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

该高中物理学习任务单聚焦宇宙速度、人造卫星及卫星变轨核心内容，课前梳理第一宇宙速度推导及卫星分类，课中强化变轨分析与近地卫星、同步卫星、赤道物体比较，课后通过习题巩固，构建从基础概念到实际应用的学习支架。 特色在于融合物理观念与科学思维，以万有引力提供向心力为核心构建卫星运动模型，通过变轨问题培养科学推理能力。习题设计层次分明，课前基础推导、课中综合比较、课后拓展应用，助力学生深化运动与相互作用观念，提升解决天体运动问题的能力。

高中物理人教版必修第二册 第七章《万有引力与宇宙航行》 第4节 宇宙航行 学习任务单 课题 第4节 宇宙航行 学习目标 1.知道三个宇宙速度的含义，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.知道卫星变轨的原因，会分析卫星变轨前后的物理量变化. 学习活动：课前学习任务 知识点梳理 一、宇宙速度 1．第一宇宙速度 (1)第一宇宙速度的推导： 已知地球质量M和半径R，航天器在地面附近绕地球的运动可视为匀速圆周运动，地球对航天器的引力提供航天器做圆周运动所需的向心力，轨道半径r近似认为等于地球半径R，由＝m，可得v＝. (2)定义：航天器在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度7.9 km/s称为第一宇宙速度，也叫环绕速度． 2．第二宇宙速度 当发射速度大于等于11.2 km/s时，航天器会挣脱地球的引力绕太阳运动或飞向其他行星，人们将v＝11.2 km/s称为第二宇宙速度，又叫逃逸速度． 3．第三宇宙速度 当发射速度大于等于16.7 km/s时，航天器会挣脱太阳的引力，飞出太阳系，这一速度称为第三宇宙速度． 二、人造卫星 1．常见卫星按用途分类：常见卫星有通信卫星、测地卫星、气象卫星、科学卫星等． 2．北斗卫星导航系统由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统．静止轨道卫星又称为同步卫星，其轨道平面与赤道平面重合，并且位于赤道上空一定高度上． 课前练习 2021年1月20日，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，成功将“天通一号01星”卫星发射升空，卫星进入预定轨道。“天通一号01星”卫星是一颗用于广播和通信的地球静止轨道通信卫星，离地面的高度大约为地球半径的6倍。 问题：“天通一号01星”卫星的运行速度与第一宇宙速度之比大约为多少？ [解析]　设地球的半径为R，则“天通一号01星”卫星的轨道半径为7R。设地球的第一宇宙速度为v1，则有 G＝m ① 设“天通一号01星”卫星的运行速度为v2，则有 G＝m ② 解①②得v2∶v1＝1∶。 [答案]　1∶ 学习活动：课中学习任务 知识强化 （一）卫星变轨问题 （1）稳定运行 卫星绕天体稳定运行时，万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，即 。 （2）变轨运行 当卫星由于某种原因，其速度 突然变化时， 和 不再相等，会出现以下两种情况： ①当 时，卫星做近心运动； ②当 时，卫星做离心运动。 （二）近地卫星、同步卫星和赤道上物体 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，同步卫星的轨道半径较大。 （2）运行周期：同步卫星与赤道上物体的运行周期相同，由 可知，近地卫星的周期小于同步卫星的周期。 （3）向心加速度：由 知，同步卫星的加速度小于近地卫星的加速度。由 知，同步卫星的加速度大于赤道上物体的加速度。 （4）向心力：近地卫星和同步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。 2.地球同步卫星 （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，叫作地球同步卫星。 （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 。 ③确定的角速度：等于地球自转的角速度。 ④确定的轨道平面：所有的同步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 。 ⑥确定的环绕速率：线速度大小一定 。 课堂练习 1．(多选)关于近地卫星、同步卫星、赤道上的物体，以下说法正确的是(　　) A．都是万有引力等于向心力 B．赤道上的物体和同步卫星的周期、线速度大小、角速度都相等 C．赤道上的物体和近地卫星的线速度大小、周期都不相等 D．同步卫星的周期大于近地卫星的周期 2.在“嫦娥五号”任务中，有一个重要环节，轨道器和返回器的组合体(简称“甲”)与上升器(简称“乙”)要在环月轨道上实现对接．以便将月壤样品从上升器转移到返回器中，再由返回器带回地球．对接之前，甲、乙分别在各自的轨道上做匀速圆周运动．且甲的轨道半径比乙小．如图所示，为了实现对接，处在低轨的甲要抬高轨道．