资源简介

(共38张PPT)
第四章
曲线运动与万有引力定律
第5讲　天体运动与人造卫星　牛顿力学的局限性
内容索引
学习目标
核心体系
活动方案
学 习 目 标
1. 会推导第一宇宙速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度.2. 理解同步卫星的特点，会分析近地卫星、赤道上物体及同步卫星的运行等问题.3. 知道牛顿力学的局限性，初步了解相对论时空观．
核 心 体 系
活 动 方 案
活动一　理解宇宙速度及其与运动轨迹的关系
[2025扬州期中]2025年2月11日17时30分，我国在文昌航天发射场成功将卫星互联网低轨02组卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功，卫星(　　)
A. 发射速度大于第一宇宙速度小于第二宇宙速度
B. 发射速度大于第二宇宙速度小于第三宇宙速度
C. 发射速度大于第三宇宙速度
D. 在工作轨道上运行速度大于7.9 km/s
1
A
【解析】 卫星进入地球轨道需达到第一宇宙速度(7.9 km/s)，但未脱离地球引力，故发射速度介于第一和第二宇宙速度(11.2 km/s)之间，故A正确，B、C错误；第一宇宙速度是近地轨道的最大环绕速度，轨道半径越大，速度越小，低轨卫星轨道高于近地轨道，运行速度小于 7.9 km/s，故D错误．
1. 第一宇宙速度的推导．
3. 第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，是物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度．
4. 第三宇宙速度v3＝16.7 km/s，是物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度．
最小
最大
若在地面上沿水平方向直接发射一飞行器，如果发射速度大于7.9 km/s，小于11.2 km/s，(不计空气阻力)则它将(　　)
A. 围绕地球做圆周运动
B. 围绕地球做椭圆运动
C. 挣脱地球的束缚绕太阳运动
D. 挣脱太阳的束缚飞离太阳系
1
【解析】 7.9 km/s是地球的第一宇宙速度，11.2 km/s是地球的第二宇宙速度；在地面上沿水平方向直接发射一飞行器，发射速度介于这两者之间，飞行器将围绕地球做椭圆运动．故B正确．
B
宇宙速度与运动轨迹的关系
1. v发＝7.9 km/s时，卫星绕地球表面做____________.
2. 7.9 km/s3. 11.2 km/s≤v发＜16.7 km/s，卫星绕太阳运动的轨迹为椭圆.
4. v发≥16.7 km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间.
圆周运动
椭圆
[2025扬州期末]2025年5月29日，我国成功发射了天问二号探测器，对小行星2016HO3进行伴飞、采样并返回.2016HO3是一颗公转周期与地球几乎相等的小行星．如图所示，A点为轨迹相交点，不考虑小行星与地球之间的引力，下列说法正确的是(　　)
2
A. 小行星与地球经过A点时加速度相同
B. 小行星在远离太阳过程中速度增大
C. 小行星绕太阳公转周期约为24 h
D. 探测器的发射速度等于第一宇宙速度
A
活动二　理解人造卫星的运行特征
一、地球同步卫星
[2025南京模拟预测]如图所示，人造地球卫星A、B均做匀速圆周运动且轨道半径相等，卫星B的运行周期为24 h，下列说法正确的是(　　)
2
A. A、B均为地球静止卫星
B. A的运行速度小于第一宇宙速度
C. A、B动能一定相等
D. A在轨道上受到的地球引力比在地面上时大
B
地球同步卫星和地球静止卫星
地球同步卫星位于地面上方高度约36 000 km处，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°角，运动方向与地球自转方向相同．因其相对地面静止，也称静止卫星．
[2025南通阶段练习]天启星座是我国首个正在建设的低轨卫星物联网星座，这些卫星做圆周运动的周期大约为100 min，则关于这些卫星，说法正确的是(　　)
A. 线速度可能大于7.9 km/s
B. 角速度小于地球同步卫星的角速度
C. 加速度大于地球同步卫星的加速度
D. 所需的向心力一定大于地球同步卫星所需的向心力
3
C
二、三物体物理量的比较
[2025无锡期中]如图所示，a为放在赤道上相对地球静止的物体，随地球自转做匀速圆周运动，b为在地球表面附近做匀速圆周运动的人造卫星(轨道半径约等于地球半径)，c为地球静止卫星．下列关于a、b、c的说法中正确的是(　　)
3
A. b卫星的线速度大于7.9 km/s
B. c卫星的向心加速度最小
C. a、b做匀速圆周运动的周期相同
D. 在b、c中，b的线速度大
D
近地卫星、地球静止卫星及赤道上物体的比较
如图所示，a为近地卫星，轨道半径为r1；b为地球静止卫星，轨道半径为r2；c为赤道上随地球自转的物体，轨道半径为r3.
