第三章 4.人造卫星 宇宙速度 5.太空探索(选学)-【金版新学案】2024-2025学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义配套课件（教科版2019）

4．人造卫星　宇宙速度 5．太空探索(选学) 　　　　 第三章　万有引力定律 1．知道三个宇宙速度的意义，会推导第一宇宙速度。 2．理解人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。 3．了解人造卫星的相关知识及我国卫星发射的情况，激发学生的爱国热情。 素养目标 知识点一　人造卫星与宇宙速度 1 知识点二　人造地球卫星 2 知识点三　近地卫星、同步卫星与赤道上物体的比较 3 课时测评 5 随堂达标演练 4 内容索引 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 知识点一　人造卫星与宇宙速度 返回 自主学习 情境导学　牛顿曾提出过一个著名的理想实验：如图所示，从高山上水平抛出一个物体，当抛出的速度足够大时，物体将环绕地球运动，成为人造地球卫星。据此思考并讨论以下问题： (1)当抛出速度较小时，物体做什么运动？当物体刚好不落回地面时，物体做什么运动？ 提示：当抛出速度较小时，物体做平抛运动。当物体刚好不落回地面时，物体做匀速圆周运动。 (2)物体受地球的引力作用为什么不落回地面？ 提示：当物体绕地球做匀速圆周运动时，万有引力提供向心力，所以物体处于完全失重状态，不会落回地面。 教材梳理(阅读教材P69－P71完成下列填空) 1．1895年，______宇航先驱齐奥尔科夫斯基率先提出了制造并发射_____ __________的设想。 2．1957年10月4日，______将第一颗人造卫星送入环绕地球的轨道。 3．宇宙速度 宇宙速度 数值 意义 第一宇宙速度 _____ km/s 使卫星能环绕地球运行所需的______速度。 第二宇宙速度 ______ km/s 使人造卫星脱离______的引力束缚，不再绕地球运行，从地球表面发射所需的最小速度。 第三宇宙速度 ______ km/s 要使物体脱离______的束缚而飞离太阳系，从地球表面发射所需的最小速度。 俄国 人造 地球卫星 苏联 7.9 最小 11.2 地球 16.7 太阳 合作探究 问题探究　发射卫星，要有足够大的速度才行。 (1)怎样求地球的第一宇宙速度？不同星球的第一宇宙速度是否相同？ (2)把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？ 提示：轨道越高，需要的发射速度越大。 (2023·四川遂宁高一统考期末)已知地球的半径为R，地面附近的重力加速度为g，引力常量为G，求： (1)地球的质量； 例1 (2)第一宇宙速度； (3)离地高h处轨道上的人造地球卫星运行的角速度。 对离地高h处轨道上的人造地球卫星有 1．第一宇宙速度 探究归纳 探究归纳 2．最小发射速度与最大环绕速度 (1)最小发射速度：如果发射速度低于第一宇宙速度，因为受到地球引力的作用，发射出去的卫星就会再回到地球上，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。 探究归纳 探究归纳 3．发射速度与卫星的轨道关系 (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，卫星挣脱地球引力束缚，绕太阳运行。 (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。 探究归纳 针对练1.(多选)下列关于三种宇宙速度的说法正确的是 A．人造地球卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度7.9 km/s≤v<11.2 km/s B．我国发射的天问一号火星探测器，其发射速度大于第三宇宙速度 C．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小行星的最小发射速度 D．第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度 √ √ v＝7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度，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，A错误，D正确；我国发射的天问一号火星探测器仍在太阳系内，其发射速度小于第三宇宙速度，B错误；第二宇宙速度是使物体挣脱地球束缚而成为太阳的一颗人造小行星的最小发射速度，C正确。 √ 返回 知识点二　人造地球卫星 返回 问题探究　随着科技发展的需求，各国向太空发射了很多的人造卫星，一些人造卫星绕地球运行如图所示。 请思考下列问题： (1)这些卫星的轨道平面具有什么特点？ 提示：卫星运行过程中，万有引力提供向心力，万有引力指向地心，向心力指向圆心，故地心即卫星轨道的圆心，所以卫星轨道平面必过地心。 (2)这些卫星运行过程中的线速度、角速度、向心加速度相同吗？如果不同，跟哪些因素有关？ 角度一　人造卫星的运动规律 (2023·潍坊高一检测)地球静止轨道卫星的轨道半径约为地球半径的7倍。与近地轨道卫星相比，地球静止轨道卫星 A．周期大 B．线速度大 C．角速度大 D．加速度大 例2 √ 人造地球卫星的运行参量与r的关系 探究归纳 角度二　人造卫星的轨道 (2023·衡阳高一检测)北斗三号系统最后一颗组网卫星于西昌卫星发射中心发射，并成功定点到工作轨道。据介绍，该卫星是北斗卫星导航系统的第55颗卫星，也是北斗三号全球卫星导航系统中的地球静止轨道卫星，可以定点在赤道上空的某一点。关于该颗卫星下列说法正确的是 A．以地面为参考系，该卫星静止 B．以太阳为参考系，该卫星静止 C．该卫星在高空一定是运动的 D．该卫星相对地面上静止的物体是运动的 例3 √ 地球静止轨道卫星相对于地面是静止的，故A正确，C错误；以太阳为参考系，该卫星随地球一起绕太阳运动，故B错误；地球静止轨道卫星相对于地面是静止的，所以相对地面上静止的物体也是静止的，故D 错误。 1．人造地球卫星的三种轨道 卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力充当向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，其轨道可分为三类(如图所示)： 探究归纳 (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。 探究归纳 2．地球同步(静止)轨道卫星的六个“一定” 探究归纳 针对练1.(多选)如图所示的圆a、b、c，其圆心均在地球自转轴线上，b、c的圆心与地心重合，b所在平面与地球自转轴线垂直，对环绕地球做匀速圆周运动的卫星而言 A．卫星的轨道可能为a B．卫星的轨道可能为b C．卫星的轨道可能为c D．静止卫星的轨道一定为与b共面的某一同心圆 √ √ √ 物体做匀速圆周运动时，物体所受的合外力方向一定要指向圆心，卫星环绕地球做匀速圆周运动的圆心一定与地心重合，故A错误，B、C正确；对于静止卫星来说，由于相对地球表面静止，所以静止卫星应在赤道的正上方，故D正确。 针对练2.(2023·四川遂宁高一统考期末)一颗圆形轨道上的地球卫星，其轨道平面与赤道平面重合，距离地面高度等于地球半径R0，地球同步卫星轨道距地面的高度约为6R0，则下列说法正确的是 A．该卫星的线速度小于地球同步卫星的线速度 B．该卫星的角速度小于地球同步卫星的角速度 C．该卫星的周期小于地球同步卫星的周期 D．该卫星的向心加速度小于地球同步卫星的向心速度 √ 返回 知识点三　近地卫星、同步卫星与赤道上 物体的比较 返回 a、b、c、d四颗地球卫星，a还未发射，在地球赤道上随地球一起转动，向心加速度为a1；b处于近地轨道上，运行速度为v1；c是地球同步卫星，离地心距离为r，运行速度为v2，加速度为a2；d是高空探测卫星，各卫星排列位置如图所示，地球的半径为R。则有(地球表面的重力加速度为g) A．a的向心加速度等于重力加速度g B．d的运动周期有可能是20小时 例4 √ 针对练1.(多选)如图所示，赤道上随地球自转的物体A、赤道上空的近地卫星B、同步卫星C，它们的运动都可视为匀速圆周运动，比较三个物体的运动情况，以下判断正确的是 A．三者周期的大小关系为TA<TB<TC B．三者向心加速度的大小关系为aA>aB>aC C．三者角速度的大小关系为ωA＝ωC<ωB D．三者线速度的大小关系为vA<vC<vB √ √ 因为同步卫星转动周期与地球自转周期相同，故TA＝TC，A错误；因为同步卫星的周期和地球自转的周期相同，故ωA＝ωC，根据a＝rω2可知，A和C的向心加速度大小关系为aA<aC，故B错误； 针对练2.(2023·云南丽江高一期末)如图所示，a为放在赤道上随地球一起自转的物体，b为同步卫星，c为一般卫星，d为极地卫星。设b、c、d三卫星距地心的距离均为r，做匀速圆周运动。则下列说法正确的是 A．ωb＝ωc＝ωd>ωa B．vb＝vc＝vd>va C．a、b、c、d向心力大小相等 D．b、c、d向心加速度相同 √ 返回 随堂达标演练 返回 √ 1．(多选)第一宇宙速度是物体在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的速度，则有 A．被发射的物体质量越大，第一宇宙速度越大 B．被发射的物体质量越小，第一宇宙速度越大 C．第一宇宙速度与被发射的物体的质量无关 D．第一宇宙速度与地球的质量有关 √ √ 2．(多选)(粤教版教材P75T4)“天链一号04星”于2016年11月22日在西昌卫星发射中心，通过“长征三号丙”运载火箭送入太空。“天链一号04星”是我国第四颗地球同步轨道数据中继卫星，与“天链一号01星”“天链一号02星”“天链一号03星”实现全球组网运行，为航天器提供数据中继服务与测控支持。关于“天链一号04星”，下列说法正确的是 A．运行速度大于7.9 km/s B．离地面高度一定，相对地面静止 C．质量与其他同步卫星质量不一定相等 D．