第四节 人造卫星 宇宙速度
学习目标
1.知道三个宇宙速度的含义,会推导第一宇宙速度.
2.了解人造卫星的有关知识,掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系.
3.了解我国卫星发射的情况,激发学生的爱国热情.
学习重点
1.知道三个宇宙速度的含义,会推导第一宇宙速度.
2.了解人造卫星的有关知识,掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系.
学习难点
掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系.
课前预习
使用说明与学法指导
学生课前预习及上课时使用,学生先预习,教师上课提问并指导学生对相关概念的理解
知识准备
圆周运动及万有引力定律的相关知识
预习自测
1.行星绕太阳的运动可以看成是匀速圆周运 ( http: / / www.21cnjy.com )动,太阳对行星的引力提供向心力,G= =mω2r= .
2.已知行星的公转周期T和轨道半径r可以计算太阳的质量:mS= .
3.人造卫星和月球围绕地球的运动可以看成是匀速圆周运动,地球对卫星(月球)的引力提供向心力:G= = =m()2r.
当卫星近地运行时,其轨道半径r等于地球半径R,因此有 =m=mω2R=m2R.
4.宇宙速度
(1)使卫星能环绕地球运行所需的 速度叫做第一宇宙速度,v1= km/s.
(2)使卫星 的引力束缚,不再绕 运行,从地球表面发射所需的最小速度叫做第二宇宙速度,v2=11.2 km/s.
(3)使物体脱离 的束缚而飞离 ,从地球表面发射所需的最小速度叫做第三宇宙速度,v3=16.7 km/s.
预习自测题
1.恒星演化发展到一定阶段,可能成为恒星世界的“侏儒”——中子星.中子星的半径较小,
一般在7~20 km,但它的密度大得惊人. ( http: / / www.21cnjy.com )若某中子星的半径为10 km,密度为1.2×1017 kg/m3,那么该中子星上的第一宇宙速度约为( )
A.7.9 km/s B.16.7 km/s C.2.9×104 km/s D.5.8×104 km/s
2.假如一做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增加到原来的2倍,仍做圆周运动,则 ( )
A.根据公式v=ωr可知卫星运动的线速度将增大到原来的2 倍
B.根据公式F=可知卫星所需的向心力将减小到原来的
C.根据公式F=G可知地球提供的向心力将减小到原来的
D.根据上述B和C中给出的公式可知,卫星运行的线速度将减小到原来的
课内探究
情景导入
地球的天然卫星是月球,人类运用万有引力定律结合各种先进技术已经逐步进入太空,并登上了月球。
学始于疑
质疑探究
一、人造卫星
问题:如图1所示,圆a、b、c的圆心均在地球的自转轴线上.b、c的圆心与地心重合,
卫星环绕地球做匀速圆周运动,据此思考
并讨论以下问题:
(1)三条轨道中可以作为卫星轨道的是哪条?为什么?
(2)卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力定律和向心力公式推导卫星的线速度、角速度、周期与半径的关系.
小结
卫星的向心加速度、线速度、角速度、周期与轨道半径的关系
1.向心加速度:根据牛顿第二定律得a=.随着卫星轨道半径的增大,向心加速度将 .
2.线速度:v= ,可以看出卫星的轨道半径越大,线速度越 .
3.角速度:ω= ,可以看出卫星的轨道半径越大,角速度越 .
4.周期:T=2π ,可以看出卫星的轨道半径越大,周期越 .
二、同步卫星
问题:同步卫星也叫通讯卫星,它相对于地面静止,和地球自转具有相同的周期,即T=24 h.已知地球的质量mE=6×1024 kg,地球半径R=6 400 km,引力常量G=6.67×10-11 N·m2/kg2.请根据以上信息以及所学知识探究:
(1)同步卫星所处的轨道平面.
(2)同步卫星的离地高度h.
小结
同步卫星的五个“一定”
1.定周期:运行周期与地球自转周期相同,T=24 h.
2.定轨道平面:所有地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面内.
3.定高度:离地面高度约为36 000 km.
4.定速率:运行速率约为3.1×103 m/s.
5.定点:每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上.
三、宇宙速度
问题:牛顿曾提出过一个著名的思想实验:如图2所示,从高山上水平抛出一个物体,当
抛出的速度足够大时,物体将环绕地球运动,成为人造地球卫星.据此思考并讨论以下问题:
(1)当抛出速度较小时,物体做什么运动?
当物体刚好不落回地面时,物体做什么运动?
若地球的质量为mE,物体到地心的距离为r,引力常量为G,试推导物体刚好不落回地面时的运行速度,若物体紧贴地面飞行,其速度大小为多少?(已知地球半径R=6 400 km,地球质量mE=5.98×1024 kg)
小结
1.第一宇宙速度vⅠ=7.9 km/s
(1)推导
方法一:由G=m得v=
方法二:由mg=m得v=
(2)理解:第一宇宙速度是人造地球卫星的 发射速度,也是卫星绕地球做匀速圆周运动的 环绕速度.
2.第二宇宙速度vⅡ= km/s,是从地面上发射物体并使之脱离地球束缚的 发射速度,又称脱离速度.
3.第三宇宙速度vⅢ= km/s,是从地面上发射物体并使之脱离太阳束缚的 发射速度,又称逃逸速度.
