7.4 宇宙航行 学案（含答案）--高中物理人教版（2019）必修 第二册
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| 名称 | 7.4 宇宙航行 学案（含答案）--高中物理人教版（2019）必修 第二册 |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 2.9MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-12-07 10:29:02 | ||
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文档简介
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高中物理必修二素养提升学案
第七章 万有引力与宇宙航行
7.4．宇宙航行
【学习目标与核心素养】
一．知识与技能
1. 了解人造地球卫星的最初构想；会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题；
2. 知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度；
3. 知道同步卫星和其他卫星的区别。
4．了解发射速度与环绕速度的区别和联系。
二．过程与方法
1. 对于宇宙速度的理解和应用，计算第一宇宙速度；
2. 了解人造地球卫星和同步卫星，解决卫星变轨与对接以及双星模型问题。
3．情感态度与价值观
1. 了解人造地球卫星的最初构想，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感；
2. 培养学生解决物理问题的科学思维方法，培养学生的创造性思维过程以及初步的观察、分析和概括能力。
教学重点：1. 对于宇宙速度的理解和应用；
2. 了解人造地球卫星和同步卫星。
教学难点：1.第一宇宙速度的计算和卫星运行的规律；
2. 同步卫星的规律、卫星变轨与对接以及双星模型
【思维脉络】
【知识探究】
知识点 1 宇宙速度
1．牛顿的设想
如图所示，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。你知道这个速度究竟有多大吗？
2．第一宇宙速度的推导
我们可以从运动和受力分析入手，用万有引力定律和牛顿第二定律进行求解。物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略。
在简化之后，物体只受到指向地心的引力作用，物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动。
(1)已知地球质量m地和半径R，物体在地面附近绕地球的运动可视为__匀速圆周__运动，__万有引力__提供物体运动所需的向心力，轨道半径r近似认为等于__地球半径R__，由＝m，可得v＝。
(2)已知地面附近的重力加速度g和地球半径R，由__mg__＝m得：v＝。
(3)三个宇宙速度及含义
数值 意义
第一宇宙速度 __7.9__km/s 卫星在地球表面附近绕地球做__匀速圆周运动__的速度。
第二宇宙速度 __11.2__km/s 使卫星挣脱__地球__引力束缚的最小地面发射速度。即在地面附近发射飞行器，使其克服地球引力永远离开地球所需的最小发射速度。
第三宇宙速度 __16.7__km/s 使卫星挣脱__太阳__引力束缚的__最小__地面发射速度。即在地面附近发射飞行器，能够挣脱太阳引力的束缚飞到太阳系外的最小发射速度。
对宇宙速度的理解
（1）当地面上的水平发射速度达到第一宇宙速度时，即7.9 km/s时，物体贴近地球表面做匀速圆周运动，不再落回地面。当发射速度小于7.9 km/s时，物体最终落回地面，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。
（2）当在地面的发射速度满足11.2 km/s 7.9 km/s时，卫星绕地球运行的轨道是椭圆轨道，地球位于椭圆的一个焦点上。
（3）当在地面的发射速度满足16.7 km/s11.2 km/s时，卫星将脱离地球的束缚，成为太阳系的一颗“小行星”或绕其他行星运动的卫星。
2、第一宇宙速度的理解
（1）“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射高轨道卫星要克服地球引力做的功多(后面学习)。近地圆轨道是人造卫星的最低运行轨道，而此时的速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。在地面上的发射速度如果小于第一宇宙速度，物体会落回地球，不能成为卫星。
