第3章 4 人造卫星 宇宙速度 5 太空探索(选学)（课件）-【学而思·PPT课件分层练习】2025-2026学年高一物理必修第二册（教科版）

该高中物理课件聚焦万有引力定律应用，涵盖宇宙速度、人造卫星运动规律、变轨对接及天体相遇等核心知识点。以牛顿设想导入，衔接万有引力定律与实际应用，构建从理论推导到卫星发射、轨道分析的学习支架。 其亮点在于通过“高轨低速长周期”等规律总结和典例分析，强化科学思维中的模型建构与科学推理，结合知识辨析深化物理观念。学生能提升问题解决能力，教师可借助系统资源高效开展教学。

4　人造卫星　宇宙速度 5　太空探索(选学) 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;当抛出速度足 够大时,物体就不会落回地面,成为人造地球卫星。 2.近地卫星的速度 (1)原理:物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动时,万有引力提供物体运动所需的向心力,所 以G =m ,解得v= 。 必备知识 清单破 知识点 1 宇宙速度 (2)结果:用地球半径R代替近地卫星到地心的距离r,可得v= m/s≈7.9 km/s。 第三章　万有引力定律 高中同步 3.宇宙速度 数值 意义 第一宇 宙速度 7.9 km/s 物体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 使物体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 使物体挣脱太阳引力束缚的 最小地面发射速度 第三章　万有引力定律 高中同步 1.动力学特点 　　一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,其向心力由地球对它的万有引 力提供。 2.地球同步卫星 　　轨道高度距地面36 000 km且运动周期与地球自转周期相同的卫星。其中轨道平面与赤 道平面的夹角为0°,转动方向与地球自转方向相同的同步卫星,也称地球静止轨道卫星。地 球静止轨道卫星具有以下特点: (1)轨道平面一定:地球静止轨道卫星都在赤道的正上方,其轨道平面必与赤道平面重合; (2)绕行方向一定:和地球自转方向一致; (3)周期一定:和地球自转周期相同,即T=24 h; (4)高度一定:位于赤道上方高度约3.6×104 km处,距地面高度固定不变。 知识点 2 人造地球卫星 第三章　万有引力定律 高中同步 知识辨析 1.其他星球的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度相同吗? 2.地球周围的卫星都在同一圆轨道上绕地球转动吗? 3.地球静止轨道卫星可以“静止”在北京的上空吗? 第三章　万有引力定律 高中同步 一语破的 1.不相同。第一宇宙速度v= ,可见第一宇宙速度的值由星球的质量和半径决定,一般情 况下,不同星球的第一宇宙速度不同。 2.不是。不同的地球卫星的轨道不一定相同,地球位于卫星运行的圆轨道的圆心处或椭圆轨 道的一个焦点处。 3.不可以。北京位于北半球,地球静止轨道卫星都“静止”在赤道的上空。 第三章　万有引力定律 高中同步 关键能力 定点破 1.认识第一宇宙速度 　　第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的速度,即近地卫星的 环绕速度。 2.推导 　　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,取g=9.8 m/s2,则 定点 1 对宇宙速度、发射速度和环绕速度的理解 第三章　万有引力定律 高中同步 　　方法二 　　方法一 第三章　万有引力定律 高中同步 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。 4.