比较 项目 近地卫星(r1、ω1、v1、a1) 地球静止卫星(r2、ω2、v2、a2) 赤道上随地球自转的物体(r3、ω3、v3、a3)
向心力来源 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 ω1＞ω2＝ω3
线速度 v1＞v2＞v3
向心加速度 a1＞a2＞a3
三、卫星的变轨和对接
[2026苏州阶段练习]神舟十九号载人飞船与核心舱对接过程的示意图如图所示，飞船从圆轨道Ⅰ，通过变轨后，沿椭圆轨道Ⅱ由A处运动到B处，与沿圆轨道Ⅲ运行的核心舱对接，对接后的组合体继续在圆轨道Ⅲ上运行．在上述过程中，飞船(　　)
4
A. 在B处与核心舱对接前后的加速度相等
B. 由轨道Ⅱ变轨到轨道Ⅲ，需在B处减速
C. 在轨道Ⅰ上A处的速度小于在轨道Ⅲ上B处的速度
D. 在轨道Ⅱ上由A到B的时间大于在轨道Ⅲ上运行周期的一半
A
卫星的变轨和对接
1. 变轨原理
(3) 在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ.
2. 对接
航天飞船与宇宙空间站的“对接”实际上就是两个做匀速圆周运动的物体追及问题，本质仍然是卫星的变轨运行问题．
如图所示为卫星发射过程的示意图，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再一次点火，将卫星送入圆轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法中正确的是(　　)
5
A. 卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
B. 卫星在轨道3上的周期大于在轨道2上的周期
C. 卫星在轨道1上经过Q点时的速率大于它在轨道2上经过Q点时的速率
D. 卫星在轨道2上经过P点时的加速度小于它在轨道3上经过P点时的加速度
B
变轨过程中相关物理量的比较
卫星运行的轨道如图所示：
1. 速度关系：在A点加速：vⅡA_____vⅠ，在B点加速：vⅢ_____vⅡB，即vⅡA_____vⅠ_____vⅢ_____vⅡB.
2. (向心)加速度关系：aⅢ_____aⅡB，aⅡA_____aⅠ.
3. 周期关系：TⅠ_____TⅡ_____TⅢ.
4. 机械能：EⅠ_____EⅡ_____EⅢ.
＞
＞
＞
＞
＞
＝
＝
＜
＜
＜
＜
活动三　知道牛顿力学的局限性，初步了解相对论时空观
[2026苏州阶段练习]真空中光速为c，如图所示为一车厢，向右做匀速直线运动，v＝0.9c，车厢内中心有一光源，车厢内可视为真空．在地面上的观察者看来，光源发出的闪光(　　)
6
A. 同时到达车厢前壁和后壁
B. 先到达前壁
C. 不会到达前壁和后壁
D. 先到达后壁
D
【解析】 对于地面上的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些．他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁．D正确．
[2025南通模拟]一艘飞船静止时船身长为L，它以0.2c(c是光速)的速度沿船身方向飞行越过地球，飞船与地面通过电磁波信号相互联络．则(　　)
A. 飞船上观测者测得飞船长度大于L
B. 地面上观测者测得飞船长度小于L
C. 飞船上观测者测得来自地面电磁波信号的速度大于c
D. 地面上观测者测得来自飞船电磁波信号的速度小于c
7
B
相对论的两个效应
谢谢观看
Thank you for watching第5讲　天体运动与人造卫星　牛顿力学的局限性
学习目标　1. 会推导第一宇宙速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度．2. 理解同步卫星的特点，会分析近地卫星、赤道上物体及同步卫星的运行等问题.3. 知道牛顿力学的局限性，初步了解相对论时空观．
活动一 理解宇宙速度及其与运动轨迹的关系
1 [2025扬州期中]2025年2月11日17时30分，我国在文昌航天发射场成功将卫星互联网低轨02组卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功，卫星(　　)
A. 发射速度大于第一宇宙速度小于第二宇宙速度
B. 发射速度大于第二宇宙速度小于第三宇宙速度
C. 发射速度大于第三宇宙速度
D. 在工作轨道上运行速度大于7.9 km/s
1. 第一宇宙速度的推导．
(1) 方法一：由G＝m，得v1＝＝ m/s≈7.9×103 m/s.
