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

该高中物理课件围绕宇宙速度和人造地球卫星展开，从古老飞天梦想导入，通过牛顿猜想及抛体问题链，建立匀速圆周运动模型推导第一宇宙速度，衔接第二、第三宇宙速度，形成从猜想、建模到应用的学习支架。 其亮点在于结合物理观念与科学思维，通过表格对比宇宙速度运动情况，同步卫星“六个一定”总结强化模型建构，融入中国航天历程培养科学态度与责任。多样化练习助学生深化理解，教师可高效开展教学。

必修二 4.宇宙航行 第七章 万有引力与宇宙航行 授课教师：YANG 1 古老的飞天梦想 嫦娥奔月 敦煌飞天壁画 万户飞天 新课引入 在楼顶上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？ 思考：如果被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？ 一、宇宙速度—思考 3 本资料来自于资源最齐全的２１世纪教育网www.21cnjy.com 牛顿的猜想 问题：物体初速度达到多大时就可以发射成为一颗人造卫星呢? 牛顿曾设想，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，则落点一次比一次远，如果速度足够大， 物体就不再落到地面上来，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。 一、宇宙速度—牛顿的猜想 (1)建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动 (2)基本思路：向心力由地球对卫星的万有引力提供 请计算：已知地球半径 R = 6400 km，地球质量 M = 6.0×1024 kg，卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？ 一、宇宙速度—第一宇宙速度 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 v = 7.9 km/s是物体在地面附近所必须具备的最小发射速度，也称最大环绕速度。 人造卫星的两个速度 发射速度(有动力)： 指被发射物体离开地面时的速度。 运行速度(无动力)： 指卫星在轨道上绕地球转动时的线速度 一、宇宙速度—第一宇宙速度 A v 1 发射速度 v = 7.9km/s，飞行器沿圆形轨道1绕地心做匀速圆周运动； 2 发射速度 v > 7.9km/s，且v < 11.2km/s飞行器沿轨道2做（椭圆轨道）运动； 3 发射速度 v 越大，轨道的远地点离地球就越远。 问题：若发射速度 v =11.2km/s 会怎样呢？ 在地面上发射火箭的速度如果是以下几种情况： 一、宇宙速度—第一宇宙速度 在地面上发射火箭的速度如果是以下几种情况： v A 4 当速度v>11.2km/s，飞行器将沿轨道4（蓝色虚线）运动，只是这个轨道的远地点在离地球无限远处，飞行器将脱离地球引力的束缚，永远离开地球，绕着太阳运动；我们把11.2km/s称为第二宇宙速度。 第二宇宙速度 2 1 3 第二宇宙速度也称为逃逸速度。 一、宇宙速度—第二宇宙速度 5 第三宇宙速度 如果物体的发射速度大于或等于16.7km/s时，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。这个速度叫第三宇宙速度。 第三宇宙速度也称为脱离速度。 一、宇宙速度—第三宇宙速度 在地面上发射火箭的速度如果是以下几种情况： 发射速度v 运动情况 v<7.9km/s 物体落回地面 v=7.9km/s 绕地球表面做匀速圆周运动 7.9km/s<v<11.2km/s 绕地球做椭圆运动 11.2km/s≤v<16.7km/s 物体绕太阳运动 16.7km/s≤v 物体飞出太阳系 一、宇宙速度—小结 【易错辨析】 （1）在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9 km/s。 （　√　） （2）如果在地面发射卫星的速度大于11.2 km/s，那么卫星会永远离开地 球。 （　√　） （3）要发射一颗人造月球卫星，在地面的发射速度应大于16.7 km/s。 （　×　） √ √ × 一、宇宙速度—练习 1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。 1970年4月24日，中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功。 中国航天之父——钱学森 二、人造地球卫星—引入 思考：卫星的环绕方式有很多种，以下三种都可能吗？ O 1 2 3 不可能 二、人造地球卫星—思考 （1）赤道轨道：轨道在赤道平面上，卫星在 赤道正上方（一般赤道轨道和同步轨道）。 （2）极地轨道：轨道平面与赤道平面垂直， 卫星通过两极上空。 （3）倾斜轨道：卫星轨道和赤道平面成一般夹角 极地轨道 倾斜轨道 同步轨道 一般赤道轨道 二、人造地球卫星—轨道特点 特点：轨道平面必过地心 1.人造卫星运动特点 （1）运动方式: 绕地球做匀速圆周运动 （2）原理：由地球对它的万有引力提供向心力 （3）轨道圆心：地球球心。 （4）轨道平面：轨道平面必过地心。 1.