度一定：位于赤道上方高度约3.6×104 km处，距地面高度固定不变．
万有引力
自转周期
赤道平面
[导学2]
卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极上空的极地轨道．当然也存在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道．
探究点一 第一宇宙速度的理解
导学探究
如图，把物体水平抛出，如果速度足够大，物体就不再落回到地面，它将绕地球做圆周运动，成为地球的人造卫星．
(1)什么力使物体绕地球运动？
(2)至少需要多大的抛出速度才能成为地球的卫星呢？
提示：地球对物体的万有引力使物体绕地球运动，成为地球的卫星．
提示：至少需要7.9 km/s的抛出速度才能使物体成为地球的卫星．
归纳总结
1.第一宇宙速度的推导
对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径R＝6 400 km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，取g＝9.8 m/s2，则
答案：A
素养训练1 (多选)神舟十三号载人飞船于2021年10月16日发射升空，于2022年4月14日安全返回，共在轨运行183天，运行轨道可看做圆．它的飞行高度距地面约400 km.已知地球半径是6 400 km.又已知第一宇宙速度为7.9 km/s，第二宇宙速度为11.2 km/s，地球表面重力加速度为9.8 m/s2则关于神舟十三号的运行数据，合理的判断有( )
A．运行速度小于7.9 km/s
B．运行速度大于 7.9 km/s，且小于11.2 km/s
C．向心加速度小于9.8 m/s2
D．向心加速度大于9.8 m/s2
答案：AC
答案：B
探究点二 人造卫星的运行分析
导学探究
如图甲所示为不同轨道上的人造地球卫星，如图乙所示为我国的“天宫二号”空间实验室；“天宫二号”的轨道高度大约是393 km，而地球同步卫星的轨道高度大约是3.6×104 km.思考以下问题：
(1)所有做圆周运动的人造卫星的轨道圆心位置有什么特点？
(2)“天宫二号”和同步卫星的周期相比较哪个更大？
(3)“天宫二号”和同步卫星的线速度、角速度、加速度哪个更大？
提示：所有做圆周运动的人造卫星的轨道圆心都位于地心．
提示：同步卫星的周期更大．
提示：“天宫二号”的线速度、角速度、加速度更大．
归纳总结
1．人造地球卫星的轨道
由于卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供，故卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，其运行轨道可分为如下三类(如图所示)：
(1)赤道轨道：卫星的轨道与赤道共面，卫星始终处于赤道正上方．
(2)极地轨道：卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上空．
(3)任意轨道：卫星的轨道与赤道平面成某一角度．
3．地球同步卫星
(1)地球同步卫星：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．
(2)地球同步卫星的特点
项目 内容
周期一定 与地球自转周期相同，
即T＝24 h＝86 400 s
角速度一定 与地球自转的角速度相同
高度一定 卫星离地面高度h＝r－R≈6R(为恒量)
速度大小一定
向心加速度大小一定 a＝0.23 m/s2
轨道平面一定 轨道平面与赤道平面共面
典例示范
例2 (多选)如图所示，a为地球赤道上的物体，随地球表面一起转动，b为近地轨道卫星，c为同步轨道卫星，d为高空探测卫星．若a、b、c、d绕地球转动方向相同，且均可视为匀速圆周运动，则4个物体中( )
A．a的加速度最大 B．b的线速度最大
C．c的角速度最大 D．d的周期大于24小时
答案：BD
素养训练3 对同步卫星的认识正确的是( )
A．它可以在地面上任一点的正上方，且离地心的距离可按需要选择不同值
B．它可以在地面上任一点的正上方，但离地心的距离是一定的
C．它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的，周期24 h
D．它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要选择不同值
答案：C
答案：D
1．有关同步卫星，下列表述正确的是( )
A．运动周期与地球自转周期相同的卫星肯定是同步卫星
B．同步卫星的发射速度小于第一宇宙速度
C．围绕地球运动的所有同步卫星距地面的高度都必须相同
D．可以在北京上空发射一颗同步卫星，用以安全监控
答案：C
答案：D