(2) 方法二：由mg＝m得v1＝＝ m/s≈7.9×103 m/s.
2. 第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球做圆周运动的________发射速度、________运行速度，运行周期最短为Tmin＝2π×＝2πs≈5 075 s≈85 min.也是近地卫星的周期．
3. 第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，是物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度．
4. 第三宇宙速度v3＝16.7 km/s，是物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度．
即时训练1 若在地面上沿水平方向直接发射一飞行器，如果发射速度大于7.9 km/s，小于11.2 km/s，(不计空气阻力)则它将(　　)
A. 围绕地球做圆周运动
B. 围绕地球做椭圆运动
C. 挣脱地球的束缚绕太阳运动
D. 挣脱太阳的束缚飞离太阳系
宇宙速度与运动轨迹的关系
1. v发＝7.9 km/s时，卫星绕地球表面做______________.
2. 7.9 km/s3. 11.2 km/s≤v发＜16.7 km/s，卫星绕太阳运动的轨迹为椭圆.
4. v发≥16.7 km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间.
即时训练2 [2025扬州期末]2025年5月29日，我国成功发射了天问二号探测器，对小行星2016HO3进行伴飞、采样并返回.2016HO3是一颗公转周期与地球几乎相等的小行星．如图所示，A点为轨迹相交点，不考虑小行星与地球之间的引力，下列说法正确的是(　　)
A. 小行星与地球经过A点时加速度相同
B. 小行星在远离太阳过程中速度增大
C. 小行星绕太阳公转周期约为24 h
D. 探测器的发射速度等于第一宇宙速度
活动二 理解人造卫星的运行特征
一、 地球同步卫星
2 [2025南京模拟预测]如图所示，人造地球卫星A、B均做匀速圆周运动且轨道半径相等，卫星B的运行周期为24 h，下列说法正确的是(　　)
A. A、B均为地球静止卫星
B. A的运行速度小于第一宇宙速度
C. A、B动能一定相等
D. A在轨道上受到的地球引力比在地面上时大
地球同步卫星和地球静止卫星
地球同步卫星位于地面上方高度约36 000 km处，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°角，运动方向与地球自转方向相同．因其相对地面静止，也称静止卫星．
即时训练3 [2025南通阶段练习]天启星座是我国首个正在建设的低轨卫星物联网星座，这些卫星做圆周运动的周期大约为100 min，则关于这些卫星，说法正确的是(　　)
A. 线速度可能大于7.9 km/s
B. 角速度小于地球同步卫星的角速度
C. 加速度大于地球同步卫星的加速度
D. 所需的向心力一定大于地球同步卫星所需的向心力
二、 三物体物理量的比较
3 [2025无锡期中]如图所示，a为放在赤道上相对地球静止的物体，随地球自转做匀速圆周运动，b为在地球表面附近做匀速圆周运动的人造卫星(轨道半径约等于地球半径)，c为地球静止卫星．下列关于a、b、c的说法中正确的是(　　)
A. b卫星的线速度大于7.9 km/s
B. c卫星的向心加速度最小
C. a、b做匀速圆周运动的周期相同
D. 在b、c中，b的线速度大
近地卫星、地球静止卫星及赤道上物体的比较
如图所示，a为近地卫星，轨道半径为r1；b为地球静止卫星，轨道半径为r2；c为赤道上随地球自转的物体，轨道半径为r3.
