人教版高中物理必修二《宇宙航行》知识全解

第七章万有引力与宇宙航行7.1行星的运动 ....................................................................................................................... - 1 -7.2万有引力定律 ................................................................................................................... - 6 -7.3万有引力理论的成就...................................................................................................... - 14 -7.4宇宙航行 ......................................................................................................................... - 21 -7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性.............................................................................. - 30 -7.1行星的运动一、地心说和日心说开普勒定律1．地心说地球是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮以及其他星体都绕地球运动。

2．日心说太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动。

[注意]古代两种学说都是不完善的，因为不管是地球还是太阳，它们都在不停地运动，并且行星的轨道是椭圆，其运动也不是匀速率的。

鉴于当时人们对自然科学的认识能力，日心学比地心说更进一步。

千里之行，始于足下。

高中物理必修二万有引力与宇宙航行知识点总结归纳完整版引力与宇宙航行是高中物理必修2的重要内容之一，涉及到引力定律、行星运动、卫星运动、宇宙探索等知识点。

在学习这些内容时，我们需要掌握以下几个重点知识。

第一，引力定律。

牛顿引力定律是描述两个物体之间相互作用的力的大小与方向的关系。

它的数学表达式为F=G*m1*m2/r^2，其中F表示两物体之间的引力，m1和m2分别表示两物体的质量，r表示两物体之间的距离，G为万有引力常量。

第二，行星运动。

行星围绕太阳运动的规律可以利用开普勒定律来描述。

开普勒第一定律，也称作椭圆轨道定律，指出行星绕太阳的轨道是一个椭圆。

开普勒第二定律，也称作面积速度定律，指出行星在同一时间内扫过的面积相等。

开普勒第三定律，也称作调和定律，指出行星公转周期的平方与半长轴的立方成正比。

第三，卫星运动。

卫星围绕地球运动的规律也可以利用开普勒定律来描述。

卫星的轨道一般为近似圆形，其运动速度与高度成正比。

卫星的速度分为正轨道速度和逃逸速度两种，前者用于保持卫星绕地球做圆周运动，后者用于使卫星摆脱地球引力束缚。

第四，宇宙探索。

人类对宇宙的探索主要依靠航天器和火箭。

卫星是用于研究地球和宇宙的重要工具，包括地球观测卫星、太阳观测卫星、星际探测器等。

火箭是宇宙运载工具，可以将航天器送入太空。

火箭原理是利用燃料的燃烧产生大量的气体推动火箭飞行，同时利用牛顿第三定律。

第1页/共2页锲而不舍，金石可镂。

除了上述知识点，我们还需要掌握一些相关的数学计算方法。

例如，通过引力定律计算两物体之间的引力大小；通过开普勒定律计算行星公转周期等等。

在学习过程中，我们还需要注意一些常见的误区。

例如，引力是所有物体之间都存在的，而不仅仅是行星或卫星之间；行星绕太阳运动的轨道并非完全是椭圆，而是近似椭圆等。

通过对引力与宇宙航行的学习，我们可以更加深入地了解宇宙的构成和演化过程，为未来的宇宙探索提供基础知识和理论支撑。

高中物理（人教版）必修第二册讲义—宇宙航行【学习目标】1．通过阅读课本资料了解牛顿对人造卫星的猜想、外推的思路和思想，能写出第一宇宙速度的推导过程。

2．通过第一宇宙速度的推导总结，能说出人造地球卫星的原理及运行规律。

3．通过阅读教材第三部分，能够介绍世界和我国航天事业的发展历史，感知人类探索宇宙的梦想，激发爱国热情，增强民族自信心和自豪感。

【学习重点】第一宇宙速度的推导。

【学习难点】第一宇宙速度的推导；环绕速度与发射速度的区分。

知识梳理一、宇宙速度1.人造地球卫星(1)牛顿的设想：如图所示，把物体水平抛出，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)运动规律：一般情况下可认为人造卫星绕地球做匀速圆周运动。

