第5章 第2讲 人造卫星 宇宙速度-【优化探究】2027年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（江苏专版）

该高中物理高考复习课件聚焦“人造卫星 宇宙速度”专题，依据高考评价体系梳理卫星运行参量分析、静止卫星特点、宇宙速度理解三大核心考点，通过真题统计明确卫星参量比较和第一宇宙速度计算为高频考点，归纳参量关系判断、卫星类型辨析等常考题型，体现备考针对性。 课件亮点在于高考真题深度融合与科学思维培养，如以2025重庆卷“金星凌日”题为例，结合几何关系与万有引力定律，培养模型建构和科学推理素养，针对近地与同步卫星参量比较总结“轨道半径决定论”突破难点，助力学生掌握解题技巧，为教师提供精准复习指导。

第2讲　人造卫星　宇宙速度 第五章　万有引力与航天 1 [学习目标]　1.会比较卫星运行的各物理量之间的关系。2.掌握静止卫星的特点。3.理解三种宇宙速度，并会求解第一宇宙速度的大小。 2 考点一　卫星运行参量的分析 考点二　静止卫星 考点三　宇宙速度 内容索引 3 考点一　卫星运行参量的分析 一 4 1.卫星运行参量随轨道半径变化的规律 规律越高越慢 盘点 核心知识 2.“黄金代换式”的应用 忽略中心天体自转的影响，则有mg＝G，整理可得__________。在引力常量G和中心天体质量M未知时，可用gR2替换GM。 GM＝gR2 3.人造卫星轨道及特点 (1)轨道：赤道轨道、极地轨道及一般轨道，如图所示。 (2)轨道特点：轨道圆心是地球的球心。 4.常见的几种人造卫星 (1)地球同步卫星：离地高度约36 000 km，周期与_________________，即T＝__________。  (2)静止卫星：地球同步卫星中轨道平面与__________共面，且与地球自转的方向相同的卫星。 (3)极地卫星：运行时每圈都经过南北两极。由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖。 (4)近地卫星：轨道在__________附近的卫星，其轨道半径r＝R(地球半径)，运行速度等于第一宇宙速度v＝7.9 km/s(人造地球卫星的最大圆轨道运行速度)，T＝85 min(人造地球卫星的最小周期)。 特别提醒：近地卫星可能为极地卫星，也可能为赤道卫星。 地球自转周期相同 24 h 赤道平面 地球表面 [判断正误] 1.同一中心天体质量不同的两颗行星，若轨道半径相同，速率不一定相 同。(　　) 2.地球静止卫星根据需要可以定点在北京正上空。(　　) 3.不同的同步卫星的质量不一定相同，但离地面的高度是相同的。(　　) × × √ [典例1]　在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星a、b、c、 d，其中a、c的轨道相交于P，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上。某时刻四颗卫星的位置及运行方向如图所示。下列说法正确的是(　　) A.a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度 B.b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度 C.a、c的线速度大小相等，且小于d的线速度 D.b、d的周期相同，且小于c的周期 A 提升 关键能力 [解析]　根据G＝ma可得，人造卫星的加速度 大小为a＝，由题可知，卫星a、c的轨道半径 相等，且小于b的轨道半径，则a、c的加速度大 小相等，且大于b的加速度，故A正确；根据G＝mω2r可得，人造卫星的角速度为ω＝，由于卫星a、c的轨道半径相等，且小于b的轨 道半径，则a、c的角速度大小相等，且大于b的角速度，故B错误； 根据G＝m可得，人造卫星的线速度为v＝ ，由于卫星a、c的轨道半径相等，且小于d 的轨道半径，所以a、c的线速度大小相等，且大 于d的线速度，故C错误；根据开普勒第三定律有＝k，由于卫星b、d的轨道半径相等，且大于c的轨道半径，则b、d的周期相同，且大于c的周期，故D错误。 [典例2]　(2025·重庆卷)“金星凌日”时，从地球上看， 金星就像镶嵌在太阳表面的小黑点。在地球上间距为d的两 点同时观测，测得金星在太阳表面的小黑点相距为L，如图 所示。地球和金星绕太阳的运动均视为匀速圆周运动，太 阳直径远小于金星的轨道半径，则地球和金星绕太阳运动 的(　　) A.轨道半径之比为 B.周期之比为 C.线速度大小之比为 D.向心加速度大小之比为()2 D [解析]　太阳直径远小于金星的轨道半径，太阳直径忽略 不计，根据题意结合几何知识可知地球和金星绕太阳运 动的轨道半径之比为，故A错误；根据万有引 力提供向心力有＝m()2r＝m＝ma，解得T＝， v＝，a＝，故可得周期之比为，线速 度大小之比为，向心加速度大小之比为＝()2，故B、C错误，D正确。 [典例3]　三颗人造地球卫星A、B、C处于不同的轨道上做匀速圆周运 动，如图所示。下列说法正确的是(　　) A.三颗卫星的线速度大小vA＜vB＜vC B.三颗卫星所受地球引力的大小一定是FA＞FB＞FC C.三颗卫星的向心加速度大小aA＞aB＞aC D.三颗卫星的运动周期大小TA＞TB＞TC C [解析]　由万有引力定律及向心力公式可得v＝，a＝，T＝，因为rA＜rB＜rC，所以有vA＞vB＞vC，aA＞aB＞aC，TA＜TB＜TC；因为不明确三颗人造地球卫星的质量关系，所以无法确定卫星所受地球引力的大小关系。综上可知C正确。 1.北斗卫星导航系统第三颗组网卫星(简称“三号卫星”)的工作轨道为地球同步轨道，设地球半径为R，“三号卫星”的离地高度为h，则关于地球赤道上静止的物体、地球近地环绕卫星和“三号卫星”的有关物理 量，下列说法正确的是(　　) A.近地卫星与“三号卫星”的周期之比为 B.近地卫星与“三号卫星”的角速度之比为＝()2 C.赤道上的物体与“三号卫星”的线速度大小之比为 D.赤道上的物体与“三号卫星”的向心加速度大小之比为＝()2 教参独具 A 解析：由万有引力提供向心力可得＝mr＝mω2r，解得ω＝，T＝2π，所以近地卫星与“三号卫星”的周期和角速度之比分别为，故A正确，B错误；“三号卫星”为同步卫星，其周期与地球自转周期相同，即赤道上的物体与“三号卫星”的角速度相等，根据v＝ωr可知，赤道上的物体与“三号卫星”的线速度大小之比为，故C错误；根据a＝ω2r可知，赤道上物体与“三号卫星”的向心加速度大小之比为，故D错误。 考点二　静止卫星 二 19 近地卫星、静止卫星及赤道上物体的比较 如图所示，a为近地卫星，运动半径为r1；b为静止卫星，运动半径为r2；c为赤道上随地球自转的物体，运动半径为r3。 盘点 核心知识 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 万有引力的一个分力 轨道 半径 r2＞r1＝r3 角速度 由G＝mω2r得ω＝，故ω1＞ω2 静止卫星的角速度与地球自转角速度相同，故ω2＝ω3 ω1＞ω2＝ω3 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＝rω得v2＞v3 v1＞v2＞v3 向心加 速度 由G＝ma得a＝，故a1＞a2 由a＝ω2r得a2＞a3 a1＞a2＞a3 考向1　静止卫星的特点 [典例4]　(2026·河南洛阳模拟)2025年9月24日，第四届北斗规模应用国际峰会在湖南株洲开幕。其中北斗三号系统包括5颗静止轨道卫星和25颗非静止轨道卫星，为全球提供定位和通信服务。静止轨道卫星是轨道倾角(轨道平面和赤道平面的夹角)为零的圆形地球同步卫星。假设第5号非静止轨道卫星离地高度与静止轨道卫星相同，但轨道平面和赤道平面的夹角为30°，自西南向东北绕地球运行。下列说法正确的是 (　　) A.5颗静止轨道卫星在任一时刻的线速度是相同的 B.第5号非静止轨道卫星的发射速度大小约为7.9 km/s C.静止轨道卫星每天都要准时经过首都北京的正上方 D.第5号非静止轨道卫星的运行周期与地球自转周期相同 D 提升 关键能力 [解析]　静止轨道卫星的轨道半径相同，线速度大小相等，但方向不同(分布在赤道不同经度)，因此线速度矢量不同，故A错误；7.9 km/s是第一宇宙速度(近地轨道运行速度)，发射到更高轨道需更大能量，所以发射速度应大于7.9 km/s，故B错误；静止轨道卫星位于赤道上空固定点，北京不在赤道上，因此卫星不会经过北京正上方，故C错误；第5号非静止轨道卫星与静止轨道卫星离地高度相同，其运行周期与地球自转周期相同，故D正确。 考向2　近地卫星、静止卫星及赤道上物体的比较 [典例5]　(2026·广东深圳模拟)如图所示， a为静止在赤道上的物体，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。以地心为参考系，关于它们的向心加速度和线速度，下列描述正确的是(　　) A.aa＝ab＞ac　　　　　 B.ac＞ab＞aa C.vc＞vb＞va D.vb＞vc＞va D [解析]　根据G＝ma得a＝，由于rb＜rc，则ab＞ac，根据an＝rω2，ωa＝ωc，ra＜rc可得aa＜ac，所以ab＞ac＞aa，故A、B错误；根据G＝m得v＝，由于rb＜rc，则vb＞vc，根据v＝rω，ωa＝ωc，ra＜rc可得va＜vc，所以vb＞vc＞va，故C错误，D正确。 2.如图所示，P是纬度为θ的地球表面上一点，人造地球卫星A、B均做匀速圆周运动，卫星B为地球赤道同步卫星。某时刻P、A、B与地心O在同一平面内，其中O、P、A在一条直线上，且∠OAB＝90°。下列说法 正确的是(　　) A.P点物体的向心加速度小于卫星A的向心加速度 B.卫星A、B与P点均绕地心做匀速圆周运动 C.卫星A、B的线速度之比为 D.