4.宇宙航行-【金版新学案】2025-2026学年高中物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

本讲义聚焦“宇宙航行”核心知识点，系统梳理三个宇宙速度的含义、计算及决定因素，人造地球卫星（含同步卫星）的受力与运动规律，近地卫星、静止卫星与赤道物体的运动参量比较，构建从基础概念到综合应用的学习支架。 该资料以牛顿理想实验情境导入，通过师生互动任务（如分析不同天体第一宇宙速度决定因素）培养科学思维中的模型建构与科学推理能力，结合我国“东方红一号”“神舟五号”等航天成就渗透科学态度与责任。课中助力教师引导探究，课后例题及针对练帮助学生巩固知识，查漏补缺。

4.宇宙航行 【素养目标】　1.知道三个宇宙速度的含义、大小，会计算第一宇宙速度。　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。　3.了解发射速度与环绕速度的区别和联系。　4.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精神。 知识点一　宇宙速度 【情境导入】　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？逐渐增大抛出速度，观察落点的变化，当速度足够大时，物体还能落回到地球吗？如果不能，物体将做什么运动？ (2)已知地球的质量为M，地球半径为R，引力常量为G，若物体紧贴地面飞行而不落回地面，其速度大小为多少？ 提示：(1)当抛出速度较小时，物体做平抛运动；当抛出速度足够大时，物体不能落回地球；物体将做匀速圆周运动。 (2)物体不落回地面，围绕地球做匀速圆周运动，所需向心力由万有引力提供，有G＝m，解得v＝ 。 【教材梳理】 (阅读教材P59－P60，完成下列填空) 1.绕行速度 一般情况下可认为物体绕地球做匀速圆周运动，设地球的质量为m地，物体的质量为m，速度为v，它到地心的距离为r，向心力由地球对它的万有引力提供，即G＝m，则物体在轨道上运行的速度v＝。 2.第一宇宙速度 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。大小为v＝7.9 km/s。 3.第二宇宙速度 在地面附近发射飞行器，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。 4.第三宇宙速度 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。 【师生互动】　任务1：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？ 任务2：第一宇宙速度是人造地球卫星围绕地球做匀速圆周运动的最小速度吗？ 提示：任务1：一般不同。由G＝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。 任务2：不是，第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的最大速度。 【探究归纳】 1.第一宇宙速度 (1)第一宇宙速度的计算 ①由G＝m 学生用书⬇第71页 得v1＝＝ m/s≈7.9 km/s。 ②由于物体在地球表面受到的万有引力近似等于在地球表面的重力，则mg＝m，可得v1＝＝ m/s≈7.9 km/s。 (2)第一宇宙速度的意义 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≈5 078 s≈85 min。 2.卫星的轨道与发射速度的关系 (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，卫星克服地球的引力，离开地球绕太阳运动，成为太阳系中的一颗“小行星”，或绕其他行星运动，成为其他行星的一颗卫星。 (3)当v发≥16.7 km/s时，卫星脱离太阳的引力束缚飞到太阳系以外的空间中去。 宇宙速度的理解 关于地球的三个宇宙速度，下列说法正确的是(　　) A.第一宇宙速度大小为7.9 km/h，是发射卫星所需的最小速度 B.绕地球运行的同步卫星的环绕速度必定大于第一宇宙速度 C.第二宇宙速度为11.2 km/s，是绕地飞行器最大的环绕速度 D.在地面附近发射的飞行器速度等于或大于第三宇宙速度时，飞行器就能逃出太阳系了 答案：D 解析：第一宇宙速度是飞行器绕地球做圆周运动的最大运行速度，也是绕地球飞行的飞行器的最小地面发射速度，其值为7.9 km/s，故A、B、C错误；当飞行器的地面发射速度大于或等于第三宇宙速度16.7 km/s时，飞行器将脱离太阳的束缚逃出太阳系，故D正确。故选D。 理解宇宙速度应注意三点 1.发射速度是指被发射物体在地面附近离开发射装置时的速度，要发射一颗人造卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。 2.卫星离地面越高，卫星的发射速度越大。贴近地球表面的卫星(近地卫星)的发射速度最小，其运行速度等于第一宇宙速度。 3.宇宙速度是指在地球上满足不同要求的发射速度，不能理解成运行速度。 第一宇宙速度的计算 (2025·浙江台州期末)我国嫦娥六号探测器首次从月球背面采样返回。