《学霸笔记 同步精讲》第三章万有引力定律 4.人造卫星 宇宙速度5.太空探索(选学)（课件）高中物理教科版必修二

(共47张PPT)
4.人造卫星　宇宙速度
5.太空探索(选学)
第三章
2026
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
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。
3.正确理解人造卫星做圆周运动时,各物理量之间的关系。
1.了解人造卫星的有关知识,形成物理观念。
2.通过对宇宙速度的学习,培养科学探究精神。
3.通过理解卫星运行中的各物理量关系,培养科学思维能力。
自主预习 新知导学
一、人造卫星
1.卫星是一些 自然 的或 人工 的在太空中绕行星运动的物体。
2.1895年, 俄国 宇航先驱齐奥尔科夫斯基率先提出了制造并发射
人造地球卫星 的设想。
3.1957年10月4日苏联将 第一颗 人造卫星送入环绕地球的轨道。
4.人造卫星能够绕地球转动而不落回地面,是否是由于卫星不再受到地球引力的作用
提示：卫星仍然受到地球引力的作用,但地球引力全部用来提供向心力。
二、宇宙速度
1.三个宇宙速度比较。
比较项 数值 意义
第一宇 宙速度 7.9 km/s 卫星在地球表面附近绕地球做 匀速圆周 运动的速度
第二宇 宙速度 11.2 km/s 使卫星挣脱 地球 引力束缚的最小地面发射速度
第三宇 宙速度 16.7 km/s 使卫星挣脱 太阳 引力束缚的 最小 地面发射速度
2.我们要想往月球上发射一颗人造卫星,则发射速度必须要大于等于11.2 km/s吗
提示：不需要。11.2 km/s是使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度,而月球在地球引力的控制范围内。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)发射人造地球卫星需要足够大的速度。(　　)
(2)卫星绕地球运行不需要力的作用。(　　)
(3)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大。(　　)
(4)第一宇宙速度是能使卫星绕地球运行的最小发射速度。(　　)
(5)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10 km/s。(　　)
(6)第二宇宙速度是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度。(　　)
√　
√　
×　
×　
×　
×　
2.从出现人造卫星的设想到第一颗人造卫星发射成功经历了长达几百年的时间,主要原因是什么
提示：人造卫星需要的发射速度很大,至少要达到7.9 km/s,要想使物体获得这样大的速度是非常困难的。
3.目标飞行器在距地面355 km的轨道上做圆周运动,它的线速度比7.9 km/s大还是小
提示：第一宇宙速度7.9 km/s是卫星(包括飞船)在地面上空做圆周运动飞行时的最大速度,是卫星紧贴地球表面飞行时的速度。目标飞行器距离地面355 km,轨道半径大于地球半径,运行速度小于7.9 km/s。
合作探究 释疑解惑
知识点一
人造卫星
【问题引领】
地球上空分布着许多的卫星,其中有些卫星在地面上的人看来是运动的,有些卫星在地面上的人看来则始终静止不动,被称为静止轨道卫星,请思考:
这些静止轨道卫星是否就真的静止不动呢 为什么在地面上的人看来会静止不动
提示：这些静止轨道卫星都在绕地心做匀速圆周运动,地球的万有引力提供向心力。卫星相对于地面静止,因此卫星绕地球运动的周期一定等于地球自转的周期。
【归纳提升】
1.牛顿的设想
当物体的运动速度足够大时,它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面,成为一颗绕地球转动的人造地球卫星。
2.人造地球卫星原理
一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,向心力由地球对它的万有引力提供,
3.地球静止轨道卫星
(1) 地球静止轨道卫星概念:相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星,叫作地球静止轨道卫星。
(2) 地球静止轨道卫星特点:
①和地球自转方向一致;和地球自转周期相同,即T=24 h;线速度大小一定(3.1×103 m/s);离地面高度固定不变(3.6×104 km)。
②所有的静止轨道卫星都在赤道的正上方,其轨道平面必须与赤道平面重合。
画龙点睛 人造地球卫星轨道
(1)赤道轨道,卫星轨道在赤道所在平面上,卫星始终处于赤道上方;
(2)极地轨道,卫星轨道平面与赤道平面垂直,卫星经过两极上空;
(3)一般轨道,卫星轨道和赤道成一定角度。
【典型例题】
【例题1】 (多选)可以发射一颗这样的人造地球卫星,使其圆轨道(　　)