人造卫星运动特点 F引 二、人造地球卫星—运动特点 F万 = Fn 越远越慢 越远越小 F引 二、人造地球卫星—运动规律 2.人造卫星运动规律 3.近地卫星： 指卫星轨道半径近似等于地球半径，即贴近地表。 近地卫星具有： 最小轨道半径 最大绕行速度 最小绕行周期 M 近地卫星 V R=r 二、人造地球卫星—近地卫星 ①轨道平面一定：赤道平面 ③角速度一定：与地球自转角速度相同 ②运转方向一定:与地球自转一致 ④周期一定：T=24h ⑥速度大小一定：v=3.08km/s 同步卫星 六个一定 ⑤距地面高度一定:h=3.6××107m 二、人造地球卫星—同步(静止)卫星 4.地球同步(静止)卫星：绕地球做匀速圆周运动，周期与地球自转周期相同 T=24h固定，故角速度、线速度、公转半径均固定 同步卫星通常用作地球通讯，故也叫通信卫星。 4.地球同步(静止)卫星：绕地球做匀速圆周运动，周期与地球自转周期相同 T=24h固定，故角速度、线速度、公转半径均固定 二、人造地球卫星—同步(静止)卫星 5.近地卫星、同步(静止)卫星与赤道上物体的比较 项目 近地卫星 （r1、ω1、v1、a1） 静止卫星 （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 减去支持力 轨道 半径 r2＞r3＝r1 二、人造地球卫星—比较 项目 近地卫星 （r1、ω1、v1、a1） 静止卫星 （r2、ω2、v2、a2） 赤道上随地球自转的物 体（r3、ω3、v3、a3） 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 二、人造地球卫星—比较 项目 近地卫星 （r1、ω1、v1、a1） 静止卫星 （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a1＞a2 由an＝ω2r得a2＞a3 a1＞a2＞a3 二、人造地球卫星—比较 【易错辨析】 （1）地球同步卫星与地球自转的周期相同。 （　√　） （2）人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由火箭推力提供。 （　×　） （3）卫星绕地球运动的轨道半径越大，运行速度越大。 （　×　） √ × × 二、人造地球卫星—练习 苏联东方一号载人飞船进入太空，铸就人类首次进入太空的丰碑。 美国阿波罗登月，人类终于踏上了月球的表面。 2003年10月15日9时，我国神州五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。 中国空间站，能够保证太空科研工作的连续性和深入性。 三、载人航天与宇宙探索—标志事件 三、载人航天与宇宙探索—中国航天历程 宇宙航行 宇宙速度 第一宇宙速度 v＝ 7.9 km/s，最小发射速度，最大环绕速度 第二宇宙速度 v＝ 11.2 km/s，克服地球引力，永远离开地球 第三宇宙速度 v＝ 16.7 km/s，挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外 人造地球卫星 卫星轨道 赤道轨道、极地轨道、一般轨道 卫星分类 近地卫星、极地卫星、同步卫星等 课堂总结 【例1】　（宇宙速度的理解）如图所示，图中v1、v2和v3分别为第一、第 二和第三宇宙速度，三个飞行器A、B、C分别以第一、第二和第三宇宙速 度从地面上发射，三个飞行器中能够克服地球的引力，永远离开地球的是 （　D　） D A. 只有A B. 只有B C. 只有C D. B和C 解析：当发射的速度大于等于第二宇宙速度时，卫星会 挣脱地球的引力，不再绕地球飞行。当发射的速度大于等于第三宇宙速度时，卫星会挣脱太阳的引力束缚，飞出太阳系，故D正确。 课堂练习 【例2】　（第一宇宙速度的计算）（2025·江苏省镇江市高一期中）已知 地球半径为R，地球表面重力加速度为g，引力常量为G，不考虑地球自转 的影响（此时可认为重力与万有引力相等），地球视为均匀球体。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。求： （1）地球的质量M； 答案： 　 解析： 根据题意可知，在地球表面的物体重力等于其受到的万有引 力，则有G＝mg 解得M＝。 课堂练习 （2）第一宇宙速度的大小v1。 答案： 解析： 根据题意，由万有引力提供向心力有G＝m 又有G＝mg 联立解得v1＝。 课堂练习 【例3】　（第二宇宙速度的计算）为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，不计其他星 球的影响，则该星球的第二宇宙速度为（　A　） A. B. A C. D. 解析：由牛顿第二定律有m·g＝m，由题意可知v2＝v1，解得v2＝ ，A正确，B、C、D错误。 课堂练习 【例4】　（人造地球卫星的可能轨道）〔多选〕下面图中的四种虚线轨 迹，可能是人造地球卫星轨道的是（　ACD　） 解析：人造地球卫星靠地球对卫星的万有引力提供向心力而绕地球做匀速 圆周运动，地球对卫星的万有引力方向指向地心，所以人造地球卫星做圆 周运动的圆心是地心，因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重 合，否则不能做稳定的圆周运动，故A、C、D正确，B错误。 ACD 课堂练习 【例5】　（地球同步卫星）（2025·北京市西城区高一期中）关于地球同 步静止卫星，下列说法中正确的是（　D　） A. 