高中物理【宇宙航行】教学课件

4．“最小发射速度”与“最大环绕速度” (1)“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人造卫星的最小发 射速度。 (2)“最大环绕速度”：由 GMr2m＝mvr2可得 v＝ GrM，轨道半径越小，线 速度越大。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，线速度最大，所以近地人造卫星的线速度(即第一宇宙速度)是最大环绕速度。 因此，第一宇宙速度既是人造卫星的最小发射速度，又是人造卫星做匀速 圆周运动的最大环绕速度。
①1961年4月12日，苏联航天员加加林进入东方一号载人飞船，完成人类首 次进入太空的旅行。 ②1969年7月，美国阿波罗11号登上月球。
③2003年10月，我国的神舟五号发射升空，圆了中国人的飞天梦想。 ④2013年6月，我国的神舟十号分别完成与天宫一号空间实验室的手动和 自动交会对接。 ⑤2016年10月，我国的_神__舟__十__一__号___完成与__天__宫__二__号__空间实验室的自动 交会对接。 ⑥2017年4月，我国的__天__舟__一__号___成功发射并与天宫二号自动交会对接。 ⑦2019年1月3日，我国的嫦娥四号探测器成功完成世界首次在月球背面软 着陆。并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图， 揭开了古老月背的神秘面纱。
18×1×3.17，
解得 v 月≈1.7 km/s。
答案：1.7 km/s
主题探究二 人造地球卫星的运行分析
[问题驱动] 如图 7.4-4 甲所示为不同轨道上的人造地球卫星，如图 7.4-4 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：
运动时，其环绕速度约为
()
A．16 m/s
B．1.1×102 m/s
C．1.6×103 m/s
D．1.4×104 m/s
解析： 根据万有引力提供向心力Gmr22m＝mvr2， 可知 v＝ Grm2＝ 6.671×70100＋－112×007.×3×1013022m/s≈1.6×103 m/s，故 C 正确。 答案：C
【重难释解】
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
7.4-5 所示)：
图 7.4-5
(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。
度之比gg地火＝MM火地RR地火22＝25，火星表面的重力加速度小于地球表面的重力加速度，
故 D 错误。
答案：A
2．(2021·浙江 1 月选考)嫦娥五号探测器是我国首个实施月面采样返回的航天
器，由轨道器、返回器、着陆器和上升器等多个部分组成。为等待月面采
集的样品，轨道器与返回器的组合体环月做圆周运动。已知引力常量 G＝ 6.67×10－11 N·m2/kg2，地球质量 m1 约为 6.0×1024 kg，月球质量 m2 约为 7.3×1022 kg，月地距离 r1 约为 3.8×105 km，月球半径 r2 约为 1.7×103 km。 当轨道器与返回器的组合体在月球表面上方约 200 km 处做环月匀速圆周
⑧2020年5月8日，我国新一代载人飞船试验船返回舱在预定区域成功着陆， 试验取得圆满成功。
2．判断 (1)地球同步卫星一定位于赤道的正上方。 (2)地球同步卫星与地球自转的周期相同。 (3)人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由火箭推力提供。 (4)卫星绕地球运动的轨道半径越大，运行速度越大。 3．选一选
主题探究一 宇宙速度的理解
[问题驱动] 如图 7.4-3 所示是卫星发射和三个宇宙速度的示意图，思考以下问题：
图 7.4-3 (1)第一宇宙速度有什么意义？
(2)第二、第三宇宙速度有什么意义？ 提示：(1)第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，是人造卫星绕地 球做匀速圆周运动的最大速度。 (2)第二宇宙速度是卫星能够克服地球引力，永远离开地球的最小发射 速度；第三宇宙速度是物体能够挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最 小发射速度。
(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 GMr2m＝mvr2＝mrω2＝m4Tπ22r＝man 可推导出：
v＝
GM r
ω＝
GM r3
T＝
4π2r3 GM
an＝GMr2
v减小 ⇒当 r 增大时ωT增减大小
an减小
典例 2 (多选)“静止”在赤道上空的地球同步气象卫星把气象数据发回地 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
宇宙航行
(1)知道三个宇宙速度的含义。
物理观念 (2)知道同步卫星和其他卫星的区别。
(3)了解发射速度与环绕速度的区别和联系。
(1)会推导第一宇宙速度。
核 科学思维 (2)会分析人造地球卫星的受力和运动情况，并能解决涉及人造
心
素
地球卫星运动的问题。
养 科学态度 了解宇宙航行的历程和进展，感受人类对客观世界不断探究的
2．判断
(1)在地面上发射人造卫星的最小速度是 7.9 km/s。
(√ )
(2)如果在地面发射卫星的速度大于 11.2 km/s，那么卫星会永远离开地球。( √ )
(3)要发射一颗人造月球卫星，在地面的发射速度应大于 16.7 km/s。
(×)
3．选一选
如图 7.4-2 所示，图中 v1、v2 和 v3 分别为第一、第二和第三宇宙 速度，三个飞行器 A、B、C 分别以第一、第二和第三宇宙速度从
D． gR
[解析] 根据第一宇宙速度的表达式 v＝ gR，可得该星球的第一宇宙速度
为 v1＝ 14g·12R＝12 g2R，则该星球的第二宇宙速度为 v2＝ 2v1＝12 gR，
故 A 正确。
[答案] A
发射速度与人造地球卫星的轨道关系 (1)当 7.9 km/s≤v 发<11.2 km/s 时，卫星绕地球做椭圆运动。 (2)当 11.2 km/s≤v 发<16.7 km/s 时，卫星绕太阳旋转，成为太阳系一颗“小 行星”。 (3)当 v 发≥16.7 km/s 时，卫星脱离太阳的引力束缚跑到太阳系以外的空 间中去。
