4第7章 第4节 宇宙航行-【优学精讲】2025-2026学年高中物理必修第二册教用课件(人教版)

该高中物理课件聚焦“宇宙航行”主题，涵盖宇宙速度、人造卫星运行规律及同步卫星等核心知识点，以牛顿设想和航天史案例导入，通过发射原理推导、运行参量分析到多类卫星比较，构建连贯学习支架。 其亮点在于融合科学思维与科学态度，通过双法推导第一宇宙速度、对比近地卫星与同步卫星参量，结合“天宫课堂”失重现象分析，培养模型建构与推理能力。中国航天案例增强责任意识，助力学生深化物理观念，教师可高效开展结构化教学。

第4节　宇宙航行 1 学习目标 1．了解人造地球卫星的最初构想，会推导第一宇宙速度。　2.知道同步卫星和其他卫星的区别，会分析人造地球卫星的受力和运动情况，会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。　3.了解发射速度与环绕速度的区别与联系，理解天体运动中的能量观。　4.会应用万有引力定律分析卫星运行规律。 返回导航 课前知识梳理 1 课堂深度探究 2 内 容 索 引 随堂巩固落实 3 课前知识梳理 PART 01 第一部分 4 一、宇宙速度 1．人造地球卫星的发射原理 (1)牛顿的设想：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。 返回导航 匀速圆周 万有引力 返回导航 2．宇宙速度 (1)第一宇宙速度：物体在____________绕地球做匀速圆周运动的速度，v＝_______ km/s。 (2)第二宇宙速度：使飞行器挣脱______引力束缚的最小速度，v＝11.2 km/s。 (3)第三宇宙速度：使飞行器挣脱______引力束缚的最小速度，v＝16.7 km/s。 地球附近 7.9 地球 太阳 返回导航 二、人造地球卫星 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“__________________”发射成功。 3．为我国航天事业作出特殊贡献的科学家____________被誉为“中国航天之父”。 4．地球同步卫星：位于地面上方高度约36 000 km处，周期与地球______周期相同。其中一种的轨道与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方向______。因其相对地面______，也称静止卫星。 东方红一号 钱学森 自转 相同 静止 返回导航 三、载人航天与太空探索 1．1961年4月12日，苏联航天员加加林进入东方一号载人飞船进行人类第一次太空航行。 2．1969年7月16日，美国运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭点火升空，并于20日在月球留下足迹。 3．2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。 返回导航 4．2021年4月29日，具备长期自主飞行能力的天和核心舱成功发射，标志着中国空间站在轨组装建造全面展开。 5．2022年12月2日，中国航天员乘组完成首次在轨交接，中国空间站正式开启长期有人驻留模式。 返回导航 判断下列说法是否正确。 (1)在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9 km/s。　(　　) (2)在地面上发射火星探测器的速度应为11.2 km/s<v<16.7 km/s。(　　) (3)要发射离开太阳系的探测器，所需发射速度至少为16.7 km/s。(　　) (4)要发射一颗月球卫星，在地面的发射速度应大于16.7 km/s。(　　) (5)地球的静止卫星一定位于赤道的正上方。(　　) (6)地球同步卫星的周期与地球自转的周期相同。　(　　) ×　 √ √ √ √ √ 返回导航 课堂深度探究 PART 02 第二部分 12 知识点一　对宇宙速度的理解 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？ 返回导航 (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。 返回导航 1．第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的速度。 2．第一宇宙速度的两种推导方法：对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径R≈6 400 km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，地球质量为5.98×1024 kg，G取6.67×10-11 N·m2/kg2，g取9.8 m/s2。 方法一： 返回导航 方法二： 返回导航 返回导航 4．对第一宇宙速度的理解 (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发射人造卫星的最小速度。 