（2）“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由可得，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。
3、卫星的运行速度和发射速度的区别
由得，指的是卫星在轨道上运行时的速度，其大小随轨道半径的增大而减小，所以卫星的运行速度。但由于卫星在发射过程中要克服地球引力做功(后面学习)，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越大，因而卫星的最小发射速度为。
知识点 2 人造地球卫星
1. 卫星的轨道
(1)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步轨道)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任意角度，如图所示。
（2）卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以圆轨道。卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心是椭圆的一个焦点，其周长和半长轴的关系，遵循开普勒第三定律。
（3）卫星绕地球沿圆轨道运行时，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，所以地心必然是圆轨道的圆心。
2. 地球同步卫星
地球同步卫星位于赤道上方高度约 36000km处，因相对地面静止，也称静止卫星，由于广泛应用于通信，又叫通信卫星。地球同步卫星与地球以相同的角速度转动，周期与地球自转周期相同。
地球同步卫星的特点
①定周期：所有同步卫星周期均为T＝24 h。
②定轨道：同步卫星轨道必须在地球赤道的正上方，运转方向必须跟地球自转方向一致，即由西向东。
③定高度：由G＝m(R＋h)可得，同步卫星离地面高度为h＝－R≈3.58×104 km≈6R。
④定速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此线速度、角速度大小均不变。
⑤定加速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此向心加速度大小也不变。
3. 卫星中的超重与失重
①超重：发射时加速上升过程；返回大气层时减速降低过程。
②失重：卫星进入轨道后，卫星本身和其中的人、物都处于完全失重状态。
③卫星中失效的物理仪器：凡工作条件或原理与重力有关的仪器都不能使用。
4. 卫星变轨与飞船对接
（1）卫星的变轨
卫星在运动中的“变轨” 有两种情况：离心运动和近心运动。当万有引力恰好提供卫星所需的向心力，即，卫星做匀速圆周运动；当某时刻速度发生突变，所需的向心力也会发生突变，而突变瞬间万有引力不变。
①制动变轨：卫星的速率变小时，使得万有引力大于所需向心力，即，卫星做近心运动，轨道半径将变小。所以要使卫星的轨道半径变小，需开动发动机使卫星做减速运动。
②加速变轨：卫星的速率变大时，使得万有引力小于所需向心力，即，卫星做离心运动，轨道半径将变大。所以要使卫星的轨道半径变大，需开动发动机使卫星做加速运动。
（2）飞船的对接
①低轨道飞船与高轨道空间站对接：如图甲所示，低轨道飞船通过合理加速，沿椭圆轨道做离心运动，追上高轨道空间站与其完成对接。
②同一轨道飞船与空间站对接：如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度。
（3）载人航天与太空探索
2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。
除了载人航天工程，我国还在许多方面进行着太空探索。2013年6月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接；2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。2017年4月20日，我国又发射了货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主决速交会对接等3次交会对接及多项实验。2023年10月26日11时14分，搭载神舟十七号载人飞船的长征二号F遥十七运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。神舟十七号载人飞船入轨后，于北京时间2023年10月26日17时46分，成功对接于空间站天和核心舱前向端口，整个对接过程历时约6.5小时。
【课堂训练】
1. 思考辨析
(1)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9 km/s。(√)