对发射速度和环绕速度的理解 (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人造卫星的最小发射速度。 (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,所以在这些卫星中,近地卫星的线速 度即第一宇宙速度是最大环绕速度。 第三章　万有引力定律 高中同步 1.人造地球卫星的轨道 卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆轨道,但轨道平面一定过地心。 (1)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 从开普勒第三定律。 (2)卫星绕地球沿圆轨道运动时,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,所以地心必定是卫星圆轨道的圆心。 (3)卫星的轨道平面可以在赤道平面上(如同步卫星),也可以和赤道平面垂直,还可以和赤道 平面成任一角度,如图所示。 定点 2 人造地球卫星的运动规律 第三章　万有引力定律 高中同步 2.人造地球卫星的动力学特征 人造地球卫星绕地球转动时,可以视为做匀速圆周运动,卫星受到的万有引力提供卫星做圆 周运动的向心力,故有F引=G =ma向=m =mω2r=m r,解得a向= 、v= 、ω=  、T=2π 。可以看出,r越大,a向越小,v越小,ω越小,T越大。规律可概括为“高轨低 速长周期”。 第三章　万有引力定律 高中同步 3.近地卫星、地球静止轨道卫星和赤道上随地球自转的物体的运行问题 (1)近地卫星、地球静止轨道卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,它们的运动 符合“高轨低速长周期”的运行规律。 (2)赤道上的物体,其所受的万有引力未完全提供向心力,不满足“高轨低速长周期”的规 律。但是赤道上随地球自转的物体的角速度、周期和地球静止轨道卫星的角速度、周期相 同,可以将地球静止轨道卫星作为桥梁,根据v=ωr、a向=ω2r,先比较赤道上随地球自转的物体 和地球静止轨道卫星的线速度、向心加速度的关系,再结合近地卫星、地球静止轨道卫星 “高轨低速长周期”的规律综合分析物理量的大小关系。 第三章　万有引力定律 高中同步 典例    (多选)如图所示,有甲、乙两颗卫星分别在不同的轨道围绕一个半径为R、表面重力 加速度为g的行星运动【1】。卫星甲、卫星乙各自所在的轨道平面相互垂直,卫星甲的轨道为 圆轨道,距离行星表面的高度为R【2】,卫星乙的轨道为椭圆轨道,M、N两点的连线为其椭圆轨 道的长轴,且M、N两点间的距离为4R【3】。则以下说法正确的是(　    ) A.卫星甲的线速度大小为  B.卫星乙运行的周期为4π  C.卫星乙沿椭圆轨道运行经过M点时的速度大于卫星甲沿圆轨道运行 的速度 D.卫星乙沿椭圆轨道运行经过N点时的加速度小于卫星甲沿圆轨道运行的加速度 第三章　万有引力定律 高中同步 信息提取    【1】甲、乙两卫星绕同一中心天体运动。 【2】卫星甲做匀速圆周运动,轨道半径为2R。 【3】卫星乙沿椭圆轨道运动,轨道的半长轴为2R,等于卫星甲的轨道半径。 思路点拨    (1)甲、乙两卫星绕同一中心天体运动,卫星甲做匀速圆周运动,根据万有引力提 供向心力及行星表面物体的重力近似等于万有引力【4】,列出等式求解卫星甲的线速度大小 和运行周期;根据开普勒第三定律【5】求解卫星乙的运行周期。 (2)寻找两个绕行星做圆周运动且运行轨道分别过M点和N点的卫星,分析它们和卫星乙经过 M、N点时的线速度和加速度关系,进行解答。 第三章　万有引力定律 高中同步 解析    卫星甲绕中心天体做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力得 =m ,解得v=  ,r=2R;由行星表面物体所受的重力近似等于万有引力,得mg= ,联立解得卫星甲环 绕中心天体运动的线速度为v= (由【2】【4】得到),故A错误。