地球同步静止卫星只是依靠惯性运动 B. 质量不同的地球同步静止卫星轨道高度不同 C. 质量不同的地球同步静止卫星线速度不同 D. 所有地球同步静止卫星的加速度大小相同 D 课堂练习 解析：地球同步静止卫星受到地球对其的万有引力，为其做圆周运动提供 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，所用同步静止卫星 的高度都一样，B错误；同理可得G＝m，G ＝ma，解得v＝，a＝，线速度、加速度大小也相等，C错 误，D正确。 课堂练习 【典例1】　〔多选〕如图，地球赤道上的山丘e、近地卫星p和同步卫星q 均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动。设e、p、q的圆周运动速率分别为 v1、v2、v3，向心加速度分别为a1、a2、a3，则（　AC　） A. v1＜v3＜v2 B. v3＜v2＜v1 C. a1＜a3＜a2 D. a3＜a2＜a1 AC 课堂练习 解析：根据卫星线速度和加速度计算公式v＝、a＝，近地卫星p和 同步卫星q满足轨道半径越大线速度和加速度越小。赤道上的山丘e和同步 卫星q周期相同，根据圆周运动公式v＝、a＝，轨道半径越大线速 度和加速度越大，综合以上分析可知，v1＜v3＜v2，a1＜a3＜a2，A、C正 确，B、D错误。 课堂练习 【典例2】　〔多选〕（2025·安徽省马鞍山市高一期中）如图所示同步卫 星离地心距离为r，运行速率为v1，加速度为a1，地球赤道上的物体随地球 自转的向心加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球的半径为R，则下列比值 中正确的是（　AD　） AD A. ＝ B. ＝ C. ＝ D. ＝ 课堂练习 解析：根据万有引力提供向心力，有G＝m，G＝m'，则有＝ ，故D正确，C错误；对于同步卫星和地球赤道上的物体，其共同点是 角速度相等，有a1＝ω2r，a2＝ω2R，则有＝，故A正确，B错误。 课堂练习 1. （宇宙速度的理解）关于三个宇宙速度，下列说法正确的是（　　） A. 第一宇宙速度大小为7.9 km/h B. 绕地球运行的卫星，其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 √ 课堂练习 解析： 　第一宇宙速度大小为7.9 km/s，选项A错误；根据G＝m， 可得v＝，绕地球运行的卫星的环绕半径大于地球的半径，则环绕速度 必定小于第一宇宙速度，选项B错误；第二宇宙速度为11.2 km/s，是飞行 器脱离地球的最小速度，选项C错误；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，选项D正确。 课堂练习 2. （第一宇宙速度的计算）2024年3月20日我国发射了绕月运行的鹊桥二 号中继星。设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面。已知月球的质量 约为地球质量的，月球的半径约为地球半径的，地球的第一宇宙速度约 为7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为（　　） A. 0.4 km/s B. 1.8 km/s C. 11 km/s D. 36 km/s √ 课堂练习 解析： 　由G＝m得v＝，又＝，＝，故月球和地球的第 一宇宙速度之比＝＝＝，故v月＝7.9× km/s≈1.8 km/s，故选B。 课堂练习 3. （人造卫星的运行规律）（2025· 河南省安阳市高一期末）我国的 “天宫”空间站位于距地面约400 km 高的近地轨道；北斗卫星导航系统，由5颗静止卫星、30颗非静止卫星等组成。若空间站和北斗系统的卫星均视为匀速圆周运动，则（　　） A. 空间站里的宇航员受到地球的引力为零 B. 空间站运行速度大于7.9 km/s C. 静止卫星离地球表面的高度都是一定的 D. 静止卫星可以经过安阳地区的正上空 √ 课堂练习 解析： 　空间站里的宇航员受到地球的引力不等于零，A错误；根据牛顿 第二定律得G＝m，解得v＝，绕地球运行的卫星的环绕半径大于 地球的半径，则到地心的距离r越大，速度越小，空间站运行速度小于7.9 km/s，B错误；根据牛顿第二定律得G＝m（R＋h），解得h＝ －R，静止卫星离地球表面的高度都是一定的，C正确；静止卫星不 会经过安阳地区的正上空，只能静止在赤道上空，D错误。 课堂练习 4. （人造卫星线速度大小的计算）月球探测器在月球背面着陆前绕月球飞 行，某段时间可认为绕月做匀速圆周运动。已知月球探测器做圆周运动的 半径为月球半径的K倍。已知地球半径R是月球半径的P倍，地球质量是月 球质量的Q倍，地球表面重力加速度大小为g。则月球探测器绕月球做圆周 运动的速率为（　　） A. B. C. D. √ 课堂练习 解析： 　由题意可知月球探测器绕月球做匀速圆周运动的轨道半径为r＝ ，设月球的质量为m月，地球的质量为m地，则m地＝Qm月，月球探测器绕 月球做匀速圆周运动的速率为v，月球探测器的质量为m，则一质量为m'的 物体在地球表面满足G＝m'g，而月球探测器绕月球做匀速圆周运动 满足G＝m，解得v＝，选项D正确。 课堂练习 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $