人類對(duì)太空的不懈探索教案-魯科版（2019）高中物理必修第二冊(cè)第 4 章第3 節(jié)人類對(duì)太空的不懈探索

第4章第3節(jié)人類對(duì)太空的不懈探索

考點(diǎn)一、發(fā)展史

1、古希臘人的探索

(1)畢達(dá)哥拉斯認(rèn)為宇宙中所有的天體的形狀都應(yīng)該是球形。

(2)以亞里士多德為代表的古希臘人認(rèn)為地球位于宇宙的中心。所有天體都圍繞宇宙的中心-地球做勻速

圓周運(yùn)動(dòng)。

(3)阿波羅尼奧斯認(rèn)為每個(gè)行星都沿圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡就是行星的本輪。同時(shí)，這個(gè)圓的中心運(yùn)動(dòng)

軌跡就是行星的均輪。

(4)托勒密提出了地心體系，可以解釋已知天體的運(yùn)動(dòng)。第一次對(duì)已知天體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)定量的說明，

為航海家、天文學(xué)家和占星士所采用。該理論一直持續(xù)了近2000年。

2、文藝復(fù)興的撞擊

(1)1543年，波蘭天文學(xué)家哥白尼臨終時(shí)，向世人宣布了他幾十年來研究的成果《天體運(yùn)行論》。正式

推出了日心說。哥白尼認(rèn)為，太陽(yáng)是宇宙的中心，水星、金星、地球、火星、木星及土星都圍繞太陽(yáng)做勻

速圓周運(yùn)動(dòng)。月球是地球的衛(wèi)星。

(2)第谷?布拉赫是丹麥非常了不起的天文觀測(cè)家，當(dāng)時(shí)尚未發(fā)明望遠(yuǎn)鏡，他通過自制的觀測(cè)儀器對(duì)星體

進(jìn)行認(rèn)真系統(tǒng)的觀測(cè)。他的測(cè)量結(jié)果表明了托勒密與哥白尼的理論計(jì)算結(jié)果都與觀測(cè)數(shù)據(jù)不相符。

(3)開普勒研究了第谷連續(xù)20年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，希望進(jìn)一步解釋哥白尼的行星圓形軌道。但他失敗了。因

為他得到的結(jié)果與第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)至少有8,的誤差。開普勒相信這不是第谷的粗心，而是哥白尼的理論還

需要進(jìn)一步完善。從此他開始研究行星的非勻速圓周運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過多年的埋頭計(jì)算，數(shù)十次的否定自己的設(shè)

想，開普勒最終發(fā)現(xiàn)了更精確的行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并先后提出了三大定律。

3、牛頓的大綜合

(1)牛頓用數(shù)學(xué)方法證明了物體圍繞中心運(yùn)動(dòng)時(shí)有一向心力。由于物體沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，向心力與質(zhì)點(diǎn)

到中心的距離的平方成反比。繼而推廣到宇宙中的物體都在彼此吸引。

(2)牛頓將地球?qū)ξ矬w的引力擴(kuò)展到月球，認(rèn)為地球引力與太陽(yáng)對(duì)行星的作用力，行星對(duì)衛(wèi)星的作用力

是性質(zhì)相同的力，在此基礎(chǔ)上，牛頓最終給出了具有科學(xué)革命價(jià)值的萬(wàn)有引力定律。

(3)牛頓的萬(wàn)有引力定律是物理學(xué)的第一次大綜合，它將地上的力學(xué)與天上的力學(xué)統(tǒng)一起來，形成了以

牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的力學(xué)體系。

4、人類“飛天”夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)

(1)1957年10月4日，蘇聯(lián)的人造地球衛(wèi)星上天，震驚了世界。

(2)我國(guó)在1970年發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號(hào)"，成為世界上第五個(gè)發(fā)射人造地球衛(wèi)星的