对卫星甲,由万有引力提 供向心力可得 =m r,可计算出卫星甲的周期为T甲=2π =4π ;卫星乙运行的椭 圆轨道的半长轴等于卫星甲圆轨道的半径,可知卫星乙运行的周期和卫星甲运行的周期相 等,则T乙=T甲=4π (由【5】得到),故B正确。卫星乙沿椭圆轨道经过M点时的速度大于沿 轨道半径为M至行星中心距离的圆轨道运行的卫星的线速度,根据v= 可知,轨道半径为 M至行星中心距离的圆轨道上的卫星的线速度大于卫星甲在圆轨道上的线速度,故C正确。 卫星运行时只受万有引力,加速度为a,可得 =ma,r越大,a越小,故D正确。 第三章　万有引力定律 高中同步 答案    BCD 第三章　万有引力定律 高中同步 1.从地面发射后变轨到预定轨道 卫星发射后要经过多次变轨方可到达预定轨道,如图所示。   (1)为了节省能量,在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到近地圆轨道Ⅰ上。 (2)变轨时在A点点火加速,速度变大,进入椭圆形的转移轨道Ⅱ。 (3)在B点(远地点)再次点火加速,进入预定圆轨道Ⅲ,绕地球做匀速圆周运动。 定点 3 卫星的变轨与飞船的对接 第三章　万有引力定律 高中同步 2.变轨运行的动力学分析 卫星变轨时,先是由于某种原因线速度v发生变化,导致需要的向心力发生变化,万有引力不等 于向心力,进而导致轨道的曲率半径r发生变化。具体分析如下:   圆轨道上运行的卫星速度突 然增大 圆轨道上运行的卫星速度突 然减小   卫星所需的向心力F向=m  突然增大,此时的万有引力F引 =G 还未变化,导致G  <m ,万有引力不足以提供 卫星所需的向心力 卫星所需的向心力F向=m  突然减小,此时的万有引力F引 =G 还未变化,导致G  >m ,万有引力大于卫 星所需的向心力 第三章　万有引力定律 高中同步   卫星将做离心运动,向高轨道 变轨。卫星在高轨道上做圆 周运动的运行速度比在低轨 道上时的小 卫星将做近心运动,向低轨道 变轨。卫星在低轨道上做圆 周运动的运行速度比在高轨 道上时的大 第三章　万有引力定律 高中同步 3.飞船变轨对接问题 (1)低轨道飞船与高轨道空间站对接 如图甲所示,低轨道飞船通过合理加速,沿椭圆轨道(做离心运动)追上高轨道空间站,与其完 成对接。   (2)同一轨道飞船与空间站对接 如图乙所示,后面的飞船先减速降低运行高度,再加速提升运行高度,通过适当控制,使飞船追 上空间站时恰好具有与其相同的速度。 第三章　万有引力定律 高中同步 典例　质量为m的登月器与航天飞机连接在一起,随航天飞机绕月球做半径为3R(R为月球半 径)的圆周运动【1】。当它们运动到轨道的A点时,登月器被弹离,航天飞机速度变大,登月器速 度变小且仍沿原方向运动,随后登月器沿椭圆轨道登上月球表面的B点【2】,在月球表面逗留 一段时间后,经快速启动仍沿原椭圆轨道回到分离点A与航天飞机实现对接【3】,如图所示。 已知月球表面的重力加速度为g月。科学研究表明,天体在椭圆轨道上运行的周期的二次方与 轨道半长轴的三次方成正比。 (1)登月器与航天飞机一起在圆轨道上绕月球运行的周期是多少? (2)若登月器被弹离后,航天飞机的椭圆轨道的长轴为8R,为保证登月器能 顺利返回A点实现对接,则登月器可以在月球表面逗留的时间是多少? 第三章　万有引力定律 高中同步 信息提取    【1】登月器与航天飞机一起做匀速圆周运动,其向心力由万有引力提供。 【2】登月器运行的椭圆轨道的半长轴为 =2R。 【3】要完成对接,航天飞机和登月器需同时到达A点,此时航天飞机可能转过了一圈,也可能 转过了多圈。 思路点拨    (1)在月球表面,物体所受重力等于月球对它的万有引力【4】,列出关系式;登月器和 航天飞机一起做匀速圆周运动时,由万有引力提供向心力【5】,列出相关等式,求出圆周运动周期。 (2)对登月器和航天飞机分别应用开普勒第三定律【6】,求出航天飞机和登月器沿大、小椭圆 轨道运动的周期;结合题意,求登月器在月球表面的逗留时间。 