向心加速度的大小与静止在赤道处地面上物体的向心加速度大小相等 √ √ 3．(多选)(2023·广东深圳高二期末)如图所示，a、b、c是三颗地球卫星，其中a是地球赤道上还未发射的卫星，c是地球同步卫星，下列说法正确 的是 A．相同时间内卫星b和地球同步卫星c转过的弧长相等 B．卫星b的运行周期小于24小时 D．地球同步卫星c的向心加速度大于a随地球自转的向心加速度 √ √ 返回 课 时 测 评 返回 1．人造卫星绕地球的运动可以简化为匀速圆周运动，下列说法正确的是 A．卫星轨道的圆心可以不与地心重合 B．轨道越高，环绕速度越小 C．轨道越高，环绕速度越大 D．轨道高度变化，环绕速度不变 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 2．以下关于宇宙速度的说法中正确的是 A．第一宇宙速度是人造地球卫星在圆轨道运行时的最大速度 B．第一宇宙速度是人造地球卫星在圆轨道运行时的最小速度 C．人造地球卫星在圆轨道运行时的速度可以等于第二宇宙速度 D．地球上的物体无论具有多大的速度都不可能脱离太阳的束缚 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 3．如图所示，牛顿在思考万有引力定律时就曾设想，把物体从高山上以不同大小的速度v水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远。如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球做圆周运动，成为人造地球卫星，则下列说法正确的是 A．落到A点的物体做的是平抛运动 B．以v<7.9 km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动 C．以7.9 km/s<v<11.2 km/s的速度抛出的物体将沿C轨道 运动 D．以11.2 km/s<v<16.7 km/s的速度抛出的物体将沿C轨道运动 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 物体抛出速度v<7.9 km/s时必落回地面，但物体沿A轨 道运动时受力方向发生变化，万有引力时刻指向地心， 故物体运动不能看成平抛运动，故A、B错误；物体抛 出速度v＝7.9 km/s时，物体刚好能不落回地面，绕地球 做圆周运动，故物体在B轨道上运行；当物体抛出速度 满足7.9 km/s<v<11.2 km/s时，物体在抛出点做离心运动，但物体不能脱离地球束缚，故物体沿C轨道运动，故C正确；当物体抛出速度v>11.2 km/s时，物体会脱离地球，不可能沿C轨道运动，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 4．如图所示，地球赤道上的山丘e、近地资源卫星p和同步通信卫星q均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动。设e、p、q的圆周运动速率分别为v1、v2、v3，向心加速度分别为a1、a2、a3，则 A．v1>v2>v3 B．v1<v2<v3 C．a1>a2>a3 D．a1<a3<a2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 5．高分四号卫星是中国第一颗地球同步轨道遥感卫星，运行在距地 36 000 km的地球静止轨道，关于“高分四号”，以下说法正确的是 A．“高分四号”可能会经过北京的正上方 B．“高分四号”比“神舟十号”近地环绕飞船运行高度低 C．“高分四号”的运行速度大于7.9 km/s D．“高分四号”的运行周期与地球自转周期相等 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 “高分四号”是同步卫星，在赤道的上方，不可能经过北京的正上方，运行周期与地球自转周期相等，为24 h，A错误，D正确；“高分四号”属于地球同步卫星，“神舟十号”是近地环绕飞船，所以“高分四号”比“神舟十号”近地环绕飞船运行高度高，B错误；7.9 km/s是地球的第一宇宙速度，也是地球卫星的最大环绕速度，“高分四号”的运行速度一定小于7.9 km/s，C错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 6．(2023·四川凉山高一统考期末)2023年10月26日11时，神舟十七号载人飞船发射成功。当日19时，神舟十六号航天员乘组顺利打开“家门”，欢迎远道而来的神舟十七号航天员乘组入驻“天宫”。通过直播画面可以看到，在近地圆轨道上飞行的“天宫”中，航天员可以自由地漂浮，这表明 A．即使在“天宫”中处于完全失重状态，航天员仍可用弹簧拉力器锻炼身体 B．在“天宫”中航天员由于没有受到地球引力而处于漂浮状态 C．“天宫”的运行速度介于第一宇宙速度与第二宇宙速度之间 D．