國(guó)家。

(3)1961年4月，在9次無人飛船試驗(yàn)后，“東方1號(hào)”飛船載著27歲的前蘇聯(lián)空軍少校加加林，進(jìn)行

了108分鐘的太空旅行。這是人類歷史上第一次載人航天飛行，加加林也成為人類造訪太空的第一人。

(4)1969年7月20日“阿波羅十一號(hào)“宇宙飛船將人類送上了月球。美國(guó)宇航員阿姆斯特朗就在月球上

留下了人類的第一個(gè)足印。在踏上月球的一刻，人類第一位月宮使者由衷慨嘆：這是個(gè)人的一小步，卻是

人類的一大步。

(5)1970年4月24日，中國(guó)第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功。

(6)1971年4月，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一個(gè)試驗(yàn)性載人空間站“禮炮1號(hào)”空間站。載人航天活

動(dòng)由此進(jìn)入到規(guī)模較大、飛行時(shí)間較長(zhǎng)的空間應(yīng)用探索與試驗(yàn)階段。

(7)1971年12月，蘇聯(lián)“火星三號(hào)”探測(cè)器在火星表面著陸。

(8)1981年4月12日，美國(guó)的第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞號(hào)”成功發(fā)射。目前，科學(xué)家正在研究一種新

型的航天器-空天飛機(jī)。

(9)2003年10月15日，“神舟五號(hào)”載人飛船成功發(fā)射，中國(guó)成為世界上第三個(gè)獨(dú)立掌握載人航天技術(shù)

的國(guó)家。

考點(diǎn)二、雙星模型分析

1,雙星模型

如圖所示，宇宙中相距較近的兩個(gè)星球，它們離其他星球都較遠(yuǎn)，因此其他星球?qū)λ鼈兊娜f(wàn)有引力可以忽

略不計(jì)。在這種情況下，它們將圍繞它們連線上的某一固定點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)叫作“雙星”。

2、雙星模型的特點(diǎn)

(1)兩星的運(yùn)行軌道為同心圓，圓心是它們之間連線上的某一點(diǎn)。

(2)兩星的向心力大小相等，由它們間的萬(wàn)有引力提供。

“七八m]in,。小m,m

對(duì)mi有Ge-=mi0-ri；對(duì)m2有G二0-=2。

(3)兩星的運(yùn)動(dòng)周期、角速度都相同。

(4)兩星的運(yùn)動(dòng)半徑之和等于它們之間的距離，即n+r2=L。

3、解決雙星問題的基本思路

(1)明確兩星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心、半徑、向心力來源。

(2)由牛頓運(yùn)動(dòng)定律分別對(duì)兩星列向心力方程。

(3)利用兩星運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，構(gòu)建兩星的角速度(或周期)、半徑、向心力之間的關(guān)系方程。

(4)萬(wàn)有引力定律表達(dá)式中的r表示雙星間的距離L,而不是軌道半徑(雙星中兩顆星的軌道半徑一般不

同)。

【典例精析】

例1、科學(xué)家在觀測(cè)美麗的銀河系時(shí)，若發(fā)現(xiàn)某雙黑洞間的距離為L(zhǎng),只在彼此之間的萬(wàn)有引力作用下做

勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)周期為T,引力常量為G,則雙黑洞總質(zhì)量為()

23

414TTLGL34兀2T3

A、_o_B、rC、zz-D、-―

GT23GT24712T2GT2

【答案】Ao

例2、宇宙中兩個(gè)相距較近的天體稱為“雙星”，它們以兩者連線上的某一點(diǎn)為圓心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，但

兩者不會(huì)因萬(wàn)有引力的作用而吸引到一起。設(shè)兩者的質(zhì)量分別為mi和m2,兩者相距為L(zhǎng)。求：

(1)雙星的軌道半徑之比；

(2)雙星的線速度之比；

(3)雙星的角速度。

【答案】(1)m?:mi；(2)m?:mi；(3)J。(m:+m?)。

考點(diǎn)三、衛(wèi)星發(fā)射及變軌過程

1、衛(wèi)星發(fā)射及變軌過程基本概述

人造衛(wèi)星的發(fā)射過程要經(jīng)過多次變軌方可到達(dá)預(yù)定軌道，如圖所示。

(1)為了節(jié)省能量，在赤道上順著地球自轉(zhuǎn)方向發(fā)射衛(wèi)星到圓軌道I上。

(2)在A點(diǎn)點(diǎn)火加速，由于速度變大，萬(wàn)有引力不足以提供向心力，衛(wèi)星做離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入橢圓軌道II。