动的速度为该天体的第一宇宙速度，由GRM2m＝mvR2，可得 v＝ GRM，则火星
的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度之比v火＝ v地
M火R地＝ M地R火
15，火星的第
一宇宙速度小于地球的第一宇宙速度，故 C 错误；当物体在天体表面时，近似
有GRM2m＝mg，可得 g＝GRM2 ，则火星表面的重力加速度与地球表面的重力加速
典例 1 物体脱离星球引力所需要的最小速度称为第二宇宙速度，第二宇
宙速度 v2 与第一宇宙速度 v1 的关系是 v2＝ 2v1。已知某星球半径是地球半径
R 的12，其表面的重力加速度是地球表面重力加速度 g 的14，不计其他星球的影
响，则该星球的第二宇宙速度为
()
A．12 gR
B．13 gR
C．16 gR
(2)意义：①第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度。 ②第一宇宙速度也是人造卫星做匀速圆周运动的最大环绕速度，对应的运
行周期是人造卫星的最小周期 Tmin＝2π Rg＝5 075 s≈85 min。
[特别提醒] 第一宇宙速度公式 v1＝
GRM＝ gR 同样适用于其他天体，具有普适性。
2．第二宇宙速度 (1)大小：v2＝11.2 km/s。 (2)意义：在地面附近发射飞行器，使之能够挣脱地球引力的束缚，永远离 开地球，飞到太阳系成为“人造小行星”所需的最小发射速度。 (3)第二宇宙速度与第一宇宙速度的关系：v2＝ 2v1。 3．第三宇宙速度 (1)大小：v3＝16.7 km/s。 (2)意义：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。
图 7.4-4
(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：(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。
点 击
与责任 精神和情感。
一、宇宙速度
1．填一填
(1)牛顿设想：如图 7.4-1 所示，把物体从高山上水平抛出，抛出
的速度_足__够__大__时，物体就不会落回地面，成为_人__造__地__球___卫__星_。
(2)近地卫星的速度：由 Gmrm2 地＝mvr2，得 v＝
Gmr 地。用地球
半径 R 代替卫星到地心的距离 r，可求得 v＝__7_._9_ km/s。
3．地球上发射一颗近地卫星需 7.9 km/s 的速度，在月球上发射的近月卫星需
要多大速度？(已知地球和月球质量之比 M 地∶M 月＝81∶1，半径之比 R 地∶
R 月＝3.7∶1)
解析：设卫星在星球表面的环绕速度为 v，
则由 GMRm2 ＝mvR2得 v＝ GRM，
所以v月＝ v地
M月R地＝ M地R月
(多选)下面关于同步卫星的说法中正确的是 A．所有地球同步卫星都位于地球的赤道平面内 B．所有地球同步卫星的质量都相等 C．同步卫星运行的线速度一定小于第一宇宙速度 D．同步卫星可以定位在北京的正上空
(√ ) (√ ) (× ) (× )
()
解析：同步卫星运行轨道只能位于地球赤道平面内，故 A 正确，D 错误。根 据 GMr2m＝mvr2可以知道，卫星的质量 m 在等式两边约去了，同步卫星的质 量可以不相等，故 B 错误。第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度，也是最大 的圆周运动的环绕速度，而同步卫星的轨道半径大于近地卫星的轨道半径， 则同步卫星运行的线速度一定小于第一宇宙速度，故 C 正确。 答案：AC
【素养训练】 1．(2020·北京等级考)我国天问一号火星探测器成功着陆火星。已知火星质量约
为地球质量的 10%，半径约为地球半径的 50%，下列说法正确的是( ) A．火星探测器的发射速度应大于地球的第二宇宙速度 B．火星探测器的发射速度应介于地球的第一和第二宇宙速度之间 C．火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度 D．火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度 解析：地球的第二宇宙速度是物体脱离地球引力束缚的最小发射速度，火 星探测器需要脱离地球引力的束缚，故其发射速度应大于地球的第二宇宙 速度，故 A 正确，B 错误；物体在中心天体附近绕中心天体做匀速圆周运
(3)宇宙速度及其意义
图 7.4-1
宇宙速度
数值
意义
第一宇宙速度 7_._9__km/s 物体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 1_1_._2_km/s 使飞行器挣脱__地__球__引力束缚的最小地面发射速度
第三宇宙速度 1_6_._7_km/s 使飞行器挣脱__太__阳__引力束缚的最小地面发射速度
地面上发射，三个飞行器中能够克服地球的引力，永远离开地球
的是
()
A．只有 A
B．只有 B
C．只有 C
D．B 和 C
解析：当发射的速度大于等于第二宇宙速度时，卫星会挣脱地球的引力， 不再绕地球飞行。当发射的速度大于等于第三宇宙速度时，卫星会挣脱太 阳的引力，飞出太阳系，故D正确。 答案：D
二、人造地球卫星 载人航天与太空探索 1．填一填 (1)1957年10月4日，_世__界__上__第一颗人造地球卫星发射成功。 (2)1970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。 (3)地球同步卫星 ①位置：赤道上方高度约__3_6_0_0_0__km，相对地面__静__止__。 ②周期：与地球自转周期__相__同__。 (4)载人航天与太空探索的主要成果
1．第一宇宙速度
【重难释解】
(1)公式：v1＝ 推1＝
GRM＝
6.67×10－11×5.98×1024 6.4×106
m/s＝7.9×103 m/s。
②由于物体受到的万有引力近似等于在地球表面的重力，即 mg＝mvR12得
v1＝ gR＝ 9.8×6.4×106 m/s＝7.9×103 m/s。