4.3 人类对太空的不懈探索教案-2021-2022学年鲁科版（2019）高中物理必修第二册

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第4章第 3节人类对太空的不懈探索

考点一、发展史

1、古希腊人的探索

（1）毕达哥拉斯认为宇宙中所有的天体的形状都应该是球形。

（2）以亚里士多德为代表的古希腊人认为地球位于宇宙的中心。所有天体都围绕宇宙的中心-地球做匀速

圆周运动。

（3）阿波罗尼奥斯认为每个行星都沿圆周运动，其运动轨迹就是行星的本轮。同时，这个圆的中心运动

轨迹就是行星的均轮。

（4）托勒密提出了地心体系，可以解释已知天体的运动。第一次对已知天体的运动进行详细定量的说明，

为航海家、天文学家和占星士所采用。该理论一直持续了近 2000 年。

2、文艺复兴的撞击

（1）1543 年，波兰天文学家哥白尼临终时，向世人宣布了他几十年来研究的成果《天体运行论》。正式

推出了日心说。哥白尼认为，太阳是宇宙的中心，水星、金星、地球、火星、木星及土星都围绕太阳做

匀速圆周运动。月球是地球的卫星。

（2）第谷·布拉赫是丹麦非常了不起的天文观测家，当时尚未发明望远镜，他通过自制的观测仪器对星体

进行认真系统的观测。他的测量结果表明了托勒密与哥白尼的理论计算结果都与观测数据不相符。

（3）开普勒研究了第谷连续 20 年的观测数据，希望进一步解释哥白尼的行星圆形轨道。但他失败了。

因为他得到的结果与第谷的观测数据至少有 8′的误差。开普勒相信这不是第谷的粗心，而是哥白尼的理

论还需要进一步完善。从此他开始研究行星的非匀速圆周运动。经过多年的埋头计算，数十次的否定自

己的设想，开普勒最终发现了更精确的行星运动规律，并先后提出了三大定律。

3、牛顿的大综合

（1）牛顿用数学方法证明了物体围绕中心运动时有一向心力。由于物体沿椭圆轨道运动，向心力与质点

到中心的距离的平方成反比。继而推广到宇宙中的物体都在彼此吸引。

（2）牛顿将地球对物体的引力扩展到月球，认为地球引力与太阳对行星的作用力，行星对卫星的作用力

是性质相同的力，在此基础上，牛顿最终给出了具有科学革命价值的万有引力定律。

（3）牛顿的万有引力定律是物理学的第一次大综合，它将地上的力学与天上的力学统一起来，形成了以

牛顿三大运动定律为基础的力学体系。

4、人类“飞天”梦的实现

（1）1957 年10 月4日，苏联的人造地球卫星上天，震惊了世界。

（2）我国在 1970 年发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”，成为世界上第五个发射人造地球卫星

的国家。

（3）1961 年4月，在9次无人飞船试验后，“东方1号”飞船载着 27 岁的前苏联空军少校加加林，进行

了108 分钟的太空旅行。这是人类历史上第一次载人航天飞行，加加林也成为人类造访太空的第一人。

（4）1969 年7月20 日“阿波罗十一号“宇宙飞船将人类送上了月球。美国宇航员阿姆斯特朗就在月球

上留下了人类的第一个足印。在踏上月球的一刻，人类第一位月宫使者由衷慨叹：这是个人的一小步，

却是人类的一大步。

（5）1970 年4月24 日，中国第一颗人造卫星发射成功。

（6） 1971 年4月，前苏联成功发射了世界上第一个试验性载人空间站“礼炮１号”空间站。载人航天

活动由此进入到规模较大、飞行时间较长的空间应用探索与试验阶段。

（7） 1971 年12 月，苏联“火星三号”探测器在火星表面着陆。

（8）1981 年4月12 日，美国的第一架航天飞机“哥伦比亚号”成功发射。目前，科学家正在研究一种

新型的航天器-空天飞机。

（9）2003 年10 月15 日，“神舟五号”载人飞船成功发射，中国成为世界上第三个独立掌握载人航天技

术的国家。

考点二、双星模型分析

1、双星模型

如图所示，宇宙中相距较近的两个星球，它们离其他星球都较远，因此其他星球对它们的万有引力可以

忽略不计。在这种情况下，它们将围绕它们连线上的某一固定点做匀速圆周运动，这种结构叫作“双

星”。

2、双星模型的特点

（1）两星的运行轨道为同心圆，圆心是它们之间连线上的某一点。

（2）两星的向心力大小相等，由它们间的万有引力提供。

对m1有；对m2有。

（3）两星的运动周期、角速度都相同。

（4）两星的运动半径之和等于它们之间的距离，即r1+r2=L。

3、解决双星问题的基本思路

（1）明确两星做匀速圆周运动的圆心、半径、向心力来源。

（2）由牛顿运动定律分别对两星列向心力方程。

（3）利用两星运动的特点，构建两星的角速度（或周期）、半径、向心力之间的关系方程。

（4）万有引力定律表达式中的 r表示双星间的距离 L，而不是轨道半径（双星中两颗星的轨道半径一般

不同）。

【典例精析】

例1、科学家在观测美丽的银河系时，若发现某双黑洞间的距离为 L，只在彼此之间的万有引力作用下做

匀速圆周运动，其运动周期为T，引力常量为 G，则双黑洞总质量为（）

A、 B、 C、D、

【答案】A。

例2、宇宙中两个相距较近的天体称为“双星”，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动，但

两者不会因万有引力的作用而吸引到一起。设两者的质量分别为m1和m2，两者相距为 L。求：

（1）双星的轨道半径之比；

（2）双星的线速度之比；

（3）双星的角速度。

【答案】（1）m2m∶1；（2）m2m∶1；（3）。

考点三、卫星发射及变轨过程

1、卫星发射及变轨过程基本概述

人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如图所示。

（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。

（2）在A点点火加速，由于速度变大，万有引力不足以提供向心力，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、两个运行物理量的大小比较

（1）速度问题

卫星变轨时，先是线速度v发生变化导致需要的向心力发生变化，进而使轨道半径 r发生变化。

①当卫星减速时，卫星所需的向心力减小，万有引力大于所需的向心力，卫星将做近心运动，

向低轨道变迁。

②当卫星加速时，卫星所需的向心力增大，万有引力不足以提供卫星所需的向心力，卫星将

做离心运动，向高轨道变迁。以上两点是比较椭圆和圆轨道切点速度的依据。

（2）加速度问题

卫星到达椭圆轨道与圆轨道的切点时，卫星受到的万有引力相同，所以加速度相同。

3、判断卫星变轨时速度、加速度变化情况的思路

（1）判断卫星在不同圆轨道的运行速度大小时，可根据“越远越慢”的规律判断。

（2）判断卫星在同一椭圆轨道上不同点的速度大小时，可根据开普勒行星运动第二定律判断，即离中心

天体越远，速度越小。

（3）判断卫星由圆轨道进入椭圆轨道或由椭圆轨道进入圆轨道时的速度大小如何变化时，可根据离心运

动或近心运动的条件进行分析。

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