(3)在B點(diǎn)(遠(yuǎn)地點(diǎn))再次點(diǎn)火加速進(jìn)入圓形軌道III。

2、兩個(gè)運(yùn)行物理量的大小比較

(1)速度問題

衛(wèi)星變軌時(shí)，先是線速度v發(fā)生變化導(dǎo)致需要的向心力發(fā)生變化，進(jìn)而使軌道半徑r發(fā)生變化。

V2

①當(dāng)衛(wèi)星減速時(shí)，衛(wèi)星所需的向心力用=m；減小，萬(wàn)有引力大于所需的向心力，衛(wèi)星將做近心運(yùn)動(dòng)，

向低軌道變遷。

v2

②當(dāng)衛(wèi)星加速時(shí)，衛(wèi)星所需的向心力%=m一增大，萬(wàn)有引力不足以提供衛(wèi)星所需的向心力，衛(wèi)星將做

離心運(yùn)動(dòng)，向高軌道變遷。以上兩點(diǎn)是比較橢圓和圓軌道切點(diǎn)速度的依據(jù)。

(2)加速度問題

衛(wèi)星到達(dá)橢圓軌道與圓軌道的切點(diǎn)時(shí)，衛(wèi)星受到的萬(wàn)有引力相同，所以加速度相同。

3、判斷衛(wèi)星變軌時(shí)速度、加速度變化情況的思路

(1)判斷衛(wèi)星在不同圓軌道的運(yùn)行速度大小時(shí)，可根據(jù)“越遠(yuǎn)越慢”的規(guī)律判斷。

(2)判斷衛(wèi)星在同一橢圓軌道上不同點(diǎn)的速度大小時(shí)，可根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)第二定律判斷，即離中心

天體越遠(yuǎn)，速度越小。

(3)判斷衛(wèi)星由圓軌道進(jìn)入橢圓軌道或由橢圓軌道進(jìn)入圓軌道時(shí)的速度大小如何變化時(shí)，可根據(jù)離心運(yùn)

動(dòng)或近心運(yùn)動(dòng)的條件進(jìn)行分析。

(4)判斷衛(wèi)星的加速度大小時(shí)，可根據(jù)a=—=■典判斷。

mr

【典例精析】

例3、衛(wèi)星發(fā)射過程的示意圖如圖所示，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1,然后經(jīng)點(diǎn)火，使其沿橢圓軌道2

運(yùn)行，最后再一次點(diǎn)火，將衛(wèi)星送入同步圓軌道3。軌道1、2相切于Q點(diǎn)。軌道2、3相切于P點(diǎn)。當(dāng)衛(wèi)

星分別在1、2、3軌道上正常運(yùn)行時(shí)，以下說法正確的是()

A、衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率

B、衛(wèi)星在軌道3上的角速度大于在軌道1上的角速度

C、衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)的速率大于它在軌道2上經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)的速率

D、衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的速率小于它在軌道3上經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的速率

【答案】D。

例4、(多選)嫦娥一號(hào)衛(wèi)星從地球發(fā)射到月球過程的路線示意圖如圖所示。關(guān)于嫦娥一號(hào)的說法正確的

A、在P點(diǎn)由a軌道轉(zhuǎn)變到b軌道時(shí)，速度必須變小

B、在Q點(diǎn)由d軌道轉(zhuǎn)變到c軌道時(shí)，要加速才能實(shí)現(xiàn)(不計(jì)嫦娥一號(hào)的質(zhì)量變化)

C、在b軌道上，P點(diǎn)速度比R點(diǎn)速度大

D、嫦娥一號(hào)在a、b軌道上正常運(yùn)行時(shí)，通過同一點(diǎn)P時(shí),加速度相等

【答案】CDo

考點(diǎn)四、同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、赤道上物體相關(guān)物理量的比較

1、近地衛(wèi)星

(1)定義：理想狀態(tài)下緊貼著地球表面的衛(wèi)星。

(2)近地衛(wèi)星的特點(diǎn)

①軌道半徑r^R(R為地球半徑)運(yùn)行速度V=7gR=7.9km/S,是所有衛(wèi)星的最大繞行速度;