(2)人造地球卫星的最小绕行速度是7.9 km/s。(×)
(3)我国向月球发射的“嫦娥二号”宇宙飞船在地面附近的发射速度要大于11.2 km/s。(×)
(4)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大。(×)
(5)同步卫星可以“静止”在北京的上空。(×)
(6)由v＝，高轨道卫星运行速度小，故发射高轨道卫星比发射低轨道卫星更容易。(×)
2. 如图中的四种虚线轨迹，可能是人造地球卫星轨道的是( ACD )
【答案】ACD
【解析】：人造地球卫星靠地球对它的万有引力提供向心力而做匀速圆周运动，地球对卫星的万有引力指向地心，所以人造地球卫星做圆周运动的圆心是地心，故ACD正确，B错误。
3. a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星，其中a、c的轨道相交于P(图中未画出)，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道位于同一平面。某时刻四颗人造卫星的运行方向及位置如图所示。下列说法中正确的是( AC )
A．a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度
B．b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度
C．a、c的线速度大小相等，且大于d的线速度
D．a、c存在相撞危险
【答案】AC
【思路引导】：万有引力提供向心力是解决卫星问题的核心，正确选用向心力的不同表达式是解题的关键。
【解析】：a、c的轨道相交于P，说明两颗卫星的轨道半径相等，根据G＝ma可知，a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度，选项A正确。根据G＝mω2r可知，b的角速度小于a、c的角速度，选项B错误。根据G＝m可知，a、c的线速度大小相等，且大于d的线速度，选项C正确。由于a、c的轨道半径相等，周期相等，不存在相撞危险，选项D错误。
4 北斗三号系统最后一颗组网卫星于2020年6月23日在西昌卫星发射中心发射，并于6月30日成功定点到工作轨位。据介绍，该卫星是北斗卫星导航系统第55颗卫星，也是北斗三号全球卫星导航系统中的地球静止轨道卫星，可以定点在赤道上空的某一点。则关于该颗卫星下列说法正确的是( A )
A．以地面为参考系，北斗导航卫星静止
B．以太阳为参考系，北斗导航卫星静止
C．北斗导航卫星在高空相对赤道上物体一定是运动的
D．北斗导航卫星相对地面上静止的物体是运动的
【答案】A
【解析】：地球静止轨道卫星相对于地面是静止的。故A正确；以太阳为参考系，北斗导航卫星随地球一起绕太阳运动。故B错误；以地面为参考系，北斗导航卫星是静止的，故C错误；地球静止轨道卫星相对于地面是静止的，所以相对地面上静止的物体也是静止的。故D错误。
5．(多选)可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道( CD )
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，且卫星相对于地球表面是静止的
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
【答案】CD
【解析】：因为人造卫星绕地球做圆周运动，靠万有引力提供向心力，万有引力以及向心力的方向均指向地心，所以人造地球卫星的轨道的圆心必须是地心，故A错误；卫星通过南北极上空，某时刻在某一经线上，由于地球的自转，下一刻卫星将不在原来的经线上，故B错误；同步卫星在赤道上方，与地球保持相对静止，轨道平面与赤道平面共面，故C正确；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，万有引力提供向心力，高度小于或者大于同步卫星高度，故D正确。
6. 2023年11月16日11时55分，我国在酒泉卫星发射中心成功发射新一代海洋水色观测卫星海洋三号01星，卫星顺利进入预定轨道。若已知地球表面重力加速度为g，引力常量为G，地球的第一宇宙速度为v1，则( A )
A．根据题给条件可以估算出地球的质量
B．据题给条件不能估算地球的平均密度
C．第一宇宙速度v1是人造地球卫星的最大发射速度，也是最小环绕速度
D．在地球表面以速度2v1发射的卫星将会脱离太阳的束缚，飞到太阳系之外
【答案】A