3．2022年6月5日10时44分，搭载神舟十四号载人飞船的长征二号F遥十四运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，于17时42分，成功对接于天和核心舱．已知地球半径约6 400 km，中国空间站距地面约400 km，同步卫星轨道距地面的高度约为36 000 km.则以下有关说法正确的是( )
A．空间站中的宇航员不受地球引力
B．空间站运行的线速度大于地球第一宇宙速度
C．地球赤道上物体的向心加速度小于同步卫星的向心加速度
D．空间站的向心加速度小于同步卫星的向心加速度
答案：C
4．“高分四号”卫星是我国首颗地球同步轨道高分辨率光学成像卫星，关于“高分四号”，下列说法正确的是( )
A．“高分四号”卫星距地球如果更近一些，分辨率更高，且仍能保持与地球自转同步
B．“高分四号”卫星绕地球做圆周运动的线速度小于地球的第一宇宙速度7.9 km/s
C．“高分四号”卫星的向心加速度小于静止在赤道上物体的向心加速度
D．“高分四号”卫星所受到的向心力与其他同步卫星所受到的向心力大小相等
答案：B
5.地球绕地轴自转周期为T，B为赤道上某处，A为地球上北纬60°的某处，地球球体半径为R，质量为M，万有引力常量为G，以下判断正确的是( )
答案：B4.人造卫星 宇宙速度
5．太空探索(选学)
课 标 要 求
1.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度．
2．了解人造卫星的相关知识，知道地球同步卫星的特点，通过对比“同步卫星、近地卫星、地球赤道上物体”的运动规律，提高推理分析能力．
3．了解我国卫星发射情况，增强民族自信，体会人类探索宇宙的成就和科学精神．
思 维 导 图
必备知识·自主学习——突出基础性 素养夯基
一、宇宙速度
(1)牛顿设想：如图所示，把物体从高山上水平抛出，如果抛出速度________，物体就不再落回地面，成为________．
(2)近地卫星的速度：由G＝m，得v＝______．用地球半径R代替卫星到地心的距离 r，可求得v＝________ km/s.
(3)宇宙速度及其意义
数值 意义
第一宇宙速度 ________ km/s 卫星在地球表面附近绕地球做____________的速度
第二宇宙速度 ________ km/s 使卫星挣脱________引力束缚的最小地面发射速度
第三宇宙速度 ________ km/s 使卫星挣脱________引力束缚的最小地面发射速度
[导学1]
(1)三个宇宙速度均指卫星的发射速度，而不是轨道上的运行速度．
(2)人造地球卫星的发射速度与运行速度的大小关系：v运行≤7.9k m/s≤v发射<11.2k m/s.
(3)第一宇宙速度是指在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，是最大的环绕速度，也是最小的发射速度．
二、人造地球卫星
1．动力学特点
一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其向心力由地球对它的________提供．
2．地球同步卫星
相对于地面静止，且运动周期与地球________相同的卫星，也称静止轨道卫星．地球同步卫星具有以下特点：
(1)轨道平面一定：所有的地球同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必与________重合；
(2)绕行方向一定：和地球自转方向一致；
(3)周期一定：和地球自转周期相同，即T＝24 h；
(4)高度一定：位于赤道上方高度约3.6×104 km处，距地面高度固定不变．
[导学2]
卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极上空的极地轨道．当然也存在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道．
关键能力·合作探究——突出综合性 素养形成
探究点一 第一宇宙速度的理解
导学探究
如图，把物体水平抛出，如果速度足够大，物体就不再落回到地面，它将绕地球做圆周运动，成为地球的人造卫星．
(1)什么力使物体绕地球运动？
(2)至少需要多大的抛出速度才能成为地球的卫星呢？
归纳总结
1.第一宇宙速度的推导
对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径R＝6 400 km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，取g＝9.8 m/s2，则
2．决定因素
由第一宇宙速度的计算式v＝可以看出，第一宇宙速度的值由中心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量M和半径R，与卫星无关．
