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高中物理常规教学—宇宙航行

发布时间：2026-09-19 13:45:32 最近访问：2026-09-19 13:45:32

高中物理常规教学—宇宙航行

闵鑫卢德权

学案版请在年级物理QQ群下载，请先行学习。本文用于学习后补充笔记及复习调用。

一、宇宙速度

阅读课本P44-P45完成此部分

第一宇宙速度——第一宇宙速度又叫环绕速度，

物体只受万有引力贴近地球表面做匀速圆周运动的速度。

关于第一宇宙速度的推导：

设地球质量为M，半径R，绕地球做匀速圆周运动的飞行器质量为m，飞行器的速度为v，它到地心的距离为r，飞行器运动所需向心力是由万有引力提供的，

第二宇宙速度——第二宇宙速度又称为逃逸速度，指物体完全摆脱地球引力束缚，飞离地球的所需要的最小初始速度。

第三宇宙速度——第三宇宙速度又称为脱离速度，是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系所需的最小初始速度。

二、卫星的发射与回收

1、低轨道卫星的发射

2、高轨道卫星的发射与变轨

（1）直接发射的难度比较。

质量卫星在1轨道和3轨道上的势能E_P1<E_P3

设想一次性发射使得火箭获得一定初动能，使得火箭能到达相应高度的轨道，到达3轨道需要更大的初动能。

关于势能的表达式这里有——《小行星是否会撞地球的判定》

（1）低轨道到高轨道的变轨过程

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①先把卫星发射到低轨道（1轨道）；

②在经过P点时，瞬间点火加速（持续时间很短，使得卫星达到预定速度后关闭发动机），卫星进入椭圆轨道（2轨道）；

③在卫星经过Q点时，瞬间点火加速（持续时间很短，使得卫星达到预定速度后关闭发动机），卫星进入高轨道（3轨道）

（3）卫星的回收，高轨道到低轨道的变轨过程

①卫星在3轨道运行，在卫星经过Q点时，瞬间点火减速（持续时间很短，使得卫星达到预定速度后关闭发动机），卫星进入椭圆轨道（2轨道）

②卫星在2轨道运行，在经过P点时，瞬间点火减速（持续时间很短，使得卫星达到预定速度后关闭发动机），卫星进入椭圆轨道（1轨道）；

总结值得注意的问题：

1、圆周运动环绕系统，指的是卫星（行星）绕中心天体，只受万有引力作用做匀速圆周运动，构成的系统，而卫星在椭圆轨道运行时，速率不断变化，不属于圆周运动环绕系统

2、卫星在椭圆轨道上运行，从近地点到远地点的过程中速率不断减小

3、回顾变轨过程，比较v₁、v_2P、v_2Q、v₃的大小，v₂_Q<v₃<v₁<v₂_P

【问题研究】在某无自转的星球上空P点，先后以速度v_a、v_b、v_c平抛出A、B、C三个相同的小球，小球只在万有引力作用下的运动轨迹如图所示。则下列说法正确的是（）

A．A球落向地面是由于万有引力不足以提供向心力造成的

B．v_a<v_b<v_c

C．B球第一次到达M点时，C球还未到达Q点

D．由于C球的速度是变化的，所以P到Q与Q到P的时间不相等

【课堂练习1】发射地球同步卫星时，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，最后再次点火，将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如图，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是（）

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上的角速度小于在轨道1上的角速度

C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度

D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度

参考《行星运动的加速度、向心加速度区别》

※（3）不同轨道的能量对比

①卫星在轨道上正常运行（只受万有引力）机械能守恒

i卫星在圆周轨道正常运行，速率不变所以动能不变，距离地面高度不变所以重力势能不变，因此机械能守恒

ii卫星在椭圆轨道正常运动，只有重力做功，存在动能和势能的转化，但总的机械能不变

②卫星在不同轨道运行，机械能不同，轨道越高（半长轴越大）机械能越大

③变轨瞬间由于有发动机推力做功（由其它能量介入）机械能发生变化，导致轨道发生变化。（在推力下加速机械能变大因此轨道变大、在推力下减速机械能减小因此轨道变小）

三、轨道的微调

1、稀薄大气对卫星的影响

【情景研究】某人造地球卫星因受高空稀薄空气的阻力作用，绕地球运转的轨道会慢慢改变，每次测量中卫星的运动可近似看作圆周运动。某次测量卫星的轨道半径为r₁，后来变为r₂，r₂＜r₁。以v₁、v₂表示卫星在这两个轨道上的速率，T₁、T₂表示卫星在这两个轨道上绕地运动的周期，则（）

A．v₂＜v₁，T₂＞T₁ B．v₂＞v₁，T₂＜T₁

C．v₂＜v₁，T₂＜T₁D．v₂＞v₁，T₂＞T₁

分析：受稀薄大气微小阻力影响，卫星机械能缓慢减小，轨道半径缓慢减小，由于这个过程十分缓慢，短时间内视为准匀速圆周运动。根据圆周运动环绕系统特点，半径减小速度增大，周期减小。

总结航天器在近轨道受稀薄大气下运动特点：

由于卫星与稀薄大气的摩擦生热，造成卫星的机械能缓慢小，轨道逐渐减小，

重力势能逐渐减小，动能逐渐增大。但这个过程十分缓慢，短时间内还是认为卫星做匀速圆周运动。

【课堂练习2】2012年6月18日，“神舟九号”飞船与“天宫一号”目标飞行器在离地面343km的近圆形轨道上成功进行了我国首次载人空间对接。对接轨道所处的空间存在及其稀薄的大气。下列说法正确的是（）

A．为实现对接，两者运行速度的大小都应介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间

B．如不加干预，在运行一段时间后，天宫一号的动能可能会增加

C．如不加干预，天宫一号的轨道高度将缓慢降低

D．航天员在天宫一号中处于失重状态，说明航天员不受地球引力作用

2、空间站的对接

【情景研究】太空被称为是21世纪技术革命的摇篮．摆脱地球引力，在更“纯净”的环境中探求物质的本质，拨开大气层的遮盖，更直接地探索宇宙的奥秘，一直是科学家们梦寐以求的机会．“神舟”系列载人飞船的成功发射与回收给我国航天界带来足够的信心，我国提出了载人飞船——太空实验室——空间站的三部曲构想．某宇航员要与轨道空间站对接，飞船为了追上轨道空间站（）

A．只能从较低轨道上加速 B．只能从较高轨道上加速

C．只能从空间站同一高度的轨道上加速 D．无论在什么轨道上，只要加速都行

分析：在圆周轨道上加速将会做离心运动，所以应该在较低轨道上合适的位置合适在时机加速，飞船做离心运动实现与较高轨道的空间站相遇

【课堂练习3】如图所示，a、b、c是在地球大气层外同一平面内的圆形轨道上绕逆时针方向运动的3颗卫星，下列说法正确的是（）

A．b、c的线速度大小相等，且大于a的线速度

B．b、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度

C．a卫星由于某原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将增大

D．c加速可追上同一轨道上的b，b减速可等候同一轨道上的c

【课后检测】

1、我国发射“神舟”号飞船时，先将飞船发送到一个椭圆轨道上，其近地点M距地面200km，远地点N距地面340km.进入该轨道正常运行时，通过M、N点时的速率分别是v₁、v₂。当某次飞船通过N点时，地面指挥部发出指令，点燃飞船上的发动机，使飞船在短时间内加速后进入离地面340km的圆形轨道，开始绕地球做匀速圆周运动.这时飞船的速率为v₃。比较飞船在M、N、P三点正常运行时(不包括点火加速阶段)的速率大小和加速度大小，下列结论正确的是（）