比较项目 近地卫星 (r1、ω1、v1、a1) 地球静止卫星 (r2、ω2、v2、a2) 赤道上随地球自转的物体(r3、ω3、v3、a3)
向心力来源 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 ω1＞ω2＝ω3
线速度 v1＞v2＞v3
向心加速度 a1＞a2＞a3
三、 卫星的变轨和对接
4 [2026苏州阶段练习]神舟十九号载人飞船与核心舱对接过程的示意图如图所示，飞船从圆轨道Ⅰ，
通过变轨后，沿椭圆轨道Ⅱ由A处运动到B处，与沿圆轨道Ⅲ运行的核心舱对接，对接后的组合体继续在圆轨道Ⅲ上运行．在上述过程中，飞船(　　)
A. 在B处与核心舱对接前后的加速度相等
B. 由轨道Ⅱ变轨到轨道Ⅲ，需在B处减速
C. 在轨道Ⅰ上A处的速度小于在轨道Ⅲ上B处的速度
D. 在轨道Ⅱ上由A到B的时间大于在轨道Ⅲ上运行周期的一半
卫星的变轨和对接
1. 变轨原理
(1) 为了节省能量，在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道Ⅰ上，卫星在轨道Ⅰ上做匀速圆周运动，有G＝m，如图所示．
(2) 在A点(近地点)点火加速，由于速度变大，所需向心力变大，G＜m，即万有引力不足以提供卫星在轨道Ⅰ上做圆周运动所需要的向心力，卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ.
(3) 在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ.
2. 对接
航天飞船与宇宙空间站的“对接”实际上就是两个做匀速圆周运动的物体追及问题，本质仍然是卫星的变轨运行问题．
5 如图所示为卫星发射过程的示意图，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再一次点火，将卫星送入圆轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法中正确的是(　　)
A. 卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
B. 卫星在轨道3上的周期大于在轨道2上的周期
C. 卫星在轨道1上经过Q点时的速率大于它在轨道2上经过Q点时的速率
D. 卫星在轨道2上经过P点时的加速度小于它在轨道3上经过P点时的加速度
变轨过程中相关物理量的比较
卫星运行的轨道如图所示：
1. 速度关系：在A点加速：vⅡA________vⅠ，在B点加速：vⅢ________vⅡB，即vⅡA________vⅠ________vⅢ________vⅡB.
2. (向心)加速度关系：aⅢ________aⅡB，aⅡA________aⅠ.
3. 周期关系：TⅠ________TⅡ________TⅢ.
4. 机械能：EⅠ________EⅡ________EⅢ.
活动三 知道牛顿力学的局限性，初步了解相对论时空观
6 [2026苏州阶段练习]真空中光速为c，如图所示为一车厢，向右做匀速直线运动，v＝0.9c，车厢内中心有一光源，车厢内可视为真空．在地面上的观察者看来，光源发出的闪光(　　)
A. 同时到达车厢前壁和后壁
B. 先到达前壁
C. 不会到达前壁和后壁
D. 先到达后壁
7 [2025南通模拟]一艘飞船静止时船身长为L，它以0.2c(c是光速)的速度沿船身方向飞行越过地球，飞船与地面通过电磁波信号相互联络．则(　　)
A. 飞船上观测者测得飞船长度大于L
B. 地面上观测者测得飞船长度小于L
C. 飞船上观测者测得来自地面电磁波信号的速度大于c
D. 地面上观测者测得来自飞船电磁波信号的速度小于c
相对论的两个效应
1. 时间延缓效应：运动的时钟会变慢，即Δt＝.
2. 长度收缩效应：运动长度会收缩，即l＝l0.