3．最小发射速度
“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，因为发射卫星要克服地球对它的引力．近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度．
4．最大环绕速度
“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由G＝m可得v＝，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度．
典例示范
例1 天文兴趣小组查找资料得知：某天体的质量为地球质量的a倍，其半径为地球半径的b倍，表面无大气层，地球的第一宇宙速度为v.则该天体的第一宇宙速度为( )
A．v B．v C．v D．v
素养训练1 (多选)神舟十三号载人飞船于2021年10月16日发射升空，于2022年4月14日安全返回，共在轨运行183天，运行轨道可看做圆．它的飞行高度距地面约400 km.已知地球半径是6 400 km.又已知第一宇宙速度为7.9 km/s，第二宇宙速度为11.2 km/s，地球表面重力加速度为9.8 m/s2则关于神舟十三号的运行数据，合理的判断有( )
A．运行速度小于7.9 km/s
B．运行速度大于 7.9 km/s，且小于11.2 km/s
C．向心加速度小于9.8 m/s2
D．向心加速度大于9.8 m/s2
素养训练2 使物体脱离星球的引力束缚，不再绕星球运行，从星球表面发射所需的最小速度称为第二宇宙速度，星球的第二宇宙速度v2与第一宇宙速度v1的关系是v2＝v1.已知某星球的半径为r，它表面的重力加速度为地球表面重力加速度g的.不计其他星球的影响，则该星球的第二宇宙速度为( )
A． B． C． D．
探究点二 人造卫星的运行分析
导学探究
如图甲所示为不同轨道上的人造地球卫星，如图乙所示为我国的“天宫二号”空间实验室；“天宫二号”的轨道高度大约是393 km，而地球同步卫星的轨道高度大约是3.6×104 km.思考以下问题：
(1)所有做圆周运动的人造卫星的轨道圆心位置有什么特点？
(2)“天宫二号”和同步卫星的周期相比较哪个更大？
(3)“天宫二号”和同步卫星的线速度、角速度、加速度哪个更大？
归纳总结
1．人造地球卫星的轨道
由于卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供，故卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，其运行轨道可分为如下三类(如图所示)：
(1)赤道轨道：卫星的轨道与赤道共面，卫星始终处于赤道正上方．
(2)极地轨道：卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上空．
(3)任意轨道：卫星的轨道与赤道平面成某一角度．
2．人造地球卫星的运行参量分析
由G＝m＝mrω2＝mr＝ma可推导出：
当r增大时
3．地球同步卫星
(1)地球同步卫星：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．
(2)地球同步卫星的特点
项目 内容
周期一定 与地球自转周期相同， 即T＝24 h＝86 400 s
角速度一定 与地球自转的角速度相同
高度一定 卫星离地面高度h＝r－R≈6R(为恒量)
速度大小一定 v＝＝3 km/s(为恒量)
向心加速度大小一定 a＝0.23 m/s2
轨道平面一定 轨道平面与赤道平面共面
典例示范
例2 (多选)如图所示，a为地球赤道上的物体，随地球表面一起转动，b为近地轨道卫星，c为同步轨道卫星，d为高空探测卫星．若a、b、c、d绕地球转动方向相同，且均可视为匀速圆周运动，则4个物体中( )
A．a的加速度最大 B．b的线速度最大
C．c的角速度最大 D．d的周期大于24小时
素养训练3 对同步卫星的认识正确的是( )
A．它可以在地面上任一点的正上方，且离地心的距离可按需要选择不同值
B．它可以在地面上任一点的正上方，但离地心的距离是一定的
C．它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的，周期24 h
D．它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要选择不同值
素养训练4
假设量子卫星轨道在赤道平面，如图所示．已知量子卫星的轨道半径是地球半径的m倍，轨道也在赤道平面的同步卫星的轨道半径是
地球半径的n倍，图中P点是地球赤道上一点，由此可知( )
A．同步卫星与量子卫星的运行周期之比为
B．同步卫星与P点的速度之比为
C．量子卫星与同步卫星的速度之比为