(3)向心力来源：人造地球卫星的向心力由地球对它的万有引力提供。

2．宇宙速度宇宙速度数值/(km·s－1)物理意义是使人造卫星绕地球做匀速圆周运动的最小发射速度；也是人造卫星绕第一宇宙速度7.9(环绕速度)地球运动的最大运行速度第二宇宙速度11.2(脱离速度)是物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度第三宇宙速度16.7(逃逸速度)是物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度梦想成真1957年10月苏联成功发射了第一颗人造卫星；1969年7月美国“阿波罗11号”登上月球；2003年10月15日我国航天员杨利伟踏入太空；2007年10月24日我国“嫦娥一号”发射升空；2008年9月27日“神舟七号”宇航员翟志刚顺利完成出舱活动任务；2010年10月1日“嫦娥二号”发射升空。

2011年9月29日“天宫一号”发射升空。

2011年11月1日“神舟八号”发射升空。

2011年11月3日“天宫一号”与“神舟八号”对接成功。

2012年6月16日“神舟九号”发射升空，与在轨运行的“天宫一号”目标飞行器进行载人交会对接，航天员进入“天宫一号”工作和生活，开展相关空间的科学实验。

2013年6月11日“神舟十号”发射升空，并在6月13日与“天宫一号”交会对接；6月20日上午，中国载人航天史上的首堂太空授课开讲。

高中物理必修二《宇宙航行》知识点总结要点一、天体问题的处理方法要点诠释：（1）建立一种模型天体的运动可抽象为一个质点绕另一个质点做匀速圆周运动的模型（2）抓住两条思路天体问题实际上是万有引力定律、牛顿第二定律、匀速圆周运动规律的综合应用，解决问题的基本思路有两条：①利用在天体中心体表面或附近，万有引力近似等于重力 即2RMm G mg =（g 为天体表面的重力加速度） ②利用万有引力提供向心力。

由此得到一个基本的方程2G Mm ma r =，式中a 表示向心加速度，而向心加速度又有2v a r=、2a r ω=、224r a T π=、a g =这样几种表达式，要根据具体问题，把这几种表达式代入方程，讨论相关问题。

要点二、人造卫星要点诠释：1. 人造卫星将物体以水平速度从某一高度抛出，当速度增加时，水平射程增大，速度增大到某一值时，物体就会绕地球做圆周运动，则此物体就成为地球的卫星，人造地球卫星的向心力是由地球对卫星的万有引力来充当的．(1)人造卫星的分类：卫星主要有侦察卫星、通讯卫星、导航卫星、气象卫星、地球资源勘测卫星、科学研究卫星、预警卫星和测地卫星等种类．(2)人造卫星的两个速度：①发射速度：将人造卫星送入预定轨道运行所必须具有的速度．②环绕速度：卫星在轨道上绕地球做匀速圆周运动所具有的速度．由于发射过程中要克服地球的引力做功，所以发射速度越大，卫星离地面越高，实际绕地球运行的速度越小．向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难得多．2．卫星的轨道卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道．卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律．卫星绕地球沿圆轨道运动时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以，地心必须是卫星圆轨道的圆心．卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，也可以和赤道平面垂直，还可以和赤道平面成任一角度，如图所示．要点诠释：1.第一宇宙速度（环绕速度）指人造卫星近地环绕速度，它是人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，是人造卫星的最小发射速度，其大小为17.9/v km s=说明：（1）由于在人造卫星的发射过程中，火箭要克服地球的引力做功，所以将卫星发射到离地球越远的轨道，在地面上所需的发射速度就越大，故人造卫星的最小发射速度对应将卫星发射到近地表面运行，此时发射时的动能全部转化为绕行的动能而不需要转化为重力势能。