②運(yùn)行的周期為T=85min,是所有衛(wèi)星的最小周期；

③向心加速度a=g=9.8m/s2,是所有衛(wèi)星的最大加速度。

2、赤道上的物體

(1)在地球赤道上跟著地球一起自轉(zhuǎn)的物體。

(2)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

①軌道半徑r=R(R為地球的半徑)；

②運(yùn)行的周期為T=24h；

③向心加速度a遠(yuǎn)小于go

3、同步衛(wèi)星

(1)定義

相對(duì)于地面靜止不動(dòng)且運(yùn)動(dòng)的周期跟地球自轉(zhuǎn)的周期相同的衛(wèi)星叫作地球同步衛(wèi)星。它廣泛應(yīng)用于通信,

又叫作同步通信衛(wèi)星。

(2)同步衛(wèi)星的特點(diǎn)(六個(gè)“一定”)

軌道平面與赤道平面共面

與地球自轉(zhuǎn)周期相同，即r="h

與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同

由G1地方得同步衛(wèi)星離地面的

(R+h)T

高度h=J窄1-R=6R(恒量)

v=叵

dR+h

與地球自轉(zhuǎn)的方向一致

【典例精析】

例5、（多選）地球同步衛(wèi)星離地心的距離為r,運(yùn)行速率為vi，加速度為ai,地球赤道上的物體隨地球

自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2,地球的第一宇宙速度為V2,半徑為R,則下列比例關(guān)系中正確的是（）

從意4B、$㈤2D、群第

【答案】ADo

例6、地球赤道上有一物體隨地球的自轉(zhuǎn)而做圓周運(yùn)動(dòng)，向心力為Fi，向心加速度為a”線速度為vi，角速

度為31；繞地球表面附近做圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星（高度忽略）的向心力為F2,向心加速度為a2,線速度

為V2，角速度為S；地球同步衛(wèi)星的向心力為F3，向心加速度為a3,線速度為V3,角速度為33。地球表

面重力加速度為g,第一宇宙速度為V,假設(shè)地球赤道上的物體、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的質(zhì)量相等,則（）

A、FI=F2>F3B、ai=a2=g>a3C、vi=V7=v>V3D、coi=a）3<a）2

【答案】Do

【課后練習(xí)】

1、1970年4月24日我國(guó)首次成功發(fā)射的人造衛(wèi)星東方紅一號(hào)，目前仍然在橢圓軌道上運(yùn)行，其軌道近地

點(diǎn)高度約為440km,遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約為2060km；1984年4月8日成功發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行在赤道

上空35786km的地球同步軌道上。設(shè)東方紅一號(hào)在遠(yuǎn)地點(diǎn)的加速度為ai，東方紅二號(hào)的加速度為a2，固

定在地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的加速度為a3,則ai、a2、a3的大小關(guān)系為（）

A、a2>al>a3B、a3>a2>alC、a3>al>a2D、al>a2>a3

【答案】Do

2、（多選）我國(guó)天宮一號(hào)飛行器完成了所有任務(wù)后，墜入大氣層燒毀。如圖所示，設(shè)天宮一號(hào)原來在圓

軌道I上飛行，到達(dá)P點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)移到較低的橢圓軌道n上（未進(jìn)入大氣層），則天宮一號(hào)（）

橢圓軌道n

A、在P點(diǎn)減速進(jìn)入軌道II

B、在軌道I上運(yùn)行的周期大于在軌道II上運(yùn)行的周期

c、在軌道I上的加速度大于在軌道n上的加速度

D、在軌道I上的機(jī)械能大于在軌道n上的機(jī)械能

【答案】ABDo

3、未來世界中，在各個(gè)星球間進(jìn)行遠(yuǎn)航旅行將成為一件小事。某一天，小華駕駛一艘宇宙飛船繞一個(gè)不

知名的行星表面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)飛行，飛船只受到該行星引力的作用，已知萬(wàn)有引力常量為G,要測(cè)定該