已知地球质量约为月球质量的81倍，地球半径约为月球半径的4倍，地球人造卫星的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则月球卫星的第一宇宙速度最接近于(　　) A.1.7 km/s B.3.7 km/s C.5.7 km/s D.9.7 km/s 答案：A 解析：根据G＝m，解得v＝，可得＝＝，解得v月≈1.76 km/s。故选A。 针对练.(2025·河南新乡高一期末)我国第一次火星探测任务是由“天问一号”负责执行的。火星的半径约为地球半径的，火星的质量约为地球质量的。已知地球的第一宇宙速度为7.9 km/s，≈2.24。下列判断正确的是(　　) A.火星表面重力加速度约为地球表面重力加速度的 B.火星表面重力加速度约为地球表面重力加速度的 C.火星的第一宇宙速度约为3.2 km/s D.火星的第一宇宙速度约为4.7 km/s 答案：B 解析：根据G＝mg，可得g＝，则＝·()2＝×22＝，A错误，B正确；根据G＝m，可得v＝，则＝＝＝，可知v火＝≈3.5 km/s，C、D错误。故选B。 学生用书⬇第72页 知识点二　人造地球卫星　载人航天与太空探索 【情境导入】　 (1)卫星绕地球运行的示意图如图所示，圆a、b、c的圆心均在地球的自转轴线上，b、c的圆心与地心重合，d为椭圆轨道，且地心为椭圆的一个焦点。四条轨道中哪些可以作为卫星轨道？为什么？ (2)同一轨道上同向绕行的两卫星是否有可能相撞？ 提示：(1)b、c、d轨道都可以。因为卫星绕地球做匀速圆周运动时，地球对它的万有引力提供向心力，因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，因此b、c轨道都可以，a轨道不可以。卫星也可在椭圆轨道运行，故d轨道也可以。 (2)不可能。同一轨道上的两卫星，线速度大小相等，相对静止，故不可能相撞。 【教材梳理】 (阅读教材P60－P62，完成下列填空) 1.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“东方红一号”发射成功。 (3)为我国航天事业作出特殊贡献的科学家钱学森被誉为“中国航天之父”。 (4)地球同步卫星：周期与地球自转周期相同。其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方向相同，相对地面静止，也称静止卫星。 2.载人航天与太空探索 1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。 1969年7月16日，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开了人类登月这一伟大历史事件的帷幕。 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。 自2011年11月起，神舟飞船先后与天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室成功完成交会对接试验。 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。 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。 地球同步卫星距离地面高度约为36 000 km，下列说法正确的是(　　) A.所有地球同步卫星都处于平衡状态 B.所有地球同步卫星的周期都是24 h，它们需要的向心力都相同 C.所有地球同步卫星的轨道半径都相同，且一定在赤道的正上方，它们运行速率一定小于第一宇宙速度 D.天宫一号距离地面高度约为343 km，它运行的角速度比同步卫星小 答案：C 解析：同步卫星绕地球做匀速圆周运动，处于完全失重状态，故A错误；万有引力提供向心力，所有地球同步卫星的周期都是24 h，因同步卫星的质量不同，则同步卫星所受的万有引力大小并不一定相同，故B错误；根据万有引力提供向心力有G＝m(R＋h)，所有地球同步卫星的轨道半径都相同，且一定在赤道的正上方，第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度，根据G＝m，同步卫星轨道半径大，线速度小，故C正确；根据G＝m(R＋h)，天宫一号轨道半径小，则周期比同步卫星小，根据ω＝可知，角速度比同步卫星大，故D错误。故选C。 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)： (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。 学生用书⬇第73页 2.地球静止卫星的六个“一定” 针对练1.(多选)(2025·广西南宁高一下期末)2024年1月9日，我国在西昌卫星发射中心采用长征二号丙运载火箭，成功将“爱因斯坦探针”空间科学卫星发射升空，经过多次变轨，卫星进入高度为600 km的圆轨道运行。已知同步卫星距地球表面高度约为36 000 km，下列说法正确的是(　　) A.该卫星的线速度大于同步卫星的线速度 B.该卫星的角速度小于同步卫星的角速度 C.该卫星的运行周期大于同步卫星的运行周期 D.