●规律总结有关人造卫星的知识,根本问题就是抓住万有引力提供人造地球卫星做圆周运动的向心力这一基本力学关系,由此出发导出描述卫星做圆周运动的各物理量的关系式,应用时可根据实际情况选用适当的公式进行分析和计算:①F 万有=2r GMm =ma =r m v 2=mr ω2=mv ω=mr 22π4T②在地球表面,mg ≈2RGMm 1.对宇宙速度的理解①第一宇宙速度:人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径近似等于地球半径R ,其向心力为地球对卫星的万有引力,其向心加速度近似等于地面处的重力加速度.设地球质量为M ,根据万有引力定律和匀速圆周运动的规律可得: 2R GMm =R m v 2得v =R GM =624111037.61089.51067.6⨯⨯⨯⨯-m/s=7.9 km/s 或者由mg =R m v 2得v =gR =61037.68.9⨯⨯m/s=7.9 km/s.对于公式v =rGM ,指的是人造卫星在各自轨道上做匀速圆周运动的运行速度,其大小随轨道半径的增大而减小,但由于人造卫星发射过程中要克服地球引力做功,增大势能,所以将卫星发射到离地球越远的轨道上在地面上所需要的发射速度就越大.根据v 运行=r GM ,第一宇宙速度v 1=RGM 可知:由于r ≥R 地球,所以卫星的运行速度不可能大于第一宇宙速度,人造卫星的发射速度与运行速度的大小关系是:v 发射≥7.9 km/s ≥v 运行所以第一宇宙速度是最小发射速度,又是卫星最大环绕速度.②第二宇宙速度:在地面上(r =R )发射物体,使之能够脱离地球的引力作用,成为绕太阳运动的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度,称为第二宇宙速度,其大小为v 2=11.2 km/s.当11.2 km/s ＞v 2＞7.9 km/s 时,卫星绕地球旋转,其轨道是椭圆,地球位于一个焦点上.③第三宇宙速度:在地面上发射物体,使之最后能脱离太阳的引力范围,飞到太阳系以外的宇宙空间所必须的最小速度称为第三宇宙速度,其大小为v 3=16.7 km/s.当16.7 km/s ＞v ≥11.2 km/s 时,卫星脱离地球的束缚成为太阳系的一颗“小行星”.2.对卫星运动轨道的理解①卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆形轨道,卫星绕地球沿圆形轨道运动时,由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,而万有引力指向地心,所以,地心必然是卫星圆轨道的圆心,卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星),也可以和赤道平面垂直,还可以和赤道平面成任一角度.卫星绕地球沿椭圆轨道运行时,地心是椭圆的一个焦点,其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律,这类问题在中学物理中很少讨论.②不同星体上的宇宙速度是各不相同的,以上给出的速度值是地球上的宇宙速度值,其计算方法完全可以推广到其他任何天体.天体的质量越大,半径越小,其宇宙速度值就越大.3.对同步卫星的理解同步卫星指在赤道平面内,以和地球自转角速度相同的角速度绕地球运动的卫星.同步卫星又叫静止轨道卫星,有以下几个特点:①周期一定:同步卫星在赤道上空相对地球静止,它绕地球的运动与地球自转同步,它的运动周期就等于地球自转的周期,即T =24 h.②角速度一定:同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度,且卫星转动的方向与地球自转方向相同.③轨道一定:a.由于同步卫星绕地球的运动与地球的自转同步,这就决定了同步卫星的轨道平面应与赤道平面平行.又由于同步卫星绕地球运动的向心力是地球对卫星的万有引力,这就决定了同步卫星做圆周运动的圆心为地心,所以,同步卫星的轨道必在赤道平面内.b.由于所有同步卫星的周期都相同,由r =322π4GMT 可知,所有同步卫星的轨道半径相同,即同步卫星都在同一轨道上绕地球做匀速圆周运动,其轨道离地面的高度h =3222π4R gT -R =3.59×104 km.(地球半径R =6400 km,自转周期T =24 h=86400 s,地球表面重力加速度g =9.8 m/s 2)④环绕速度大小一定:所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的,都是 3.08 km/s,因为所有卫星的环绕速度等各物理量都是由轨道决定的.⑤向心加速度大小一定:所有同步卫星由于到地心距离相同,所以它们绕地球运动的向心加速度大小都相同,约为0.23 m/s 2.归根到底,同步卫星的以上特点,是由于同步卫星与地球相对静止这一特殊要求决定的.4.对人造卫星上的“超重”和“失重”问题的理解“超重”:卫星在进入轨道前的加速过程中或回收过程中,系统具有向上的加速度,卫星上的物体“超重”,这种情况与“升降机”中的物体超重相同.“失重”:卫星在进入轨道后,在正常运行过程中,系统具有向下的加速度且等于重力加速度g 轨,卫星上物体完全“失重”,因此在卫星上的仪器,凡是制造原理和重力有关的都不能正常使用.比如水银气压计、天平等,同理与重力有关的实验也将无法进行.但要注意,物体处于完全失重状态时,仍受重力作用,不能说物体不受重力.。