返回导航 返回导航 (2025·江苏省合格考模拟)如图所示，在地面附近要发射一颗绕地球运行的卫星，发射速度(　　)   A．v＝7.9 km/s　　　　　　　 B．v＝11.2 km/s C．7.9 km/s≤v<11.2 km/s D．11.2 km/s≤v<16.7 km/s √ 返回导航 [解析]　要发射一颗绕地球运行的卫星，发射速度既不能低于第一宇宙速度，否则无法发射成功；也不能超过第二宇宙速度，否则将会克服地球引力，永远离开地球，故发射速度v的取值范围为7.9 km/s≤v<11.2 km/s。 返回导航 返回导航 √ √ 返回导航 返回导航 航天员在某星球表面高h处以某速度水平抛出一个小球，小球经过时间t落在星球表面。该星球的质量为M，引力常量为G，星球表面的空气阻力不计，忽略星球的自转。求： (1)该星球的半径R； 返回导航 返回导航 (2)该星球的第一宇宙速度v的大小。 返回导航 知识点二　人造地球卫星运行规律分析 如图所示，在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动。 (1)这些卫星的轨道平面有什么特点？ [提示]　轨道平面过地心。 (2)这些卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度等跟什么因素有关呢？ [提示]　与轨道半径有关。 返回导航 1．卫星运动遵循的规律：卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心在椭圆的一个焦点上，卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。 2．卫星轨道的圆心：卫星绕地球沿圆形轨道运动时，因为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，所以地心是卫星圆轨道的圆心。 返回导航 3．卫星的轨道：卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如静止卫星)，可以通过两极上空(如极地卫星)，也可以和赤道平面成任意角度。 返回导航 返回导航 返回导航 角度1　卫星运行参量分析 “祝融号”火星车需要“休眠”以度过火星寒冷的冬季。假设火星和地球的冬季是各自公转周期的四分之一，且火星的冬季时长约为地球的1.88倍。火星和地球绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动。下列关于火星、地球公转的说法正确的是　(　　) A．火星公转的线速度比地球的大 B．火星公转的角速度比地球的大 C．火星公转的半径比地球的小 D．火星公转的加速度比地球的小 √ 返回导航 返回导航 √ √ √ 返回导航 返回导航 角度2　航天器内的失重现象 中国航天员在中国空间站(天宫课堂)中已经完成了多次授课。空间站绕地球做匀速圆周运动时，下列有关空间站的现象及其分析正确的是(　　) A．空间站内浮力消失，是由于水不再受到地球的引力 B．空间站及天宫内的物体都处于失重状态 C．空间站内，可以用弹簧秤利用平衡法测量物体的重量 D．空间站内，航天员的脚插入舱壁的拉环中时一定不受拉环的弹力 √ 返回导航 [解析]　空间站内浮力消失是由于空间站内所有物体均处于完全失重状态，但物体仍受地球的引力，故A错误，B正确；空间站处于完全失重状态，所以不能用弹簧秤利用平衡法测量物体的重量，故C错误；空间站内，航天员的脚插入舱壁的拉环中发生挤压时会产生弹力，故D错误。 返回导航 知识点三　近地卫星、静止卫星和赤道上物体 返回导航 返回导航 2．静止卫星 (1)概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，叫作静止卫星。 (2)特点 ①确定的转动方向：和地球自转方向一致。 ②确定的周期：和地球自转周期相同，即T＝24 h。 ③确定的角速度：等于地球自转的角速度。 返回导航 ④确定的轨道平面：所有的静止卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合。 ⑤确定的高度：离地面高度固定不变(3.6×104 km)。 ⑥确定的环绕速率：线速度大小一定(3.1×103 m/s)。 返回导航 北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统。其中北斗—G4为一颗地球静止轨道卫星，北斗—IGSO2为一颗倾斜同步轨道卫星，北斗—M3为一颗中圆地球轨道卫星(轨道半径小于静止轨道半径)，下列说法正确的是(　　)   A．北斗—G4和北斗—IGSO2都相对地面静止 B．北斗—G4和北斗—IGSO2的轨道半径相等 C．北斗—M3与北斗—G4的周期平方之比等于高度三次方之比 D. 