卫星A、B的周期之比为 教参独具 A 解析：因为∠OAB＝90°，所以OB大于OA，即卫 星B做匀速圆周运动的半径大于卫星A做匀速圆周 运动的半径，由万有引力提供向心力得＝ mω2r，可得ω＝，则ωB＜ωA，又ωP＝ωB，所以ωP＜ωA，由rP＜rA，a＝ω2r可得aP＜aA，故A正确；卫星A、B绕地心做匀速圆周运动，P点运动的圆轨迹与地轴线垂直，圆心在图中O点正上方，故B错误；由万有引力提供向心力得，可得v＝，又＝cos θ，可得卫 星A、B的线速度之比为，故C错 误；由万有引力提供向心力得＝mr，可得 T＝，可得卫星A、B的周期之比为 ，故D错误。 考点三　宇宙速度 三 30 1.宇宙速度 (1)第一宇宙速度 ①第一宇宙速度是物体在__________附近绕地球做匀速圆周运动时的速度，其数值为__________ km/s。 对应的周期Tmin≈85 min，是最短周期。 ②第一宇宙速度是人造卫星的最小__________速度，也是人造卫星的最大__________速度。 地球 7.9 发射 环绕 盘点 核心知识 ③第一宇宙速度的计算方法 由G＝m得v＝； 由mg＝m得v＝。 (2)第二宇宙速度 使物体挣脱__________引力束缚的最小发射速度，其数值为 __________ km/s。 (3)第三宇宙速度 使物体挣脱__________引力束缚的最小发射速度，其数值为 __________ km/s。 地球 11.2 太阳 16.7 2.宇宙速度与运动轨迹的关系 (1)当v发＝7.9 km/s时，卫星绕地 球做匀速圆周运动。 (2)当7.9 km/s＜v发＜11.2 km/s时， 卫星绕地球运动的轨迹为椭圆。 (3)当11.2 km/s≤v发＜16.7 km/s时， 卫星绕太阳做椭圆运动。 (4)当v发≥16.7 km/s时，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。 [判断正误] 1.被发射的物体的质量越大，第一宇宙速度越大。(　　) 2.地球的第一宇宙速度是由地球的质量和半径决定的。(　　) 3.以第二宇宙速度发射卫星可以到达月球。(　　) × √ × [典例6]　(2024·湖南卷改编)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(　　) 提升 关键能力 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是地球第一宇宙速度倍 C.其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的 倍 D.其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的 倍 [答案]　D [解析]　返回舱在该绕月轨道上运动时万有引力提供向心力，且返回舱绕月运行的轨道为圆轨道，半径近似为月球半径，则有G＝m，其中在月球表面万有引力和重力的关系为G＝mg月，联立解得v月＝，由于第一宇宙速度为近地卫星的环绕速度，同理可得v地＝，代入题中数据可得v月＝v地，故A、B错误；根据线速度和周期的关系有T＝，根据以上分析可得T月＝T地，故C错误，D正确。 　人教版必修第二册第七章第4节练习与应用第4题： 金星的半径是地球半径的95%，质量为地球质量的82%，金星表面的自由落体加速度是多大？金星的“第一宇宙速度”是多大？ [答案]　8.9 m/s2　7.3 km/s [衔接分析]　都是利用地球的第一宇宙速度求其他天体的第一宇宙速度。高考题中月球表面重力加速度与地球重力加速度的关系直接给出，而教材练习题需要先根据半径关系和质量关系求出重力加速度的关系，所以高考题较容易一些，可看成教材习题的改编。 考教衔接 [典例7]　(2026·江苏泰州模拟)如图所示为 教材中关于“天体运行中三个宇宙速度”的 插图。关于①②③④轨道，下列说法正确的 是(　　) A.轨道①对应的速度是卫星绕地球运行所需 的最大发射速度 B.轨道①对应的速度是圆轨道卫星的最大环 绕速度 C.轨道②上卫星单位时间扫过的面积等于轨道③上卫星单位时间扫过的面积 D.卫星沿轨道④运动，将脱离太阳引力的束缚，飞出太阳系 B [解析]　轨道①对应的速度是卫星绕地球运行所需的最小发射速度，最大环绕速度，故A错误，B正确；根据开普勒第二定律可知，同一轨道上某一卫星在相等时间内扫过的面积相等，而不同轨道上相同时间内扫过的面积不一定相等，故C错误；卫星沿轨道④运动，将脱离地球引力的束缚，但没有飞出太阳系，故D错误。 3.科学研究表明，当天体的逃逸速度(逃逸速度为其第一宇宙速度的 倍)大于光速时，该天体就是黑洞。已知某天体与地球的质量之比为k， 地球的半径为R，地球的环绕速度(第一宇宙速度)为v1，光速为c，则要 使该天体成为黑洞，其半径应小于(　　) A.　　　　　　 B. C. D. 教参独具 D 解析：地球的第一宇宙速度v1＝，则天体的第一宇宙速度为v1'＝，要使该天体成为黑洞，应有v1'＞c，联立解得r＜，所以D正确，A、B、C错误。 $