《学霸笔记 同步精讲》第7章 万有引力与宇宙航行 4.宇宙航行（课件）高中物理人教版必修二

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第七章　万有引力与宇宙航行
4.宇宙航行
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.了解人造卫星的有关知识。
2.知道三个宇宙速度的含义,会推导第一宇宙速度。
3.理解卫星的运行速度与轨道半径的关系。
4.了解地球同步卫星的规律。
课标定位
1.通过学习三个宇宙速度,形成物理观念。
2.通过求解有关卫星运动的基本问题,培养解决实际问题的科学思维。
3.学习人造卫星的有关知识,培养科学的研究态度。
素养阐释
自主预习·新知导学
一、宇宙速度
二、人造地球卫星
1.人造地球卫星
(1)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。
(2)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。
(3)所有卫星的轨道平面均过地心。
2.地球同步卫星位于地面上方高度约36 000 km处,周期与地球自转周期相同。其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角,运动方向与地球自转方向相同。因其相对地面静止,也称静止卫星。
三、载人航天与太空探索
1961年4月12日,苏联航天员加加林进入东方一号载人飞船,铸就了人类首次进入太空的丰碑。
1969年7月,美国阿波罗11号登上月球。
2003年10月15日,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。
2021年4月29日,具备长期自主飞行能力的天和核心舱成功发射。
2022年12月2日,中国航天员乘组完成首次在轨交接,中国空间站正式开启长期有人驻留模式。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10 km/s。
(　　)
(2)在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9 km/s。(　　)
(3)如果在地面发射卫星的速度大于11.2 km/s,卫星会永远离开地球。(　　)
(4)不同的同步卫星的质量不同,离地面的高度也不同。(　 )
×
√
√
×
2.人造卫星能够绕地球转动而不落回地面,是否是由于卫星不再受到地球引力的作用
提示:不是,卫星仍然受到地球引力的作用,但地球引力全部用来提供向心力。
3.飞行器在距地面355 km的轨道上做圆周运动,它的线速度比7.9 km/s大还是小
提示:第一宇宙速度7.9 km/s是卫星(包括飞船)在地面上空做圆周运动飞行时的最大速度,是卫星紧贴地球表面飞行时的速度。飞行器距离地面355 km,轨道半径大于地球半径,运行速度小于7.9 km/s。
合作探究·释疑解惑
知识点一
知识点二
知识点三
知识点一 对第一宇宙速度的理解
问题引领
发射卫星,要有足够大的速度才行,请思考:
(1)怎样求地球的第一宇宙速度 不同星球的
第一宇宙速度是否相同
(2)把卫星发射到更高的轨道上需要的发射
速度更大还是更小
可见第一宇宙速度由地球的质量和半径决定;不同星球的第一宇宙速度不同。
(2)轨道越高,需要的发射速度越大。
归纳提升
1.第一宇宙速度:第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的速度,即近地卫星的环绕速度。
2.第一宇宙速度的推导
3.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,因为发射卫星要克服地球对它的引力。近地轨道是人造卫星的最低运行轨道,而近地轨道的发射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。
4.最大环绕速度:在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中,
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。
典型例题
【例题1】 以下关于宇宙速度的说法正确的是(　　)
A.卫星绕地球做圆轨道运行的速度都是第一宇宙速度
B.卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度是第二宇宙速度