北斗—M3的线速度比北斗—IGSO2的线速度小 √ 返回导航 返回导航 (2025·江苏南京市期末)如图所示，A表示地球静止卫星，B为运行轨道比A低的一颗卫星，C为地球赤道表面上的一个物体，关于它们的线速度、角速度、运行周期和加速度的比较，下列关系式正确的是(　　)   A.ωA>ωB>ωC　　　　　 B．vB>vC>vA C．aB>aA>aC D．TA>TC>TB √ 返回导航 返回导航 综合一练　天体运行规律的综合应用 (2025·山东济南市期末)科学家们在距离地球约31光年的地方，发现了一颗可能有生命存在的“超级地球”。科学家们把这颗“超级地球”命名为GJ357d，质量至少是地球的6.1倍，半径约为地球的2倍，围绕一颗比太阳小得多的恒星运行，每55.7天运行一周。若已知地球的第一宇宙速度，根据以上信息可以算出“超级地球”的(　　) A．所绕恒星的质量 B．公转的线速度 C．第一宇宙速度 D．密度 √ 返回导航 返回导航 返回导航 随堂巩固落实 PART 03 第三部分 50 √ 返回导航 返回导航 2．(卫星运行规律的分析)已知空间站在距地球表面约400 km的高空绕地球做匀速圆周运动，运行周期为1.5 h，地球半径约为6 400 km，下列说法正确的是(　　) A．空间站绕地球运动的线速度略大于第一宇宙速度 B．空间站绕地球运动的线速度大于同步卫星绕地球的线速度 C.空间站绕地球运动的角速度小于同步卫星绕地球运动的角速度 D．空间站绕地球运动的向心加速度小于同步卫星绕地球运动的向心加速度 √ 返回导航 返回导航 3．(地球同步卫星)(2025·北京西城区期中)关于地球同步卫星，下列说法正确的是(　　) A．地球同步卫星只是依靠惯性运动 B．质量不同的地球同步卫星轨道高度不同 C．质量不同的地球同步卫星线速度不同 D．所有地球同步卫星的加速度大小相同 √ 返回导航 返回导航 4．(近地卫星、静止卫星和赤道上物体)(2025·江苏苏州市期中)有a、b、c、d四颗地球卫星，a还未发射，在赤道表面随地球一起转动，b是近地轨道卫星，c是地球静止卫星，d是高空探测卫星，它们均做匀速圆周运动，方向均与地球自转方向一致，各卫星的排列位置如图所示，则(　　)   A．卫星a的向心加速度近似等于重力加速度g B．在相同时间内卫星d转过的弧长最长 C．卫星c的速度一定比卫星d的速度大 D．卫星d的角速度比卫星c的角速度大 √ 返回导航 返回导航 (2)原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做__________运动，向心力由地球对它的____________提供，即G＝______，则卫星在轨道上运行的线速度v＝ 。　 m [提示]　根据G＝m，得v＝；可见第一宇宙速度由中心天体的质量和半径决定，不同星球的第一宇宙速度不同。 3．决定因素 由第一宇宙速度的计算式v＝可以看出，第一宇宙速度的值由中心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量M和半径R，与卫星无关。 (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，所以在这些卫星中，第一宇宙速度是所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星的最大环绕速度。 　(多选)(2024·湖南卷，T7)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 [解析]　根据G＝m，G＝mg，结合题意可知v月＝，v地＝，代入题中数据可得v月＝v地，故A错误，B正确；根据T＝·r可得T月＝T地，故C错误，D正确。 [解析]　设该星球表面附近的重力加速度大小为g，小球在竖直方向做自由落体运动，有 h＝gt2 解得g＝ 设该星球表面上有一物体的质量为m，忽略星球自转，万有引力等于重力，有G＝mg 解得R＝t。 [答案]　t　 [解析]　设某卫星的质量为m′，该卫星在星球表面附近运行，有m′g＝m′ 解得v＝。 [答案]　 4．运行参量 (1)由G＝m得v＝ ，h越大，轨道半径越大，线速度越小。 (2)由G＝mω2(R＋h)得ω＝，h越大，轨道半径越大，角速度越小。 (3)由G＝m(R＋h)得T＝，h越大，轨道半径越大，周期越大。 (4)由G＝ma得a＝，h越大，轨道半径越大，向心加速度越小。 [解析]　根据题述，火星冬季时长为地球的1.88倍，可知火星绕太阳运动的周期是地球的1.88倍，由开普勒第三定律可知，火星绕太阳做匀速圆周运动的轨道半径比地球绕太阳做匀速圆周运动的轨道半径大，C错误；由G＝m，解得v＝，由r火>r地可得v火<v地，A错误；由G＝mω2r，解得ω＝，由r火>r地可得ω火<ω地，B错误；由G＝ma，解得a＝，由r火>r地可得a火<a地，D正确。 　(多选)如图所示，甲、乙两颗卫星以相同的轨道半径分别绕半径相同、质量为M和2M的A、B两颗行星做匀速圆周运动， 忽略行星的自转， 下列说法正确的是(　　) A．甲、乙两颗卫星的线速度大小之比为1∶ B．甲、乙两颗卫星的周期之比为1∶ C．A、B两颗行星的地表重力加速度之比为1∶2 D．