【解析】：设地球半径为R，则地球的第一宇宙速度为v1＝，对近地卫星有G＝mg，联立可得M＝，A正确；地球体积V＝πR3＝π3，结合M＝，可以估算出地球的平均密度为ρ＝，B错误；第一宇宙速度v1是人造地球卫星的最小发射速度，也是最大的环绕速度，C错误；第一宇宙速度v1＝7.9 km/s，第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，第三宇宙速度v3＝16.7 km/s，在地球表面以速度2v1发射的卫星，速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度，此卫星成为绕太阳运动的卫星，D错误。
7．某人在一星球上以速度v0竖直上抛一物体，经时间t后，物体落回到手中。已知地球半径为R，星球的半径是地球半径的一半，那么至少要用多大的速度沿星球表面抛出才能使物体不再落回星球表面( A )
A． B．
C． D．
【答案】A
【解析】：由竖直上抛规律可得，在该星球表面的重力加速度为g＝＝。设至少以速度v抛出物体才不再落回星球表面，应满足mg＝m，联立可解得v＝，A正确。
8. (2021·江苏淮安市高一月考)假如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 ( CD )
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
【答案】CD
【易错分析】：对人造卫星的运行规律认识不清，盲目套用公式，不能正确判断当轨道半径发生变化时，相关物理量如何改变。而错选AB。
【解析】人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供，有G＝，得v＝，则离地球越远的卫星运行速度越小，当半径增加到原来的2倍时，引力变为原来的，速度变为原来的倍，选项B错误，选项C、D正确；由于ω＝，故当r增加到原来的2倍时，ω将改变，所以不能用公式v＝ωr来判断卫星线速度的变化，选项A错误。
素养警示
在讨论此类问题时，一定要分清哪些物理量是不变量，哪些物理量是变量，并由物理公式明确变量间的函数关系。解题的关键是对物理概念和规律的正确理解，绝对不能盲目套用公式。
9．(2021·江苏南通市高一开学考试)2020年6月23日，第55颗北斗导航卫星发射成功，这标志着我国提前半年完成北斗三号全球卫星导航系统星座部署目标。第55颗卫星也是北斗三号全球卫星导航系统第三颗地球静止同步轨道卫星，关于这颗卫星的说法正确的是( A )
A．它的工作轨道在赤道平面内
B．它的周期与地球公转周期相同
C．它的线速度小于赤道上物体随地球自转的线速度
D．它的向心加速度小于赤道上物体随地球自转的向心加速度
【答案】A
【解析】地球同步卫星的工作轨道在赤道平面内，周期与地球自转周期相同，故A对，B错；赤道上的物体随地球自转，周期T与同步卫星相同，由v＝，an＝2r，因为地球同步卫星的轨道半径r大于赤道上的物体，故它的线速度和向心加速度均大于赤道上的物体，故C、D错。
10．(2021·江苏高一月考)在地面附近先后发射飞行器甲和乙，甲的发射速度为7.9 km/s，乙的发射速度为10 km/s。已知引力常量G＝6.67×10－11 N·m2/ kg2，根据以上信息可判断或求出( D )
A．甲的轨道是椭圆 B．乙的轨道是圆
C．地球的密度 D．甲的周期比乙短
【答案】D
【解析】甲的速度恰好等于第一宇宙速度，则轨道是圆，选项A错误；乙的速度大于第一宇宙速度，但是小于第二宇宙速度，则轨道是椭圆，选项B错误；根据题中条件不能求解地球的密度，选项C错误；根据开普勒第三定律，乙的半长轴大于甲的轨道半径，则甲的周期比乙短，选项D正确。
10．(2021·江苏扬州市扬州中学高一月考)如图所示，L为地月拉格朗日点，该点位于地球和月球连线的延长线上，处于此处的某卫星无需动力维持即可与月球一起同步绕地球做圆周运动。已知该卫星与月球的中心、地球中心的距离分别为r1、r2，月球公转周期为T，引力常量为G。则( C )
A．该卫星的周期大于月球的公转周期
B．该卫星的加速度小于月球公转的加速度
C．根据题述条件，可以求出月球的质量
D．根据题述条件，不能求出地球的质量
【答案】C
【解析】该卫星的周期等于月球的公转周期，所以A错误；该卫星的周期等于月球公转的周期，则它们有相同的角速度，根据a＝ω2R可知，该卫星的加速度大于月球公转的加速度，所以B错误；处于拉格朗日点的卫星有G＋G＝m2r2，对月球有G＝M月2(r2－r1)，由上两式解得月球与地球的质量，所以C正确；D错误。
11．(2021·广西桂林市高一开学考试)如图是关于地球表面发射卫星时的三种宇宙速度的示意图，椭圆轨道为某卫星的运动轨道，下列说法正确的是( A )
A．此卫星的发射速度大于第一宇宙速度
B．此卫星在远地点的速度大于第一宇宙速度
C．若想让卫星进入月球轨道，发射速度需大于第二宇宙速度
D．若想让卫星进入太阳轨道，发射速度需大于第三宇宙速度
【答案】A
