第3章 第4节 人造卫星　宇宙速度（课件PPT）-【优化指导】2026-2027学年高中物理必修第二册（教科版2019）

万有引力定律 第4节　人造卫星　宇宙速度 第三章 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 物理观念 科学探究 科学态度与责任 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。 　　探究人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系。 　　通过对宇宙速度的学习，培养科学探究精神。 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 一、人造卫星 1．卫星是一些______的或______的在太空中绕行星运动的物体。 2．1895年，______宇航先驱齐奥尔科夫斯基在《天地幻想和天球引力效应》论文中，率先提出制造__________________的设想。 3．1957年10月4日苏联成功发射了_________人造地球卫星。 自然 人工 俄国 人造地球卫星 第一颗 必备知识 自主学习 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 二、宇宙速度 三个宇宙速度比较 必备知识 自主学习 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 1．判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (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。(　　　) √ × × √ × × 必备知识 自主学习 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 2．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。 3．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。 必备知识 自主学习 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 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。 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 [问题设计] 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。 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 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。 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 4．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。 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 5．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。 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 CD 【例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 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 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。 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 [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 C 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 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，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，C正确。 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 [问题设计] (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？ 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 1．第一宇宙速度 (1)第一宇宙速度的定义 又叫环绕速度，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。 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 2．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/s <v<11.2 km/s时，卫星的轨道是椭圆形的，地球处在椭圆的一个焦点上。 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 (2)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。 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 【例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。 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 解 析 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 解 析 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 BD 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 解 析 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 解 析 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 [问题设计] 怎样做才能成功对接？ 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飞船与其完成对接。 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 【例3】 如图所示，一颗人造卫星原来在椭圆轨道1绕地球运行，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 B 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 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，B正确。 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 [练3] 宇宙飞船正在轨道上运行，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，于是通知航天员，飞船有可能与火箭残体相遇。航天员随即开动飞船上的发动机使飞船加速，脱离原轨道，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 B 关键能力 互动探究 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 解 析 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 1．(2025·广东湛江高二期中)北斗导航系统中的地球同步卫星绕地球近似做匀速圆周运动，其运行的线速度 (　　) A．大于第一宇宙速度 B．等于第一宇宙速度 C．小于第一宇宙速度 D．等于第二宇宙速度 C 素养训练 学业评价 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 解 析 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 2．若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 D 素养训练 学业评价 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 解 析 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 B 素养训练 学业评价 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 解 析 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 C 4．北斗卫星导航系统是我国实施的自主发展，独立运行的卫星导航系统，实现了全球通讯全覆盖。如图所示，两颗可视为质量相等的卫星A、B绕地球做匀速圆周运动，所受万有引力大小分别为FA、FB；角速度大小分别为ωA、ωB；周期分别为TA、TB；线速度大小分别为vA、vB。下列关系正确的是 (　　) A．FA<FB B．ωA＝ωB C．TA<TB D．vA<vB 素养训练 学业评价 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 解 析 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 课时梯级训练(14) 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 章末综合检测(三) 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 谢谢观看 必备知识 自主学习 高中物理 必修 第二册 J 返回导航 项目 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 探究点一___人造卫星 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，即G＝m，则卫星在轨道上运行的线速度v＝。 3．几个常用的关系式 设质量为m2的天体绕另一质量为m1的中心天体做半径为r的匀速圆周运动，则： (1)由G＝m2得v＝，可知r越大，天体的v越小。 (2)由G＝m2ω2r得ω＝，可知r越大，天体的ω越小。 (3)由G＝m2()2r得T＝2π，可知r越大，天体的T越大。 (4)由G＝m2a得a＝，可知r越大，天体a越小。 探究点二___宇宙速度 众所周知，发射卫星，要有足够大的速度才行。 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G＝m，v＝，可见第一宇宙速度由星球的质量和半径决定。 (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球决定，可以说任何一颗行星都有自己的第一宇宙速度，都应用v＝或v＝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。 答案：(1)v1＝　(2) (1)设卫星的质量为m，地球的质量为m0，地球表面处物体的质量为m′， 在地球表面附近满足G＝m′g， 则Gm0＝R2g① 卫星受到的万有引力提供做圆周运动的向心力， 则G＝m② 将①式代入②式，得到v1＝。 (2)结合①式卫星受到的万有引力为 F＝G＝③ 由万有引力提供向心力得 F＝m(R＋h)④ ③④两式联立解得T＝。 [练2] (多选)(2024·湖南卷)2024年5月3日，嫦娥六号探测器顺利进入地月转移轨道，正式开启月球之旅。相较于嫦娥四号和嫦娥五号，本次的主要任务是登陆月球背面进行月壤采集，并通过升空器将月壤转移至绕月运行的返回舱，返回舱再通过返回轨道返回地球。设返回舱绕月运行的轨道为圆轨道，半径近似为月球半径。已知月球表面重力加速度约为地球表面的，月球半径约为地球半径的。关于返回舱在该绕月轨道上的运动，下列说法正确的是 (　　) A．其相对于月球的速度大于地球第一宇宙速度 B．其相对于月球的速度小于地球第一宇宙速度 C．其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的 D．其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的倍 返回舱在该绕月轨道上运动时万有引力提供向心力，且返回舱绕月运行的轨道为圆轨道，半径近似为月球半径，则有G＝m，其中在月球表面万有引力和重力的关系有G＝mg月，联立解得v月＝，由于第一宇宙速度为近地卫星的环绕速度，同理可得v地＝ ，代入题中数据可得v月＝v地，A错误，B正确；根据线速度和周期的关系有T＝，由以上分析可得T月＝T地，C错误，D正确。 探究点三___卫星变轨问题 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。 1．当卫星绕天体做匀速圆周运动时，万有引力提供向心力，满足G＝m。 2．当卫星由于某种原因速度改变时，万有引力不再等于向心力，卫星将做变轨运行。 (1)当卫星的速度突然增加时，G<m即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动。 (2)当卫星的速度突然减小时，G>m，即万有引力大于所需要的向心力，卫星将做近心运动，卫星的发射和回收就是利用这一原理。 由G＝ma＝mr知，飞船加速后，做离心运动，r增大，T增大，a减小，B正确。 根据万有引力提供向心力可知G＝m，解得v＝，当卫星的轨道半径等于地球半径时，其运行速度等于第一宇宙速度，而同步卫星的轨道半径大于地球半径，故同步卫星的运行速度小于第一宇宙速度，C正确。 由万有引力提供向心力得F向＝F引＝＝mrω2＝mr，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，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，B错误。 3．已知某星球的平均密度是地球的n倍，半径是地球的k倍，地球的第一宇宙速度大小为v，则该星球的第一宇宙速度大小为 (　　) A．v B．kv C．nkv D．v 由G＝m，得v＝，将m0＝πr3ρ代入，可得v∝r，所以该星球的第一宇宙速度是地球第一宇宙速度的k倍，选项B正确。 根据万有引力定律可得F＝G＝mω2r＝mr＝m，rA<rB，所以ω＝，T＝2π，v＝，则FA>FB，ωA>ωB，TA<TB，vA>vB，C正确，A、B、D错误。 $$