知识网络
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当堂检测
1.关于地球的第一宇宙速度,下列表述正确的是 ( )
A.第一宇宙速度又叫环绕速度
B.第一宇宙速度又叫脱离速度
C.第一宇宙速度跟地球的质量无关
D.第一宇宙速度跟地球的半径无关
2.如图3所示,a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造卫星,a和b的质量
相等,且小于c的质量,则 ( )
A.b所需向心力最小
B.b、c的周期相等且大于a的周期
C.b、c的向心加速度大小相等,且大于a的向心加速度
D.b、c的线速度大小相等,且小于a的线速度
3.2012年2月25日凌晨,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,将第
十一颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道.这是一颗地球静止轨道卫星,下列关于
地球同步卫星的说法正确的是 ( )
A.它的周期与地球自转周期相同
B.它的周期、高度、线速度都是一定的
C.我们国家发射的同步通讯卫星可以定点在北京上空
D.我国发射的同步通讯卫星必须定点在赤道上空
已知地球的半径是6.4×106 m,地球的自转周期是24 h,地球的质量是5.98×1024 kg,
引力常量G=6.67×10-11 N·m2/kg2,若要发射一颗地球同步卫星,试求:
(1)地球同步卫星的轨道半径r;
(2)地球同步卫星的环绕速度v,并与第一宇宙速度比较大小关系.
课后反思
课后练习
1.在正绕地球运行的人造卫星系统内,下列仪器还可以使用的有( )
A.天平 B.弹簧测力计
C.密度计 D.气压计
2.可以发射一颗这样的人造地球卫星,使其圆轨道( )
A.与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面同心圆
B.与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面同心圆
C.与地球表面上的赤道线是共面同心圆,且卫星相对地球表面是静止的
D.与地球表面上的赤道线是共面同心圆,但卫星相对于地球表面是运动的
3.探测器绕月球做匀速圆周运动,变轨后在周期较小的轨道上仍做匀速圆周运动,则变轨后与变轨前相比( )
A.轨道半径变小 B.向心加速度变小
C.线速度变小 D.角速度变小
4.假设地球的质量不变,而地球的半径增大到原来半径的2倍,那么从地球发射人造卫星的第一宇宙速度的大小应为原来的( )
A.倍 B.1/倍
C.1/2倍 D.2倍
5.
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图2
1970年4月24日,我国自行设计、制造的第一颗人造卫星“东方红一号”发射成功,
开创了我国航天事业的新纪元.“东方红一号”的运行轨道为椭圆轨道,如图2所示,
其近地点M和远地点N的高度分别为439 km和2 384 km,则( )
A.卫星在M点的速度小于N点的速度
B.卫星在M点的角速度大于N点的角速度
C.卫星在M点的加速度大于N点的加速度
D.卫星在N点的速度大于7.9 km/s
6.如图3所示,
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图3
a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造卫星.a、b质量相同,且小于c的
质量,下列判断正确的是( )
A.b、c的线速度大小相等,且大于a的线速度
B.b、c的周期相等,且大于a的周期
C.b、c的向心加速度大小相等,且大于a的向心加速度
D.b所需的向心力最小
7.由于通信和广播等方面的需要,许多国家发射了地球同步轨道卫星,这些卫星的( )
A.质量可以不同 B.轨道半径可以不同
C.轨道平面可以不同 D.速率可以不同
8.地球和木星绕太阳运行的轨道都可以看作是圆形的.已知木星的轨道半径约为地球轨
道半径的5.2倍,则木星与地球绕太阳运行的线速度之比约为( )
A.0.19 B.0.44 C.2.3 D.5.2
9.2009年2月11日,俄罗斯的“宇宙— ( http: / / www.21cnjy.com )2251”卫星和美国的“铱—33”卫星在西伯利亚上空约805 km处发生碰撞,这是历史上首次发生的完整在轨卫星碰撞事件.碰撞过程中产生的大量碎片可能会影响太空环境.假定有甲、乙两块碎片绕地球运动的轨道都是圆,甲的运行速率比乙的大,则下列说法中正确的是( )
A.甲的运行周期一定比乙的长
B.甲距地面的高度一定比乙的高
C.甲的向心力一定比乙的小
D.甲的加速度一定比乙的大
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图4
10.2009年5月,航天 ( http: / / www.21cnjy.com )飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后,在A点从圆形轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ,B为轨道Ⅱ上的一点,如图4所示.关于航天飞机的运动,下列说法中正确的有( )
A.在轨道Ⅱ上经过A的速度小于经过B的速度
B.在轨道Ⅱ上经过A的速度小于在轨道Ⅰ上经过A的速度
C.在轨道Ⅱ上运动的周期小于在轨道Ⅰ上运动的周期
D.在轨道Ⅱ上经过A的加速度小于在轨道Ⅰ上经过A的加速度
11.1990年3月,中国紫金山天文台 ( http: / / www.21cnjy.com )将1965年9月20日发现的第753号小行星命名为吴健雄星,其直径为32 km.如果该小行星的密度和地球相同,求该小行星的第一宇宙速度.(已知地球半径R0=6 400 km,地球的第一宇宙速度v0取8 km/s.)
12.如图所示,A是地球的同步卫星.另一卫星B的圆形轨道位于赤道平面内,离地
面高度为h.已知地球半径为R,地球自转角速度为ω0,地球表面的重力加速度为g,O
为地球中心.
(1)求卫星B的运行周期.
(2)如卫星B绕行方向与地球自转方向相同,某时刻A、B两卫星相距最近(O、B、A在
同一直线上),则至少经过多长时间,他们再一次相距最近?