“天宫”能和地面实时交流，是因其绕地球运行角速度和地球自转角速度相同 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 即使在“天宫”中处于完全失重状态，但弹簧弹力仍然存在，所以航天员仍然可以用弹簧拉力器锻炼身体，故A正确；在“天宫”中航天员仍然受到地球的引力，但是处于完全失重状态，因而处于漂浮状态，故B错误；第一宇宙速度是卫星的最大环绕速度，所以“天宫”的运行速度小于第一宇宙速度，故C错误；“天宫”在近地圆轨道上，轨道半径小于同步卫星的轨道半径，其角速度大于同步卫星的角速度，即“天宫”的角速度大于地球的自转角速度，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 7．(2023·菏泽高一检测)2023年12月26日11时26分，我国在西昌卫星发射中心成功发射第五十七颗、五十八颗北斗导航卫星。该组卫星属中圆地球轨道卫星(MEO卫星)。已知“MEO卫星”的周期为2～12小时，而北斗里面的“GEO卫星”是地球的同步卫星。它们的运行轨道均视为圆周，则下列说法错误的是 A．“MEO卫星”比“GEO卫星”速度大 B．“MEO卫星”比“GEO卫星”半径大 C．“MEO卫星”比“GEO卫星”角速度大 D．“MEO卫星”比“GEO卫星”加速度大 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ A．2.8 km/s B．3.95 km/s C．5.59 km/s D．15.8 km/s 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 9．(2023·天津和平区高一检测)我国在世界上首次实现了卫星和地面之间的量子通信，构建了天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。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，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 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 10．利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通信。目前，地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍。假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为 A．1 h B．4 h C．8 h D．16 h 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 11．(10分)(2023·四川乐山高一统考期末)假设某卫星正在预定轨道绕地球做匀速圆周运动，已知轨道距地球表面高度为h，地球半径为R，引力常量为G，地球表面的重力加速度为g。忽略地球自转的影响，求： (1)地球的质量M； 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 (2)地球的第一宇宙速度v1； 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 (3)该卫星做匀速圆周运动的周期T。 返回 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 谢 谢 观 看 ！ 第三章　 　万有引力定律 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 (1)万有引力提供向心力：由G＝m得v1＝＝m/s≈7.9 km/s。 (2)重力提供向心力：由mg＝得v1＝＝ m/s ≈7.9 km/s。 注意：第一宇宙速度公式v1＝和v1＝同样适用于其他天体，其中m地、R、g为对应天体的质量、天体半径、天体表面的重力加速度。 (2)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，所以在所有卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。 项目 近地卫星(r1、ω1、v1、a1) 同步卫星(r2、ω2、v2、a2) 赤道上随地球自转的物体(r3、ω3、v3、a3) 向心力 万有引力 万有引力 万有引力减去支持力 轨道半径 r2>r3＝r1 角速度 由G＝mrω2，得 ω＝，故ω1>ω2 同步卫星的角速度与地球自转的角速度相同，故ω2＝ω3 ω1>ω2＝ω3 项目 近地卫星(r1、ω1、v1、a1) 同步卫星(r2、ω2、v2、a2) 赤道上随地球自转的物体(r3、ω3、v3、a3) 线速度 由G＝，得 v＝，故v1>v2 由v＝rω，得v2>v3 v1>v2>v3 项目 近地卫星(r1、ω1、v1、a1) 同步卫星(r2、ω2、v2、a2) 赤道上随地球自转的物体(r3、ω3、v3、a3) 向心加速度 由G＝ma，得 a＝，故a1>a2 由a＝rω2，得a2>a3 a1>a2>a3 $$