第三章　万有引力定律 高中同步 解析    (1)对于月球表面的物体,有 mg月=G (由【4】得到) 设登月器和航天飞机在半径为3R的圆轨道上运行时的周期为T,有 G =m' ·3R(由【5】得到) 联立以上两式得 T=6π  (2)设登月器在小椭圆轨道运行的周期是T1,航天飞机在大椭圆轨道运行的周期是T2。 对登月器,有  = (由【2】【6】得到) 第三章　万有引力定律 高中同步 解得T1= T 对航天飞机,有  = (由【6】得到) 解得T2= T 为使登月器沿原椭圆轨道返回到分离点A与航天飞机对接,登月器在月球表面逗留的时间t应 满足:t=nT2-T1(n=1,2,3,…)(由【3】得到) 故t= nT- T=4π(4n- ) (n=1,2,3,…) 答案    (1)6π  (2)4π(4n- ) (n=1,2,3,…) 第三章　万有引力定律 高中同步 学科素养 题型破 讲解分析 　　天体“相遇”指两天体相距最近,以地球和行星“相遇”为例(“行星冲日”),某时刻行 星与地球最近,此时行星、地球与太阳三者共线且行星和地球的运转方向相同(图甲),根据  =mω2r可知,地球公转的速度较快,从初始时刻到之后“相遇”,地球与行星距离最小,三 者再次共线,有两种方法可以解决问题。   题型　天体的相遇问题 第三章　万有引力定律 高中同步 1.角度关系 ω1t-ω2t=n·2π(n=1,2,3,…)。 2.圈数关系 　     - =n(n=1,2,3,…) 　　解得t= (n=1,2,3,…) 　　同理,若两者相距最远(行星处在地球和太阳的延长线上)(图乙),有关系式 ω1t-ω2t=(2n-1)π(n=1,2,3,…) 或 - = (n=1,2,3,…)。 第三章　万有引力定律 高中同步 典例呈现 例题    (多选)地球恰好运行到火星和太阳之间,且三者几乎排成一条直线,此现象被称为 “火星冲日”。如图所示,火星和地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动,火 星与地球的公转轨道半径之比约为3∶2【1】,地球与火星的质量之比约为10∶1,地球与火星的 半径之比约为2∶1【3】,已知半径为R的球的体积V= 【2】,取 =2.45,根据以上信息结合生 活常识可知 (　    )   A.火星与地球的平均密度之比约为4∶5 B.火星与地球绕太阳运动的周期之比约为27∶8 C.火星与地球表面的重力加速度大小之比约为2∶5 D.相邻两次“火星冲日”的时间约为800天 第三章　万有引力定律 高中同步 信息提取    【1】根据 G =m r,结合半径关系,可获取周期与半径的表达式T=2π· , 进而计算周期之比。 【2】地球与火星均可看成均匀球体,可利用该公式计算体积。 【3】根据该信息结合【2】中体积,利用ρ= 计算密度。 思路点拨    构建天体做匀速圆周运动模型,分清轨道半径和星球半径,根据万有引力提供向 心力分析运动周期。对于星球表面重力加速度,不考虑自转可根据G =m0g分析计算【4】。 “火星冲日”满足地球与火星相距最近,表达式应为 t=2π【5】。 第三章　万有引力定律 高中同步 解析    根据 G =m r,得T=2π ,代入数据可知,火星与地球绕太阳运动的周期之比 约为3 ∶2 ,故B错误(根据【1】可得到);根据ρ= ,V= ,联立得ρ= ,代入数据可 知,火星与地球的平均密度之比约为4∶5,故A正确(根据【2】【3】可得到);根据G =m0g 可得g= ,代入数据可知,火星与地球表面的重力加速度大小之比约为2∶5,故C正确(根据 【3】【4】可得到);根据火星与地球绕太阳运动的周期之比约为 = ,已知地球的公转 周期为T地=1年,设经过时间t出现下一次“火星冲日”,则有 t=2π,解得t≈800天,故D 正确(根据【1】【5】可得到)。 第三章　万有引力定律 高中同步 答案    ACD 素养解读    把握好天体共线问题的规律是解题的关键。通过本题深化运动观念,提升学生的 综合分析、推理论证的科学思维能力。 第三章　万有引力定律 高中同步 $