【解析】第一宇宙速度是最小的发射速度。此卫星为椭圆轨道卫星，发射速度大于第一宇宙速度。A正确；此卫星在远地点的速度小于同高度圆周运动卫星的速度，同高度圆周运动卫星的速度小于第一宇宙速度，所以此卫星在远地点的速度小于第一宇宙速度。B错误；月球轨道还在地球吸引范围之内，所以发射速度不能超过第二宇宙速度，所以C错误；第三宇宙速度是脱离太阳系所需要的最小发射速度，所以，若想让卫星进入太阳轨道，发射速度不能大于第三宇宙速度。D错误。
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高中物理必修二素养提升学案
第七章 万有引力与宇宙航行
7.4．宇宙航行
【学习目标与核心素养】
一．知识与技能
1. 了解人造地球卫星的最初构想；会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题；
2. 知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度；
3. 知道同步卫星和其他卫星的区别。
4．了解发射速度与环绕速度的区别和联系。
二．过程与方法
1. 对于宇宙速度的理解和应用，计算第一宇宙速度；
2. 了解人造地球卫星和同步卫星，解决卫星变轨与对接以及双星模型问题。
3．情感态度与价值观
1. 了解人造地球卫星的最初构想，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感；
2. 培养学生解决物理问题的科学思维方法，培养学生的创造性思维过程以及初步的观察、分析和概括能力。
教学重点：1. 对于宇宙速度的理解和应用；
2. 了解人造地球卫星和同步卫星。
教学难点：1.第一宇宙速度的计算和卫星运行的规律；
2. 同步卫星的规律、卫星变轨与对接以及双星模型
【思维脉络】
【知识探究】
知识点 1 宇宙速度
1．牛顿的设想
如图所示，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。你知道这个速度究竟有多大吗？
2．第一宇宙速度的推导
我们可以从运动和受力分析入手，用万有引力定律和牛顿第二定律进行求解。物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略。
在简化之后，物体只受到指向地心的引力作用，物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动。
(1)已知地球质量m地和半径R，物体在地面附近绕地球的运动可视为__匀速圆周__运动，__万有引力__提供物体运动所需的向心力，轨道半径r近似认为等于__地球半径R__，由＝m，可得v＝。
(2)已知地面附近的重力加速度g和地球半径R，由__mg__＝m得：v＝。
(3)三个宇宙速度及含义
数值 意义
第一宇宙速度 __7.9__km/s 卫星在地球表面附近绕地球做__匀速圆周运动__的速度。
第二宇宙速度 __11.2__km/s 使卫星挣脱__地球__引力束缚的最小地面发射速度。即在地面附近发射飞行器，使其克服地球引力永远离开地球所需的最小发射速度。
第三宇宙速度 __16.7__km/s 使卫星挣脱__太阳__引力束缚的__最小__地面发射速度。即在地面附近发射飞行器，能够挣脱太阳引力的束缚飞到太阳系外的最小发射速度。
对宇宙速度的理解
（1）当地面上的水平发射速度达到第一宇宙速度时，即7.9 km/s时，物体贴近地球表面做匀速圆周运动，不再落回地面。当发射速度小于7.9 km/s时，物体最终落回地面，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。
（2）当在地面的发射速度满足11.2 km/s 7.9 km/s时，卫星绕地球运行的轨道是椭圆轨道，地球位于椭圆的一个焦点上。
（3）当在地面的发射速度满足16.7 km/s11.2 km/s时，卫星将脱离地球的束缚，成为太阳系的一颗“小行星”或绕其他行星运动的卫星。
2、第一宇宙速度的理解
（1）“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射高轨道卫星要克服地球引力做的功多(后面学习)。近地圆轨道是人造卫星的最低运行轨道，而此时的速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。在地面上的发射速度如果小于第一宇宙速度，物体会落回地球，不能成为卫星。
（2）“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由可得，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。
3、卫星的运行速度和发射速度的区别
由得，指的是卫星在轨道上运行时的速度，其大小随轨道半径的增大而减小，所以卫星的运行速度。但由于卫星在发射过程中要克服地球引力做功(后面学习)，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越大，因而卫星的最小发射速度为。