行星的密度，僅僅只需測(cè)出下列哪一個(gè)量（）

A.飛船繞行星運(yùn)行的周期B.飛船運(yùn)行的軌道半徑

C.飛船運(yùn)行時(shí)的速度大小D.該行星的質(zhì)量

【答案】Ao

4、“嫦娥二號(hào)”是我國(guó)月球探測(cè)第二期工程的先導(dǎo)星.若測(cè)得“嫦娥二號(hào)”在月球（可視為密度均勻的

球體）表面附近圓形軌道運(yùn)行的周期T,已知引力常量為G,半徑為R的球體體積公式V=$R3,則可估

算月球的（）

A.密度B.質(zhì)量C.半徑D.自轉(zhuǎn)周期

【答案】Ao

5、北京時(shí)間2018年11月1日23點(diǎn)57分，第41顆北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，并

進(jìn)入地球同步軌道，它是北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（即北斗三號(hào)工程）的第17顆衛(wèi)星，北斗三號(hào)工程將向

“一帶一路”國(guó)家和地區(qū)提供基本導(dǎo)航服務(wù).下列關(guān)于這顆衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行的描述正確的是（）

A.速度介于7.9km/s與11.2km/s之間B.周期大于地球自轉(zhuǎn)周期

C.加速度小于地面重力加速度D.處于平衡狀態(tài)

【答案】Co

6、（多選）“神舟九號(hào)”飛船與“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器在離地面343km的近圓形軌道上成功進(jìn)行了我

國(guó)首次載人空間交會(huì)對(duì)接.對(duì)接軌道所處的空間存在極其稀薄的大氣.下列說法正確的是（）

A.為實(shí)現(xiàn)對(duì)接，兩者運(yùn)行速度的大小都應(yīng)介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之間

B.如不加干預(yù)，在運(yùn)行一段時(shí)間后，“天宮一號(hào)”的動(dòng)能可能會(huì)增加

C.如不加干預(yù)，“天宮一號(hào)”的軌道高度將緩慢降低

D.航天員在“天宮一號(hào)”中處于失重狀態(tài)，說明航天員不受地球引力作用

【答案】BCo

7、“中國(guó)天眼“FAST,由我國(guó)天文學(xué)家南仁東于1994年提出構(gòu)想，歷時(shí)22年建成。2018年4月28日FAST

第一次發(fā)現(xiàn)了一顆距地球4000光年的毫秒脈沖星，震驚了世界。雙脈沖星系統(tǒng)由兩個(gè)質(zhì)量不同的脈沖星

形成的雙星系統(tǒng)。假設(shè)這兩個(gè)脈沖星，繞它們連線上的某點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，且兩星間距緩慢減小。若在短暫

的運(yùn)動(dòng)過程中，各自質(zhì)量不變且不受其他星系影響，則下列說法正確的是（）

A、兩星運(yùn)行的線速度之比是1：1B、兩星運(yùn)行的角速度大小始終相等

C、兩星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度大小始終相等D、隨著兩星的間距緩慢減小，它們的周期卻在增大

【答案】B?

8、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)又被稱為“雙星定位系統(tǒng)”，如圖所示某時(shí)該系統(tǒng)中兩顆工作衛(wèi)星a、b均繞地心0順時(shí)針

做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。下列說法正確的是（）

衛(wèi)星a

A、衛(wèi)星a、b運(yùn)行的角速度一定相同

B、衛(wèi)星a、b所受的向心力大小一定相等

C、如果要使衛(wèi)星b追上衛(wèi)星a,可以讓衛(wèi)星a在原軌道上減速

D、如果要使衛(wèi)星b追上衛(wèi)星a,可以讓衛(wèi)星b在原軌道上加速

【答案】Ao

9、如圖所示，甲、乙兩顆衛(wèi)星以相同的軌道半徑分別繞質(zhì)量為M和2M的行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。下列說

法正確的是（）

A、甲的向心加速度比乙的大B、甲的運(yùn)行周期比乙的大

C、甲的角速度比乙的大D、甲的線速度比乙的大

【答案】Bo

10、如圖所示，a為地球赤道上的物體，隨地球表面一起轉(zhuǎn)動(dòng)，b為近地軌道衛(wèi)星，c為同步軌道衛(wèi)星，d

為高空探測(cè)衛(wèi)星。若a、b、c、d繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同，且均可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)。則