7.4 宇宙航行 课件 -2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

该高中物理课件聚焦宇宙航行，核心涵盖三个宇宙速度、人造卫星轨道及同步卫星。课堂以牛顿抛体设想设问导入，衔接万有引力定律，通过问题链搭建学习支架，引导学生理解发射速度与环绕速度的关系。 特色在于融合科学思维与科学态度，通过推导宇宙速度公式（模型建构）、分析探月探火案例（科学推理），结合对比表格与参数辨析，帮助学生构建物理观念。实例丰富，助力教师高效教学，提升学生解决实际问题的能力。

第七章 万有引力与宇宙航行 7.4 宇宙航行 人教版(2019)必修 第二册 课堂引入 实际上，早在 1687 年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿就设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。 A v 你知道这个速度有多大吗？ 一、第一宇宙速度 算一算：以多大的速度抛出物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？ （忽略太阳对物体的引力。已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球质量M=6×1024kg，地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2） 这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度， 叫作第一宇宙速度（环绕速度）。 二、思考与讨论 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时，可近似认为向心力是由重力提供的，有： 三、解读第一宇宙速度 发射卫星的轨道越高，需要克服万有引力的阻碍作用越多，所以发射速度需要增加。 1.是航天器成为卫星的最小发射速度 2.是卫星的最大环绕速度 理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大于 7.9 km/s，又小于 11.2 km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于 11.2 km/s 时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把 11.2 km/s叫作第二宇宙速度（逃逸速度）。 四、第二宇宙速度 达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。在地面附近发射飞行器，如果要使其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（脱离速度）。 五、第三宇宙速度 六、三个宇宙速度的对比 数值 意义 第一宇宙速度 7.9km/s (1)卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度(2)人造卫星的最小地面发射速度 第二宇宙速度 11.2km/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 16.7km/s 使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度 1.以下太空探索实践中需要的发射速度分别满足什么速度范围？ 思考与讨论 ①“嫦娥”奔月　　 ②“天问”探火　 ③无人外太阳 系空间探测器 “嫦娥”奔月中卫星的发射速度应该大于第一宇宙速度小于第二宇宙速度。“天问一号”的发射速度应该大于第二宇宙速度小于第三宇宙速度。无人外太阳系空间探测器的发射速度应该大于第三宇宙速度。 2.不同天体的第一宇宙速度相同吗？第一宇宙速度的大小由哪些因素决定？ 一般不同。 由=m得，第一宇宙速度v=，可以看出，第一宇宙速度的值取决于中心天体的质量m天和半径R，与卫星无关。 (1)我国向月球发射的“嫦娥二号”探月卫星在地面附近的发射速度要大于11.2 km/s。(　　) (2)三个宇宙速度指的都是发射速度。(　　) (3)由v=知，高轨道卫星运行速度小，故发射高轨道卫星比低轨道卫星更容易。(　　) × √ × 易错辨析 　已知地球表面的重力加速度约为10 m/s2，第一宇宙速度约为8 km/s，某星球半径约为地球半径的2倍，质量是地球质量的9倍，求： (1)该星球表面的重力加速度大小； 例1 (2)该星球的第一宇宙速度大小。 　(2024·四川省高一期中)开普勒—452b是发现的第一颗潜在的超级地球岩质行星，在一颗类太阳恒星的适居带内运行。根据其物理特性，有时被媒体称为地球2.0。它的质量大约是地球的5倍，半径大约是地球的1.25倍。则开普勒—452b的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度的大小之比约为 A.0.6 B.2 C.4 D.9 例2 √ 　(2024·雅安市高一期中)使物体脱离星球的引力束缚，不再绕星球运行，从星球表面发射时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的关系为v2=v1。已知某星球的半径为R，其表面的重力加速度大小为地球表面重力加速度g的k(k>1)倍。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. 例3 √ 一、人造卫星的轨道 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。 3.一般轨道：卫星的轨道与赤道平面成某一角度。 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。 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： 二、近地卫星 指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。 分别是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大速度和最小周期。 周期T=≈85 min， 三、同步卫星的轨道 指相对于地面静止的人造卫星，它跟着地球做匀速圆周运动，周期T=24h。 所有的同步卫星只能分布在赤道正上方的一个确定轨道，即同步卫星轨道平面与赤道平面重合。 四、同步卫星的几个定值 轨道平面一定：赤道平面 周期与角速度一定：T=24h 轨道半径一定:r=6.6R=4.2××107m 离地高度一定：h=3.6××107m 线速度大小一定:v=3.1km/s 运转方向一定:自西向东 向心加速度的大小一定: 主要用于通信，故也称通信卫星。3颗同步卫星可实现全球覆盖,为了使同步卫星之间不相互干扰，大约3°左右才能放置一颗同步卫星，也就是说，地球上空只能放下120颗同步卫星。截止2012年，已发射100多颗。 五、同步卫星的用途 一、人造卫星与月球参数对比 h=3.6××107m r=4.2××107m v=3.08km/s T=24h h=3.8××108m r≈3.8××108m v=1km/s T=27.3天 h≈0 r=6.4××106m v=7.9km/s T=84分钟 同步卫星 近地卫星 月球 　 (2023·扬州市高一期中)如图所示是小张画的人造地球卫星轨道示意图，其中圆轨道a、c、d的圆心均与地心重合，a与赤道平面重合，b与某一纬线圈共面，c与某一经线圈共面。下列说法正确的是 A.a、b、c、d都有可能是卫星的轨道 B.轨道a上的卫星一定是同步卫星 C.轨道c上的卫星的运行速度一定小于7.9 km/s D.轨道a上的卫星运行速率可能与轨道d上卫星的相同 例4 √ 二、三种不同轨道卫星的参数对比 二、三种不同轨道卫星的参数对比 课堂小结 宇宙速度 同步卫星 第一宇宙速度 载人航天与太空探索 v1=7.9km/s v2=11.2km/s v3=16.7km/s 最小发射速度 最大运行速度 相对于地面静止的，跟地球自转同步的卫星，同步卫星也叫通讯卫星。 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 万有引力减去重力 轨道半径 r2＞r3＝r1 角速度 由eq \f(Gm地m,r2)＝mω2r， 得ω＝ eq \r(\f(Gm地,r3))，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 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eq \f(Gm地m,r2)＝eq \f(mv2,r)，得v＝eq \r(\f(Gm地,r))，故v1＞v2 由v＝rω，得v2＞v3 v1＞v2＞v3 向心加速度 由eq \f(Gm地m,r2)＝man，得an＝eq \f(Gm地,r2)，故a1＞a2 由an＝ω2r，得a2＞a3 a1＞a2＞a3 $