第5讲　天体运动与人造卫星　牛顿力学的局限性
【活动一】
例 1
A　卫星进入地球轨道需达到第一宇宙速度(7.9 km/s)，但未脱离地球引力，故发射速度介于第一和第二宇宙速度(11.2 km/s)之间，故A正确，B、C错误；第一宇宙速度是近地轨道的最大环绕速度，轨道半径越大，速度越小，低轨卫星轨道高于近地轨道，运行速度小于7.9 km/s，故D错误．
总结提升：2 最小　最大
即时训练1 B　7.9 km/s是地球的第一宇宙速度，11.2 km/s是地球的第二宇宙速度；在地面上沿水平方向直接发射一飞行器，发射速度介于这两者之间，飞行器将围绕地球做椭圆运动．故B正确．
总结提升：1 圆周运动　2 椭圆
即时训练2 A　根据G＝ma，可得a＝，小行星与地球经过A点时加速度相同，A正确；根据开普勒第二定律可知，小行星在远离太阳过程中速度减小，B错误；2016HO3公转周期与地球几乎相等，可知小行星绕太阳公转周期约为1年，C错误；发射探测器要脱离地球的引力，则发射速度大于第一宇宙速度，D错误．
【活动二】
例 2
B　A与地球的相对位置改变，不是地球静止卫星，故A错误；第一宇宙速度是卫星在地球表面附近做圆周运动的最大速度，所以A的运行速度小于第一宇宙速度，故B正确；A、B的质量关系未知，动能不一定相等，故C错误；根据万有引力公式F＝可知，A在轨道上受到的地球引力比在地面上时小，故D错误．
即时训练3 C　根据牛顿第二定律得G＝m，解得v＝，轨道半径越大，线速度越小．第一宇宙速度7.9 km/s是近地轨道的最大环绕速度，低轨卫星轨道半径大于地球半径，线速度小于7.9 km/s，A错误．由ω＝，低轨卫星周期T＝100 min，远小于同步卫星的周期(24 h)，其角速度更大，B错误．根据牛顿第二定律得G＝ma，解得a＝G，低轨卫星轨道半径小于同步卫星的轨道半径，因此加速度更大，C正确．向心力F＝，因卫星质量m未知，无法比较向心力大小，D错误．
例 3
D　由G＝m，解得vb＝＝7.9 km/s，故b卫星转动线速度等于7.9 km/s，故A错误；对a、c由a＝rω2，其中rc>ra，ωa＝ωc，可得ac>aa，对b、c由万有引力提供向心力有G＝ma，解得a＝，因为rc>rb，所以acTb，故Ta＝Tc>Tb，故C错误；b、c由万有引力提供向心力，G＝m，可得v＝，因为rc>rb，所以vc例 4
A　在B处与核心舱对接前后受万有引力不变，有G＝ma，可得加速度大小为a＝G，对接前后的加速度相等，故A正确；需在B处加速，做离心运动，才能由轨道Ⅱ变轨到轨道Ⅲ，故B错误；根据G＝m，可得v＝，轨道半径越小，速度越大，所以轨道Ⅰ上A处的速度大于在轨道Ⅲ上B处的速度，故C错误；根据开普勒第三定律，在轨道Ⅱ上运行周期小于在轨道Ⅲ上运行周期，所以在轨道Ⅱ上由A到B的时间小于在轨道Ⅲ上运行周期的一半，故D错误．
例 5
B　卫星在圆轨道上做匀速圆周运动时有 G ＝m，v＝，因为r1＜r3，所以v1＞v3，A错误；由开普勒第三定律知T3>T2，B正确；在Q点从轨道1到轨道2需要做离心运动，故需要加速，所以在Q点v2Q>v1Q，C错误；在同一点P，由 ＝ma知，卫星在轨道2上经过P点的加速度等于它在轨道3上经过P点的加速度，D错误．
总结提升：1 ＞　＞　＞　＞　＞　2 ＝　＝　3 ＜　＜
4 ＜　＜
【活动三】
例 6
D　对于地面上的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些．他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁．D正确．
例 7
B　飞船上的观测者测得该飞船的长度是静止时的长度L，故A错误；地面上的观测者测得该飞船的长度为L

展开更多......

收起↑