知识点 2 人造地球卫星
1. 卫星的轨道
(1)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步轨道)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任意角度，如图所示。
（2）卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以圆轨道。卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心是椭圆的一个焦点，其周长和半长轴的关系，遵循开普勒第三定律。
（3）卫星绕地球沿圆轨道运行时，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，所以地心必然是圆轨道的圆心。
2. 地球同步卫星
地球同步卫星位于赤道上方高度约 36000km处，因相对地面静止，也称静止卫星，由于广泛应用于通信，又叫通信卫星。地球同步卫星与地球以相同的角速度转动，周期与地球自转周期相同。
地球同步卫星的特点
①定周期：所有同步卫星周期均为T＝24 h。
②定轨道：同步卫星轨道必须在地球赤道的正上方，运转方向必须跟地球自转方向一致，即由西向东。
③定高度：由G＝m(R＋h)可得，同步卫星离地面高度为h＝－R≈3.58×104 km≈6R。
④定速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此线速度、角速度大小均不变。
⑤定加速度：由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此向心加速度大小也不变。
3. 卫星中的超重与失重
①超重：发射时加速上升过程；返回大气层时减速降低过程。
②失重：卫星进入轨道后，卫星本身和其中的人、物都处于完全失重状态。
③卫星中失效的物理仪器：凡工作条件或原理与重力有关的仪器都不能使用。
4. 卫星变轨与飞船对接
（1）卫星的变轨
卫星在运动中的“变轨” 有两种情况：离心运动和近心运动。当万有引力恰好提供卫星所需的向心力，即，卫星做匀速圆周运动；当某时刻速度发生突变，所需的向心力也会发生突变，而突变瞬间万有引力不变。
①制动变轨：卫星的速率变小时，使得万有引力大于所需向心力，即，卫星做近心运动，轨道半径将变小。所以要使卫星的轨道半径变小，需开动发动机使卫星做减速运动。
②加速变轨：卫星的速率变大时，使得万有引力小于所需向心力，即，卫星做离心运动，轨道半径将变大。所以要使卫星的轨道半径变大，需开动发动机使卫星做加速运动。
（2）飞船的对接
①低轨道飞船与高轨道空间站对接：如图甲所示，低轨道飞船通过合理加速，沿椭圆轨道做离心运动，追上高轨道空间站与其完成对接。
②同一轨道飞船与空间站对接：如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度。
（3）载人航天与太空探索
2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。
除了载人航天工程，我国还在许多方面进行着太空探索。2013年6月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接；2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。2017年4月20日，我国又发射了货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主决速交会对接等3次交会对接及多项实验。2023年10月26日11时14分，搭载神舟十七号载人飞船的长征二号F遥十七运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。神舟十七号载人飞船入轨后，于北京时间2023年10月26日17时46分，成功对接于空间站天和核心舱前向端口，整个对接过程历时约6.5小时。
【课堂训练】
1. 思考辨析
(1)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9 km/s。(√)
(2)人造地球卫星的最小绕行速度是7.9 km/s。(×)
(3)我国向月球发射的“嫦娥二号”宇宙飞船在地面附近的发射速度要大于11.2 km/s。(×)
(4)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大。(×)
(5)同步卫星可以“静止”在北京的上空。(×)
(6)由v＝，高轨道卫星运行速度小，故发射高轨道卫星比发射低轨道卫星更容易。(×)