下列说法正确的是(　　) A．在甲抬高轨道之前，甲的线速度小于乙 B．甲可以通过增大速度来抬高轨道 C．在甲抬高轨道的过程中，月球对甲的万有引力逐渐增大 D．返回地球后，月壤样品的重量比在月球表面时大 3.2020年7月23日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器在海南文昌发射场用“长征五号”运载火箭成功发射，一步实现火星探测器的“绕、着、巡”。假设该火星探测器探测火星时，经历如图所示的变轨过程。关于该探测器的下列说法正确的是(　　) A．探测器在轨道Ⅱ上运动时，经过P点时的速度小于经过Q点时的速度 B．探测器在轨道Ⅱ上运动时，经过P点时的速度大于在轨道Ⅲ上运动时经过P点时的速度 C．探测器在轨道Ⅲ上运动到P点时的加速度大于探测器在轨道Ⅱ上运动到P点时的加速度 D．探测器在轨道Ⅰ上经过P点时的速度小于探测器在轨道Ⅱ上经过P点时的速度 课中学习任务答案 1.答案　CD 解析　赤道上的物体是由万有引力的一个分力提供向心力，A项错误；赤道上的物体和同步卫星有相同周期和角速度，但线速度大小不相等，B项错误；同步卫星和近地卫星有相同的中心天体，根据＝m＝mr得v＝，T＝2π，由于r同>r近，故v同<v近，T同>T近，D项正确；赤道上的物体、近地卫星、同步卫星三者间的周期关系为T赤＝T同>T近，根据v＝ωr可知v赤<v同，则线速度大小关系为v赤<v同<v近，故C项正确． 2.答案　BD 解析　对在圆轨道上运转的卫星，由＝m得：v＝∝，故v甲>v乙，A错误；甲需增大速度才能做离心运动，与高轨道上的乙对接，B正确；在甲抬高轨道的过程中，由F＝G知，r增大，F减小，C错误；地球表面的重力加速度约为月球表面重力加速度的6倍，故相同的物体在地球上重量大，D正确． 3.答案D　 [根据开普勒行星运动定律知探测器在椭圆轨道上运动时，在P点的速度大于在Q点的速度，故A错误；探测器往低轨道运动需要减速，故探测器在轨道Ⅱ上运动时经过P点时的速度小于在轨道Ⅲ上运动时经过P点时的速度，在轨道Ⅰ上经过P时的速度小于在轨道Ⅱ上经过P点时的速度，故B错误，D正确；不管在哪个轨道上，探测器在P点受到的万有引力是相等的，所以加速度相等，故C错误。] 学习活动：课后学习任务 1. 设某探月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 ，地球上的第一宇宙速度约为 ，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为( ) A. B. C. D. 2.1970年成功发射的“东方红一号”是我国第一颗人造地球卫星，该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运动．如图所示，设卫星在近地点、远地点的速度分别为v1、v2，近地点到地心的距离为r，地球质量为M，引力常量为G.则(　　) A．v1＞v2，v1＝ B．v1＞v2，v1＞ C．v1＜v2，v1＝ D．v1＜v2，v1＞ 3．2018年2月6日，马斯克的SpaceX“猎鹰”重型火箭将一辆跑车发射到太空，其轨道示意图如图中椭圆Ⅱ所示，其中A、C分别是近日点和远日点，图中Ⅰ、Ⅲ轨道分别为地球和火星绕太阳运动的圆轨道，B点为轨道Ⅱ、Ⅲ的交点，若运动中只考虑太阳的万有引力，则以下说法正确的是(　　) A．跑车经过A点时的速率大于火星绕日的速率 B．跑车经过B点时的加速度大小等于火星经过B点时的加速度大小 C．跑车在C点的速率一定大于火星绕日的速率 D．跑车在C点的速率一定小于火星绕日的速率 4．(多选)a、b、c、d四颗地球卫星，a还未发射，在地球赤道上随地球表面一起转动，向心加速度为a1，b处于地面附近近地轨道上，正常运行速度为v1，c是地球同步卫星，离地心距离为r，运行速度为v2，向心加速度为a2，d是高空探测卫星，各卫星排列位置如图所示，地球的半径为R，则有(　　) A．a的向心加速度等于重力加速度g B．d的运动周期有可能是20 h C.＝ D.＝ 课后学习任务答案 1.[解析]选 。星球的第一宇宙速度即为围绕星球做以该星球半径为轨道半径的圆周运动时的环绕速度，由万有引力提供向心力即可得出这一最大环绕速度。由 ，得 ，又由 、 可知，月球和地球上第一宇宙速度之比 ，故 ， 正确。 2.答案　B 解析　根据开普勒第二定律知，v1>v2，在近地点画出近地圆轨道，由＝可知，过近地点做匀速圆周运动的速度为v＝，由于“东方红一号”在椭圆轨道上运动，所以v1>，故B正确． 3.答案　ABD 4.答案　CD 解析　地球同步卫星c与地球自转的角速度和周期相同，则知a与c的角速度相同，根据a＝ω2r，知c的向心加速度大，由ma＝G，得a＝，卫星的轨道半径越大，向心加速度越小，则地球同步卫星的向心加速度小于b的向心加速度，而b的向心加速度约为g，故知a的向心加速度小于重力加速度g，故A错误；由G＝mr，则T＝2π，所以卫星的轨道半径越大，运动周期越大，所以d的运动周期大于c的运动周期，即大于24 h，故B错误；a、c的角速度相同，由a＝ω2r知＝，故C正确；根据G＝m，解得v＝ ，则得＝，故D正确． 学科网（北京）股份有限公司 $