D．量子卫星与P点的速度之比为
随堂演练·自主检测——突出创新性 素养达标
1．有关同步卫星，下列表述正确的是( )
A．运动周期与地球自转周期相同的卫星肯定是同步卫星
B．同步卫星的发射速度小于第一宇宙速度
C．围绕地球运动的所有同步卫星距地面的高度都必须相同
D．可以在北京上空发射一颗同步卫星，用以安全监控
2．火星直径约为地球的一半，质量约为地球的十分之一，它绕太阳公转的轨道半径约为地球公转半径的1.5倍．根据以上数据，以下说法正确的是( )
A．火星与地球表面的重力加速度之比约为1∶10
B．火星与地球的公转周期之比约为2∶3
C．火星与地球的第一宇宙速度之比约为2∶
D．火星与地球受到太阳的引力之比约为2∶45
3．2022年6月5日10时44分，搭载神舟十四号载人飞船的长征二号F遥十四运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，于17时42分，成功对接于天和核心舱．已知地球半径约6 400 km，中国空间站距地面约400 km，同步卫星轨道距地面的高度约为36 000 km.则以下有关说法正确的是( )
A．空间站中的宇航员不受地球引力
B．空间站运行的线速度大于地球第一宇宙速度
C．地球赤道上物体的向心加速度小于同步卫星的向心加速度
D．空间站的向心加速度小于同步卫星的向心加速度
4．“高分四号”卫星是我国首颗地球同步轨道高分辨率光学成像卫星，关于“高分四号”，下列说法正确的是( )
A．“高分四号”卫星距地球如果更近一些，分辨率更高，且仍能保持与地球自转同步
B．“高分四号”卫星绕地球做圆周运动的线速度小于地球的第一宇宙速度7.9 km/s
C．“高分四号”卫星的向心加速度小于静止在赤道上物体的向心加速度
D．“高分四号”卫星所受到的向心力与其他同步卫星所受到的向心力大小相等
5.地球绕地轴自转周期为T，B为赤道上某处，A为地球上北纬60°的某处，地球球体半径为R，质量为M，万有引力常量为G，以下判断正确的是( )
A．B处重力加速度大于A处重力加速度
B．地球同步卫星的轨道半径为
C．经过A处和经过B处的两颗轨道半径相同的近地卫星线速度大小不同
D．A处相对地面静止的物体随地球自转的向心加速度大小为
4．人造卫星 宇宙速度
5．太空探索(选学)
必备知识·自主学习
一、
(1)足够大 人造卫星 (2) 7.9
(3)7.9 匀速圆周运动 11.2 地球 16.7 太阳
二、
1．万有引力
2．自转周期 (1)赤道平面
关键能力·合作探究
探究点一
【导学探究】
提示：
(1)地球对物体的万有引力使物体绕地球运动，成为地球的卫星．
(2)至少需要7.9 km/s的抛出速度才能使物体成为地球的卫星．
【典例示范】
例1 解析：设地球质量为M，半径为r，某天体的质量是地球质量的a倍，其半径是地球半径的b倍，卫星沿地球表面做匀速圆周运动的速度为v，则由万有引力提供向心力得：G＝m，解得地球的第一宇宙速度v＝ ，同理得该天体的第一宇宙速度v天体＝＝v ，A正确．
答案：A
素养训练1 解析：根据题意可知，第一宇宙速度为围绕地球做圆周运动的最大速度，则神舟十三号的运行速度小于7. 9 km/s，B错误，A正确；根据万有引力提供向心力有＝ma，由万有引力等于重力有＝mg，由于轨道半径大于地球半径，则神舟十三号的向心加速度小于m/s2，D错误，C正确．
答案：AC
素养训练2 解析：由G＝m，G＝，联立解得星球的第一宇宙速度v1＝，星球的第二宇宙速度v2＝v1＝·＝，B正确．
答案：B
探究点二
【导学探究】
提示：
(1)所有做圆周运动的人造卫星的轨道圆心都位于地心．
(2)同步卫星的周期更大．
(3)“天宫二号”的线速度、角速度、加速度更大．
【典例示范】
例2 解析：地球上的物体与同步卫星周期相同，由圆周运动向心加速度公式a＝ω2r知c的加速度大于a的加速度，对于b、c、d，由万有引力提供向心力有＝ma，即a＝，卫星轨道半径小的加速度大，即b的加速度最大，A错误；由圆周运动线速度与角速度关系式v＝ωr得c的速度大于a的速度，对于b、c、d，由＝得卫星运行速度为v＝ ，卫星轨道半径越小，速度越大，即b的线速度最大，B正确；对于b、c、d，由万有引力提供向心力有＝mω2r得角速度为ω＝，对于b、c、d，卫星轨道半径越小，角速度越大，又由于a、c角速度相同，所以b的角速度最大，C错误；由开普勒第三定律＝k，对于b、c、d，随着半径增加，卫星运行周期增加，c为同步轨道卫星，周期为24小时，d的周期大于24小时，D正确．
答案：BD
素养训练3 解析：同步卫星相对于地球静止，则同步卫星的环绕周期与地球自转周期相同，为24 h；根据G＝mr()2得T＝ 可知，T一定，则同步卫星的轨道半径r一定，即离地心的距离是一定的，离地面的高度是一定的，且同步卫星只能位于在赤道的正上方，故选C.
答案：C
素养训练4 解析：由开普勒第三定律＝可知＝，所以同步卫星与量子卫星的运行周期之比为 ，A错误；由于同步卫星的周期与地球自转周期相同，由v＝ωr＝r可得同步卫星与P点的速度之比为v同∶vP＝n∶1，B错误；由G＝m解得v＝ ，所以量子卫星与同步卫星的速度之比为＝＝ ，C错误；量子卫星与P点的速度之比为＝·＝ ，D正确．
答案：D
随堂演练·自主检测
1．解析：同步卫星是指与地球相对静止的卫星，这种卫星绕地球转动的角速度与地球自转的角速度相同，而且轨道平面只能与赤道平面重合，其他轨道上周期是24小时的卫星却不是同步卫星，北京不在赤道上，故同步卫星不能定点在北京上空，A、D错误；第一宇宙速度是所有卫星的最小发射速度，同步卫星的发射速度大于第一宇宙速度，B错误；根据万有引力提供向心力＝m(R＋h)可得h＝－R，其中M为地球质量，T为地球自转周期，R是地球半径，因此所有地球同步卫星距地面的高度都是相同的，故C正确．
答案：C
2．解析：在星球表面有mg＝G，所以有＝＝＝，A错误；根据开普勒第三定律得＝＝，B错误；在星球表面有G＝m，所以有＝＝，C错误；根据万有引力公式得＝＝，D正确．
答案：D
3．解析：空间站中的宇航员受地球的引力，A错误；第一宇宙速度是环绕地球表面运行卫星的运动速度，是最大的环绕速度，空间站线速度小于地球第一宇宙速度，B错误；赤道上物体与同步卫星角速度相同，由a＝ω2r可知地球赤道上物体的向心加速度小于同步卫星的向心加速度，C正确；根据G＝ma，空间站的向心加速度大于同步卫星的向心加速度，故D错误．
答案：C
4．解析：所有同步卫星都具有相同的周期、相同的离地高度和相同的速率，“高分四号”卫星距地球更近一些，不能保持与地球自转同步，A错误；根据万有引力提供向心力G＝有v＝ ，第一宇宙速度对应的轨道半径为地球的半径，“高分四号”卫星的轨道半径比地球半径大，所以其绕地球做圆周运动的线速度小于第一宇宙速度7.9 km/s，B正确；根据向心加速度a＝，“高分四号”卫星与静止在赤道上的物体具有相同的周期，所以“高分四号”卫星的向心加速度大于静止在赤道上物体的向心加速度，C错误；由于“高分四号”卫星与其他同步卫星的质量有可能不同，地球对它们的引力(充当向心力)大小也可能不同，向心力大小不能判断，故D错误．
答案：B
5．解析：由题意可知，万有引力提供向心力，则＝ma，a＝，半径不变，重力加速度不变，故A错误；由＝mR，R＝，故B正确；由题意可知＝m，v＝ ，经过A处和经过B处的两颗轨道半径相同的近地卫星线速度大小相等，C错误；由题意可得，相对地面静止的物体随地球自转，则有＝m＝mR＝ma1，解得a1＝R，D错误．
答案：B
