7.4宇宙航行-2021-2022学年高中物理同步训练讲义（人教版2019必修第二册）（解析版）

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第七章万有引力与宇宙航行

7.4 宇宙航行

【知识梳理】

一、宇宙速度

1.牛顿的设想

如图所示，把物体从高山上水平抛出，如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地

球运动，成为人造地球卫星.

2.第一宇宙速度的推导

(1)已知地球质量 m地和半径 R，物体绕地球的运动可视为匀速圆周运动，万有引力提供物

体运动所需的向心力，即＝m，可得 v＝.

(2)已知地面附近的重力加速度 g和地球半径 R，由 mg＝m得：v＝.

(3)三个宇宙速度及含义

数值意义

第一宇

宙速度 7.9 km/s 物体在地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 在地面附近发射飞行器使物体克服地球引力，永远

离开地球的最小地面发射速度

第三宇

宙速度 16.7 km/s 在地面附近发射飞行器使物体挣脱太阳引力束缚，

飞到太阳系外的最小地面发射速度

二、人造地球卫星

1.1957

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，我国第一颗

人造地球卫星“东方红 1号”发射成功.为我国航天事业作出特殊贡献的科学家钱学森被誉

为“中国航天之父”.

2.地球同步卫星的特点

地球同步卫星位于赤道上方高度约 36 000 km

处，因相对地面静止，也称静止卫星.地球同

步卫星与地球以相同的角速度转动，周期与地球自转周期相同.

三、载人航天与太空探索

1.1961

年苏联宇航员加加林进入东方一号载人飞船，铸就了人类首次进入太空的丰碑.

2.1969 年，美国阿波罗

号飞船发射升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕.

3.2003

年10 月15 日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空，

截止到 2017 年底，我国已经将 11

名航天员送入太空，包括两名女航天员.

4.2013

年6月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接；2016 年10 月

19 日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接.2017 年4月20 日，我国发射了

货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主快速交会对接等 3

次交会对接及多项实验.

【基础小练】

1.判断下列说法的正误.

(1)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9 km/s.(　√　)

(2)人造地球卫星的最小绕行速度是7.9 km/s.(　×　)

(3)我国向月球发射的“嫦娥二号”宇宙飞船在地面附近的发射速度要大于 11.2 km/s.(　×

)

(4)在地面附近发射火星探测器的速度应为11.2 km/s<v<16.7 km/s.(　√　)

(5)由v＝，高轨道卫星运行速度小，故发射高轨道卫星比发射低轨道卫星更容易.(　×　)

2.已知火星的半径为 R，火星的质量为 m火，引力常量为 G，则火星的第一宇宙速度为

答案　

【能力提升】

一、三个宇宙速度

导学探究

不同天体的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的决定因素是什么？

答案　一般不同.由＝m得，第一宇宙速度 v＝，可以看出，第一宇宙速度的值取决于中心

天体的质量 M和半径 R，与卫星无关.

知识深化

1.第一宇宙速度

(1)两个表达式

思路一：万有引力提供向心力，由 G＝m得v＝

思路二：重力提供向心力，由 mg＝m得v＝

(2)含义

①近地卫星的圆轨道运行速度，大小为 7.9 km/s，也是卫星圆轨道的最大运行速度.

②人造卫星的最小发射速度，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，需要更多能量.

2.第二宇宙速度

在地面附近发射飞行器，使之能够克服地球的引力，永远离开地球所需的最小发射速度，

其大小为 11.2 km/s.当发射速度 7.9 km/s<v0<11.2 km/s 时，物体绕地球运行的轨迹是椭圆，

且在轨道不同点速度大小一般不同.

3.第三宇宙速度

在地面附近发射飞行器，使之能够挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最小发射速度，

其大小为 16.7 km/s.

我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”.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

答案　B

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，因此 B项正确.

某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间 t后，物体以速率v落回手中.已

知该星球的半径为 R，求该星球的第一宇宙速度.(物体只受星球的引力，忽略星球自转的影

响)

答案　

解析　根据匀变速直线运动的规律可得，该星球表面的重力加速度为 g0＝，该星球的第一

宇宙速度即卫星在其表面附近绕其做匀速圆周运动的线速度大小，由 mg0＝得，该星球的

第一宇宙速度为 v1＝＝.

二、人造地球卫星

1.人造地球卫星

(1)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步轨道)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以

和赤道平面成任意角度，如图所示.

(2)因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球做圆周运动的向心力，所以地心必定是卫

星圆轨道的圆心.

2.近地卫星

(1)v1＝7.9 km/s；T＝≈85 min.

(2)7.9 km/s 和85 min 分别是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大线速度和最小周期.

3.同步卫星

(1)“同步”的含义就是和地面保持相对静止，所以其周期等于地球自转周期.

(2)特点

① 定周期：所有同步卫星周期均为T＝24 h.

② 定轨道：同步卫星轨道必须在地球赤道的正上方，运转方向必须跟地球自转方向一致，

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