2. 如图中的四种虚线轨迹，可能是人造地球卫星轨道的是( ACD )
【答案】ACD
【解析】：人造地球卫星靠地球对它的万有引力提供向心力而做匀速圆周运动，地球对卫星的万有引力指向地心，所以人造地球卫星做圆周运动的圆心是地心，故ACD正确，B错误。
3. a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星，其中a、c的轨道相交于P(图中未画出)，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道位于同一平面。某时刻四颗人造卫星的运行方向及位置如图所示。下列说法中正确的是( AC )
A．a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度
B．b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度
C．a、c的线速度大小相等，且大于d的线速度
D．a、c存在相撞危险
【答案】AC
【思路引导】：万有引力提供向心力是解决卫星问题的核心，正确选用向心力的不同表达式是解题的关键。
【解析】：a、c的轨道相交于P，说明两颗卫星的轨道半径相等，根据G＝ma可知，a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度，选项A正确。根据G＝mω2r可知，b的角速度小于a、c的角速度，选项B错误。根据G＝m可知，a、c的线速度大小相等，且大于d的线速度，选项C正确。由于a、c的轨道半径相等，周期相等，不存在相撞危险，选项D错误。
4 北斗三号系统最后一颗组网卫星于2020年6月23日在西昌卫星发射中心发射，并于6月30日成功定点到工作轨位。据介绍，该卫星是北斗卫星导航系统第55颗卫星，也是北斗三号全球卫星导航系统中的地球静止轨道卫星，可以定点在赤道上空的某一点。则关于该颗卫星下列说法正确的是( A )
A．以地面为参考系，北斗导航卫星静止
B．以太阳为参考系，北斗导航卫星静止
C．北斗导航卫星在高空相对赤道上物体一定是运动的
D．北斗导航卫星相对地面上静止的物体是运动的
【答案】A
【解析】：地球静止轨道卫星相对于地面是静止的。故A正确；以太阳为参考系，北斗导航卫星随地球一起绕太阳运动。故B错误；以地面为参考系，北斗导航卫星是静止的，故C错误；地球静止轨道卫星相对于地面是静止的，所以相对地面上静止的物体也是静止的。故D错误。
5．(多选)可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道( CD )
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，且卫星相对于地球表面是静止的
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
【答案】CD
【解析】：因为人造卫星绕地球做圆周运动，靠万有引力提供向心力，万有引力以及向心力的方向均指向地心，所以人造地球卫星的轨道的圆心必须是地心，故A错误；卫星通过南北极上空，某时刻在某一经线上，由于地球的自转，下一刻卫星将不在原来的经线上，故B错误；同步卫星在赤道上方，与地球保持相对静止，轨道平面与赤道平面共面，故C正确；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，万有引力提供向心力，高度小于或者大于同步卫星高度，故D正确。
6. 2023年11月16日11时55分，我国在酒泉卫星发射中心成功发射新一代海洋水色观测卫星海洋三号01星，卫星顺利进入预定轨道。若已知地球表面重力加速度为g，引力常量为G，地球的第一宇宙速度为v1，则( A )
A．根据题给条件可以估算出地球的质量
B．据题给条件不能估算地球的平均密度
C．第一宇宙速度v1是人造地球卫星的最大发射速度，也是最小环绕速度
D．在地球表面以速度2v1发射的卫星将会脱离太阳的束缚，飞到太阳系之外
【答案】A
【解析】：设地球半径为R，则地球的第一宇宙速度为v1＝，对近地卫星有G＝mg，联立可得M＝，A正确；地球体积V＝πR3＝π3，结合M＝，可以估算出地球的平均密度为ρ＝，B错误；第一宇宙速度v1是人造地球卫星的最小发射速度，也是最大的环绕速度，C错误；第一宇宙速度v1＝7.9 km/s，第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，第三宇宙速度v3＝16.7 km/s，在地球表面以速度2v1发射的卫星，速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度，此卫星成为绕太阳运动的卫星，D错误。