A、B两颗行星的第一宇宙速度之比为1∶ [解析]　由万有引力提供向心力，有G＝m得v＝，可知甲、乙两颗卫星的线速度大小之比为1∶，故A正确；由万有引力提供向心力，有G＝mr得T＝，可知甲、乙两颗卫星的周期之比为∶1，故B错误；假设在两行星表面有一质量为m的物体，由重力等于万有引力有mg＝G得g＝，A、B两颗行星的地表重力加速度之比为1∶2，故C正确；设行星的第一宇宙速度为v1，由公式G＝m得v1＝，所以A、B两颗行星的第一宇宙速度之比为1∶，故D正确。 1．三者比较 (1)轨道半径：近地卫星与赤道上物体的轨道半径相同，均等于地球半径，静止卫星的轨道半径较大。 (2)运行周期：静止卫星与赤道上物体的运行周期相同，由T＝2π可知，近地卫星的周期小于静止卫星的周期。 (3)向心加速度：由a＝G知，静止卫星的加速度小于近地卫星的加速度。由a＝ω2r＝r知，静止卫星的加速度大于赤道上物体的加速度。 (4)向心力：近地卫星和静止卫星都只受万有引力作用，由万有引力提供向心力，满足由万有引力提供向心力的天体的运行规律。赤道上的物体由万有引力和地面支持力的合力提供向心力，它的运动规律不同于卫星的运动规律。 [解析]　北斗—G4为一颗地球静止轨道卫星，可知北斗—G4相对地面静止；北斗—IGSO2为一颗倾斜同步轨道卫星，则北斗—IGSO2的周期等于地球自转周期，但北斗—IGSO2相对地面不是静止的，故A错误。根据＝mr可得T＝，由于北斗—G4和北斗—IGSO2的周期相等，则北斗—G4和北斗—IGSO2的轨道半径相等，故B正确。根据开普勒第三定律＝k，可知北斗—M3与北斗—G4的周期平方之比等于轨道半径三次方之比，故C错误。根据＝m可得v＝，由于中圆地球轨道卫星轨道半径小于静止轨道半径，则北斗—M3的线速度比北斗—IGSO2的线速度大，故D错误。 [解析]　地球静止卫星与赤道共平面且相对赤道上的物体静止，因此地球静止卫星的周期与赤道上物体随地球自转的周期相同，即ωA＝ωC，TA＝TC，由v＝ωr，a＝ω2r，可得vA>vC，aA>aC，根据G＝m＝mω2r＝mr＝ma，可得v＝，ω＝，T＝，a＝，显然vB>vA，ωB>ωA，TB<TA，aB>aA，综合可得ωA＝ωC<ωB，TA＝TC>TB，vB>vA>vC，aB>aA>aC，故A、B、D错误，C正确。 [解析]　设所绕恒星的质量为M，“超级地球”的质量为M′，由＝M′r，解得M＝，由于不知道“超级地球”绕恒星的轨道半径，无法求出所绕恒星的质量，A错误；根据v＝可知，由于没有给出“超级地球”绕恒星的轨道半径，无法求出其公转的线速度，B错误； 根据牛顿第二定律可知，地球的第一宇宙速度(题目已给出)，G＝m，解得v地＝，同理可得v超地＝，解得v超地≈v地，根据密度的公式可得，地球的密度ρ地＝，“超级地球”的密度ρ超地＝，解得≈，但题目没有给出地球的密度，故无法求得“超级地球”的密度，C正确，D错误。 1．(宇宙速度的分析)(2025·江苏无锡市期中)一次宇宙冒险家到达一个未知星球，首先以无动力状态在近地轨道绕行观察，飞行速度为v，测得环绕周期为T。下列计算不正确的是　(　　) A．星球质量为 B．星球半径为 C．星球第一宇宙速度为v D．星球表面重力加速度为 解析：由题知，冒险家是以无动力状态在近地轨道绕行观察，即运行轨道的半径等于星球半径，故星球第一宇宙速度为v，故C正确，不符合题意；根据v＝解得r＝，根据万有引力定律有G＝m，解得M＝，故A错误，符合题意，B正确，不符合题意；在星球表面有G＝mg，根据万有引力定律有G＝m，联立解得g＝，故D正确，不符合题意。 解析：第一宇宙速度是卫星绕地球做圆周运动的最大速度，所以空间站绕地球做圆周运动的线速度小于第一宇宙速度，A错误； 同步卫星绕地球运动的周期为24 h，大于空间站的运行周期，由＝m得T＝，可知同步卫星运行轨道半径比空间站运行轨道半径大，由＝m得v＝，所以空间站的线速度大于同步卫星的线速度，B正确；由＝mω2r得ω＝，所以空间站的角速度大于同步卫星的角速度，C错误；根据＝ma，得向心加速度a＝，所以空间站的向心加速度大于同步卫星的向心加速度，D错误。 解析：地球同步卫星受到的地球对其的万有引力，为其圆周运动提供向心力，A错误；卫星做匀速圆周运动，由地球的万有引力提供向心力，则有G＝m(R＋h)，解得h＝－R，所有同步卫星的高度都一样，B错误；同理可得G＝m＝ma，解得v＝，a＝，线速度、加速度大小也相等，C错误，D正确。 解析：卫星a在赤道上，万有引力远大于卫星随地球自转所需向心力，即重力远大于向心力，所以卫星a的向心加速度an远小于重力加速度g，故A错误；c是地球静止卫星，a、c两颗卫星的角速度相等，根据v＝ωr可知，vc>va，对于b、c、d三颗卫星，根据G＝m，解得v＝，卫星的轨道半径越大，速度越小，所以vb>vc>vd，故C正确；四颗卫星中卫星b的速度最大，根据弧长与速度的关系有s＝vt，可知在相同的时间内卫星b转过的弧长最长，故B错误；根据G＝mω2r，解得ω＝，卫星的轨道半径越大，角速度越小，所以卫星d的角速度比卫星c的角速度小，故D错误。 $