A.与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面同心圆
B.与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面同心圆
C.与地球表面上的赤道线是共面同心圆,且卫星相对地球表面是静止的
D.与地球表面上的赤道线是共面同心圆,且卫星相对地球表面是运动的
答案：CD
解析：万有引力完全用于提供人造地球卫星绕地球做圆周运动的向心力,故卫星做圆周运动的轨道的圆心必是地心,A错;B的情景,万有引力全部提供了卫星做圆周运动的向心力,使其轨道平面相对地心、两极固定下来,但由于地球不停地自转,轨道平面不会固定于某一经线决定的平面,B错;在赤道上的卫星除静止轨道卫星外,其他卫星都是相对地面运动的,C、D正确。
规律总结 (1)卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆轨道。
(2)卫星绕地球沿椭圆轨道运行时,地心是椭圆的一个焦点,其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。
(3)卫星绕地球沿圆轨道运行时,由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,而万有引力指向地心,所以地心必须是卫星圆轨道的圆心。
【变式训练1】 当人造地球卫星已进入预定轨道后,下列说法正确的是(　　)
A.卫星及卫星内的任何物体均不受重力作用
B.卫星及卫星内的任何物体仍受重力作用,并可用弹簧测力计直接称出物体所受重力的大小
C.如果卫星自然破裂成质量不相等的两块,则这两块仍按原来的轨道和周期运行
D.如果在卫星内将一个物体自由释放,则卫星内观察者将可以看到物体做自由落体运动
答案：C
解析：卫星在预定轨道上运行时,卫星及卫星内的物体仍然受到地球对它的引力作用,但处于失重状态 ,故A、B、D错误。若卫星自然破裂,任一部分受到地球的引力恰好提供该部分做圆周运动的向心力,它依旧按原来的轨道和周期运行,故C正确。
【问题引领】
知识点二
宇宙速度
发射卫星,要有足够大的速度才行,请思考:
(1)在不同高度的卫星中,哪个高度的卫星最容易发射
(2)不同星球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
提示：(1)轨道越低的卫星,越容易发射,所以近地卫星最容易发射。
(2)不同。根据 ,可见第一宇宙速度由星球的质量和半径决定。
【归纳提升】
一、第一宇宙速度
1.第一宇宙速度的定义
是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度,是人造地球卫星的最小发射速度,v=7.9 km/s。
2.第一宇宙速度的计算
设地球的质量为m0,卫星的质量为m,卫星到地心的距离为r,卫星做匀速圆周运动的线速度为v:
3.第一宇宙速度的推广
由第一宇宙速度的两种表达式可以看出,第一宇宙速度之值由中心星体决定,可以说任何一颗行星都有自己的第一宇宙速度,都应用
表示,式中G为引力常量,m0为中心星球的质量,g为中心星球表面的重力加速度,r为中心星球的半径。
二、第二、三宇宙速度
1.第二宇宙速度
在地面上发射飞行器,使之能够脱离地球的引力作用,成为绕太阳运动的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度,叫作第二宇宙速度,其大小为v=11.2 km/s。 当卫星的发射速度7.9 km/s2.第三宇宙速度
在地面附近发射一个物体,要使物体挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系外必须使它的速度等于或大于16.7 km/s,这个速度叫作第三宇宙速度。
画龙点睛 不同星球的第一宇宙速度不同; 也适用于计算其他星球的第一宇宙速度。
【典型例题】
【例题2】 已知地球的半径为R,地球表面的重力加速度为g,不考虑地球自转的影响。
(1)推导第一宇宙速度v1的表达式;
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动,运行轨道距离地面的高度为h,求卫星的运行周期T。
方法归纳 第一宇宙速度是在天体表面发射卫星的最小发射速度,也是卫星近“地”最大绕行速度,不同天体的第一宇宙速度一般不同。求解第一宇
宙速度常用 。在G未知时除非估算类问题,一般不能把G作为已知量,而通常用黄金代换或比较法消去G求解。
【变式训练2】 理论研究表明地球上的物体速度达到第二宇宙速度11.2 km/s 时,物体就能脱离地球引力束缚,又知第二宇宙速度是第一宇宙速度的倍。现有某探测器完成了对某未知星球的探测任务,停在该星球表面,通过探测到的数据得到该星球的有关参量:(1)其密度基本与地球密度一致;(2)其半径约为地球半径的2倍。若不考虑该星球自转的影响,欲使探测器脱离该星球引力束缚,则探测器从该星球表面起飞的速度至少为(　　)