该卫星的向心加速度大于同步卫星的向心加速度 答案：AD 解析：根据万有引力提供向心力有G＝m＝mω2r＝mr＝man，可得v＝，ω＝，T＝2π，an＝，该卫星的轨道半径小于同步卫星的轨道半径，则该卫星的线速度大于同步卫星的线速度，该卫星的角速度大于同步卫星的角速度，该卫星的运行周期小于同步卫星的运行周期，该卫星的向心加速度大于同步卫星的向心加速度。故选AD。 针对练2.(多选)(2025·福建福州高一下期末)北斗卫星导航系统是我国自行研制开发的区域性三维卫星定位与通信系统。系统中的卫星，既有位于地面上方高度为几百千米的中轨卫星，也有位于地面上方高度约为三万六千千米的地球同步卫星。已知地球质量为M，半径为R，自转周期为T，地球表面重力加速度为g，引力常量为G。对于这两种卫星，下列说法正确的是(　　) A.同步卫星的运行线速度大于中轨卫星的运行线速度 B.同步卫星的周期大于中轨卫星的周期 C.同步卫星的轨道半径为r＝ D.同步卫星的轨道高度为h＝ 答案：BC 解析：卫星绕地球做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力得G＝m＝mr，可得v＝，T＝，由于中轨卫星的轨道半径小于地球同步卫星的轨道半径，则同步卫星的运行线速度小于中轨卫星的运行线速度，同步卫星的周期大于中轨卫星的周期，故A错误，B正确；由万有引力提供向心力得G＝mr，可得同步卫星的轨道半径为r＝，故C正确；在地球表面有G＝mg，同步卫星的轨道高度为h＝r－R＝－R＝－R，故D错误。故选BC。 知识点三　近地卫星、静止卫星与赤道上物体的比较 1.三个物体运动规律的比较 项目 近地卫星 (r1、ω1、v1、an1) 静止卫星 (r2、ω2、v2、an2) 赤道上随地球自转的 物体(r3、ω3、v3、an3) 向心力 万有引力 万有引力 万有引力和支持力的合力 轨道半径 r2＞r3＝r1 角速度 由G＝mω2r得ω＝，故ω1＞ω2 静止卫星的角速度与地球自转的角速度相同，故ω2＝ω3 ω1＞ω2＝ω3 线速度 由G＝m得v＝，故v1＞v2 由v＝ωr得v2＞v3 v1＞v2＞v3 向心加速度 由G＝man得an＝，故an1＞an2 由an＝ω2r 得an2＞an3 an1＞an2＞an3 学生用书⬇第74页 2.处理近地卫星、静止卫星和赤道上随地球自转的物体的问题的技巧 (1)近地卫星与静止卫星的共同点是卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。 (2)静止卫星与赤道上随地球自转的物体的共同点是具有相同的角速度。 (3)当比较近地卫星和赤道上随地球自转的物体的有关参量时，需借助静止卫星。 (2025·陕西西安期末)如图所示，a为地球赤道上的物体，b为沿地球表面附近做匀速圆周运动的人造卫星，c为地球同步卫星。关于a、b、c做匀速圆周运动的说法中正确的是(　　) A.a、b、c三物体，都仅由万有引力提供向心力 B.周期关系为Ta＝Tc＞Tb C.线速度的大小关系为va＜vb＜vc D.向心加速度的大小关系为ab＞aa＞ac 答案：B 解析：b、c围绕地球做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力，a为地球赤道上的物体，由万有引力和地面给的支持力的合力提供向心力，故A错误；c为地球同步卫星，a为地球赤道上的物体，两者的周期与地球自转周期相等，根据G＝mr，解得T＝，由题图可知rb＜rc，可得Ta＝Tc＞Tb，故B正确；c为地球同步卫星，根据v＝ωr，a、c角速度相等，a的运动半径小一些，则有va＜vc，根据G＝m，解得v＝，c的轨道半径大于b的轨道半径，则c的线速度小于b的线速度，则有va＜vc＜vb，故C错误；c为地球同步卫星，根据a＝ω2r，a、c角速度相等，a的运动半径小一些，则有ac＞aa，根据G＝ma，解得a＝，由于c的轨道半径大于b的轨道半径，则c的加速度小于b的加速度，则有ab＞ac＞aa，故D错误。故选B。 针对练.(2025·湖北名校期中联考)2024年9月24日，全球首个医学遥感卫星(珞珈四号01星)成功发射，卫星在离地面约500 km的高度绕地球做匀速圆周运动；2022年4月15日，我国地球同步轨道通信卫星(中星6D卫星)成功发射，卫星在离地面约3.6×104 km的高度绕地球做匀速圆周运动；地球赤道上有一物体。关于赤道上物体、珞珈四号01星和中星6D卫星，下列说法正确的是(　　) A.赤道上物体的线速度最大 B.赤道上物体的周期小于中星6D卫星的周期 C.珞珈四号01星的角速度小于中星6D卫星的角速度 D.珞珈四号01星的向心加速度大于中星6D卫星的向心加速度 答案：D 解析：赤道上物体与中星6D卫星的角速度相等，由v＝ωr，可知中星6D卫星的线速度大于赤道上物体的线速度，由G＝m，可得v＝，珞珈四号01星的轨道半径比中星6D卫星的轨道半径小，可知珞珈四号01星的线速度比中星6D卫星的线速度大，所以珞珈四号01星的线速度最大，故A错误；赤道上物体的周期等于中星6D卫星的周期，故B错误；由G＝mω2r，可得ω＝，由于珞珈四号01星的轨道半径比中星6D卫星的轨道半径小，所以珞珈四号01星的角速度大于中星6D卫星的角速度，故C错误；由G＝man，解得an＝，由于珞珈四号01星的轨道半径比中星6D卫星的轨道半径小，所以珞珈四号01星的向心加速度大于中星6D卫星的向心加速度，故D正确。故选D。 学科网（北京）股份有限公司 $