7．某人在一星球上以速度v0竖直上抛一物体，经时间t后，物体落回到手中。已知地球半径为R，星球的半径是地球半径的一半，那么至少要用多大的速度沿星球表面抛出才能使物体不再落回星球表面( A )
A． B．
C． D．
【答案】A
【解析】：由竖直上抛规律可得，在该星球表面的重力加速度为g＝＝。设至少以速度v抛出物体才不再落回星球表面，应满足mg＝m，联立可解得v＝，A正确。
8. (2021·江苏淮安市高一月考)假如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 ( CD )
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
【答案】CD
【易错分析】：对人造卫星的运行规律认识不清，盲目套用公式，不能正确判断当轨道半径发生变化时，相关物理量如何改变。而错选AB。
【解析】人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供，有G＝，得v＝，则离地球越远的卫星运行速度越小，当半径增加到原来的2倍时，引力变为原来的，速度变为原来的倍，选项B错误，选项C、D正确；由于ω＝，故当r增加到原来的2倍时，ω将改变，所以不能用公式v＝ωr来判断卫星线速度的变化，选项A错误。
素养警示
在讨论此类问题时，一定要分清哪些物理量是不变量，哪些物理量是变量，并由物理公式明确变量间的函数关系。解题的关键是对物理概念和规律的正确理解，绝对不能盲目套用公式。
9．(2021·江苏南通市高一开学考试)2020年6月23日，第55颗北斗导航卫星发射成功，这标志着我国提前半年完成北斗三号全球卫星导航系统星座部署目标。第55颗卫星也是北斗三号全球卫星导航系统第三颗地球静止同步轨道卫星，关于这颗卫星的说法正确的是( A )
A．它的工作轨道在赤道平面内
B．它的周期与地球公转周期相同
C．它的线速度小于赤道上物体随地球自转的线速度
D．它的向心加速度小于赤道上物体随地球自转的向心加速度
【答案】A
【解析】地球同步卫星的工作轨道在赤道平面内，周期与地球自转周期相同，故A对，B错；赤道上的物体随地球自转，周期T与同步卫星相同，由v＝，an＝2r，因为地球同步卫星的轨道半径r大于赤道上的物体，故它的线速度和向心加速度均大于赤道上的物体，故C、D错。
10．(2021·江苏高一月考)在地面附近先后发射飞行器甲和乙，甲的发射速度为7.9 km/s，乙的发射速度为10 km/s。已知引力常量G＝6.67×10－11 N·m2/ kg2，根据以上信息可判断或求出( D )
A．甲的轨道是椭圆 B．乙的轨道是圆
C．地球的密度 D．甲的周期比乙短
【答案】D
【解析】甲的速度恰好等于第一宇宙速度，则轨道是圆，选项A错误；乙的速度大于第一宇宙速度，但是小于第二宇宙速度，则轨道是椭圆，选项B错误；根据题中条件不能求解地球的密度，选项C错误；根据开普勒第三定律，乙的半长轴大于甲的轨道半径，则甲的周期比乙短，选项D正确。
10．(2021·江苏扬州市扬州中学高一月考)如图所示，L为地月拉格朗日点，该点位于地球和月球连线的延长线上，处于此处的某卫星无需动力维持即可与月球一起同步绕地球做圆周运动。已知该卫星与月球的中心、地球中心的距离分别为r1、r2，月球公转周期为T，引力常量为G。则( C )
A．该卫星的周期大于月球的公转周期
B．该卫星的加速度小于月球公转的加速度
C．根据题述条件，可以求出月球的质量
D．根据题述条件，不能求出地球的质量
【答案】C
【解析】该卫星的周期等于月球的公转周期，所以A错误；该卫星的周期等于月球公转的周期，则它们有相同的角速度，根据a＝ω2R可知，该卫星的加速度大于月球公转的加速度，所以B错误；处于拉格朗日点的卫星有G＋G＝m2r2，对月球有G＝M月2(r2－r1)，由上两式解得月球与地球的质量，所以C正确；D错误。
11．(2021·广西桂林市高一开学考试)如图是关于地球表面发射卫星时的三种宇宙速度的示意图，椭圆轨道为某卫星的运动轨道，下列说法正确的是( A )
A．此卫星的发射速度大于第一宇宙速度
B．此卫星在远地点的速度大于第一宇宙速度
C．若想让卫星进入月球轨道，发射速度需大于第二宇宙速度
D．若想让卫星进入太阳轨道，发射速度需大于第三宇宙速度
【答案】A
【解析】第一宇宙速度是最小的发射速度。此卫星为椭圆轨道卫星，发射速度大于第一宇宙速度。A正确；此卫星在远地点的速度小于同高度圆周运动卫星的速度，同高度圆周运动卫星的速度小于第一宇宙速度，所以此卫星在远地点的速度小于第一宇宙速度。B错误；月球轨道还在地球吸引范围之内，所以发射速度不能超过第二宇宙速度，所以C错误；第三宇宙速度是脱离太阳系所需要的最小发射速度，所以，若想让卫星进入太阳轨道，发射速度不能大于第三宇宙速度。D错误。
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