A.7.9 km/s B.11.2 km/s C.15.8 km/s D.22.4 km/s
答案：D
【问题引领】
知识点三
卫星变轨问题
提示：较低轨道上运动的飞船通过合理地加速,做离心运动而追上目标船与其完成对接。
飞船对接问题:两飞船实现对接前处于高低不同的两轨道上,目标飞船处于较高轨道,与在较低轨道上运动的飞船对接。怎样做才能成功对接
【归纳提升】
画龙点睛 飞船发动机点火加速,则飞船轨道变高;飞船发动机点火减速,则飞船轨道变低。
【典型例题】
【例题3】 如图所示,一颗人造卫星原来在椭圆轨道1绕地球E运行,在P点变轨后进入轨道2做匀速圆周运动。下列说法正确的是(　　)
A.不论在轨道1还是在轨道2运行,卫星在P点的速度都相同
B.不论在轨道1还是在轨道2运行,卫星在P点的加速度都相同
C.卫星在轨道1的任何位置都具有相同加速度
D.卫星在轨道2的任何位置都具有相同的速度
答案：B
解析：卫星在轨道1运行到P点时需要加速才能进入轨道2运行,因此卫星在两轨道的P点时速度不同,但所受力相同,加速度相同;卫星在轨道1运行时在不同位置所受万有引力大小、方向均不同,则加速度也不同;卫星在轨道2做匀速圆周运动,在不同位置速度方向不同,只有选项B正确。
科学思维 判断卫星变轨时速度、加速度变化情况的思路
(1)判断卫星在不同圆轨道的运行速度大小时,可根据“越远越慢”的规律判断。
(2)判断卫星在同一椭圆轨道上不同点的速度大小时,可根据开普勒行星运动第二定律判断,即离中心天体越远,速度越小。
(3)判断卫星由圆轨道进入椭圆轨道或由椭圆轨道进入圆轨道时的速度大小如何变化时,可根据离心运动或近心运动的条件进行分析。
解析：由 知,飞船加速后,做离心运动,r增大,T增大,a减小,故A、C、D错误,B正确。
【变式训练3】 宇宙飞船正在轨道上运行,如果地面指挥人员发现某一火箭残体的轨道与飞船轨道有一交点,他就会通知航天员,飞船有可能与火箭残体相遇。在这种情况下,航天员要开动飞船上的发动机使飞船加速,脱离原轨道,并最终在新轨道上稳定运行。关于飞船在此过程中的运动,下列说法正确的是(　　)
A.飞船的高度降低 B.飞船的高度升高
C.飞船的周期变小 D.飞船的向心加速度变大
答案:B
课堂小结
随堂练习
1.(人造地球卫星向心力、周期、角速度与半径关系)把人造地球卫星的运动近似看作匀速圆周运动,则离地球越近的卫星(　　)
A.质量越大 B.万有引力越大
C.周期越大 D.角速度越大
答案：D
解析：由万有引力提供向心力得 ,可知离地面越近,周期越小,角速度越大,且运动快慢与质量无关,所以卫星离地球的远近决定运动的快慢,与质量无关,故A、C错误,D正确;由于卫星质量m不确定,故无法比较万有引力大小,故B错误。
2.(人造地球卫星的环绕速度)下列关于绕地球运行的卫星的运动速度的说法正确的是(　　)
A.一定等于7.9 km/s
B.一定小于7.9 km/s
C.大于或等于7.9 km/s,而小于11.2 km/s
D.只需大于7.9 km/s
答案：B
解析：卫星在绕地球运行时,万有引力提供向心力,由此可得v= ,所以轨道半径r越大,卫星的环绕速度越小,实际的卫星轨道半径大于地球半径R,所以环绕速度一定小于第一宇宙速度,即v<7.9 km/s,而C选项是发射人造地球卫星的速度范围。
3.(人造地球卫星的应用)2023年12月9日“朱雀二号”运载火箭顺利将“鸿鹄卫星”等三颗卫星送入距离地面约500 km的轨道。地球质量取6.01024 kg,地球半径6.4103 km,引力常量6.6710-11 N·m2/kg2。下列说法正确的是(　　)
A.火箭的推力是空气施加的
B.卫星的向心加速度大小约为8.4 m/s2
C.卫星运行的周期约为12 h
D.发射升空初始阶段,装在火箭上部的卫星处于失重状态
答案:B
BD
4.(卫星变轨问题)(多选)如图所示,利用霍曼转移轨道可以将航天器从地球发送到火星。若地球和火星绕太阳公转的轨道都是圆形,则霍曼转移轨道就是一个近日点和远日点分别与这两个行星轨道相切的椭圆轨道。当航天器到达地球轨道的P点时,瞬时点火后航天器进入霍曼转移轨道,当航天器运动到火星轨道的Q点时,再次瞬时点火后航天器进入火星轨道。已知火星绕太阳公转的轨道半径是地球绕太阳公转轨道半径的k倍,下列说法中正确的是(　　)
A.航天器在霍曼转移轨道上经过Q点时,点火减速
可进入火星轨道
B.航天器在地球轨道上的加速度大于在火星轨道
上的加速度
C.航天器在地球轨道上运行的线速度小于在火星轨道上运行的线速度
D.若航天器在霍曼转移轨道上运行一周,其时间为(k+1年
解析:当航天器运动到Q点时,由霍曼转移轨道进入火星轨道,是由低轨道进入高轨道,需要做离心运动,在Q点时点火加速,A错误。根据G=ma,解得a=,因为地球轨道的轨道半径小于火星轨道的半径,所以航天器在地球轨道上的加速度大于在火星轨道上的加速度,B正确。根据G=m,解得v=,因为地球轨道的轨道半径小于火星轨道的半径,航天器在地球轨道上运行的线速度大于在火星轨道上运行的线速度,C错误。根据,因为r霍=,T地=1年,解得T霍=年,D正确。