C.第一宇宙速度是人造地球卫星做圆轨道运动的最大运行速度
D.地球上的物体无论以多大的速度发射都不可能脱离太阳的束缚
C
解析:在绕地球做圆轨道运行的卫星中,当卫星的轨道半径等于地球半径R时,速度是最大的,等于第一宇宙速度,其余情况小于第一宇宙速度,故A错误。卫星在椭圆轨道上运行时,在近地点的速度大于第一宇宙速度,小于第二宇宙速度,故B错误。第一宇宙速度是人造地球卫星做圆轨道运动的最大速度,故C正确。当物体速度达到16.7 km/s时,物体可以脱离太阳的束缚,故D错误。
观念养成 第一宇宙速度是卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度,也是卫星的最小发射速度。轨道半径越大的卫星,其运行速度越小,但其地面发射速度越大。
【变式训练1】 若取地球的第一宇宙速度为8 km/s,某行星质量是地球的6倍,半径是地球的1.5倍,则此行星的第一宇宙速度约为(　　)
A.16 km/s
B.32 km/s
C.4 km/s
D.2 km/s
答案:A
解析:第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度,对于近地卫星,其轨道半径近似等于星球半径,所受万有引力提供其做匀速圆周运动的向心力,根据万有引力定律和牛顿第二定律得
即v'=2v=2×8 km/s=16 km/s,A正确。
知识点二 人造卫星的运行规律
问题引领
在地球的周围,有许多卫星在不同的轨道
上绕地球转动,请思考:
(1)这些卫星的轨道平面有什么特点
(2)这些卫星的线速度、角速度、周期跟什么因素有关
提示:(1)这些卫星的轨道平面都通过地心。(2)卫星的线速度、角速度、周期都跟卫星的轨道半径有关。
归纳提升
1.人造卫星的轨道
卫星绕地球做匀速圆周运动时,由地球对它的万有引力充当向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合,而这样的轨道有多种,其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道,当然也存在着与赤道平面成某一角度的圆轨道。如图所示:
2.人造卫星的运行规律
画龙点睛 卫星轨道半径越大,卫星的向心加速度、角速度、线速度越小,周期越大。
典型例题
【例题2】 如图所示,a、b、c是大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星,a、b质量相同且小于c的质量,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的向心加速度相等且大于a的向心加速度
C.b、c的周期相等且大于a的周期
D.b、c的向心力相等且大于a的向心力
答案:C
解析:a、b、c三颗人造地球卫星做圆周运动所需的向心力都是由地球对它们的万有引力提供的。由牛顿第二定律得
质量无关,由rb=rc>ra,得vb=vcTa,故A、B错误,C正确。
科学思维 1.人造卫星的an、v、ω、T由地球的质量m地和卫星的轨道半径r决定,当r确定后,卫星的an、v、ω、T便确定了,与卫星的质量、形状等因素无关,当人造卫星的轨道半径r发生变化时,其an、v、ω、T都会随之改变。
2.在处理人造卫星的an、v、ω、T与半径r的关系问题时,常用公式“gR2=Gm地”来替换出地球的质量m地,会使问题解决起来更方便。
【变式训练2】 宇宙飞船正在轨道上运行,地面指挥人员发现某一火箭残体的轨道与飞船轨道有一交点,于是通知航天员,飞船有可能与火箭残体相遇。航天员随即开动飞船上的发动机使飞船加速,脱离原轨道,最终在新轨道上稳定运行。关于飞船在此过程中的运动,下列说法正确的是(　　)
A.飞船的高度降低 B.飞船的高度升高
C.飞船的周期变小 D.飞船的向心加速度变大
答案:B
T增大,a减小,故A、C、D错误,B正确。
解析:飞船加速后,做离心运动,r增大,
知识点三 对地球静止卫星的理解
问题引领
我国的北斗卫星导航系统,在交通运输、
公共安全、农林渔业、水文监测等领域
发挥巨大的作用。该系统由静止轨道卫
星、中轨道卫星(离地高度约21 000 km)
以及其他轨道卫星组成。
(1)静止轨道卫星能定位在北京上空吗
(2)中轨道卫星与静止轨道卫星谁的线速度大
提示:(1)静止轨道卫星只能在赤道上空,不能定位在北京上空。
(2)中轨道卫星离地面高度小于静止轨道卫星高度,所以中轨道卫星的线速度大。
归纳提升
1.地球静止卫星
位于地球赤道上方,相对于地面静止不动,它跟地球的自转角速度相同,广泛应用于通信,又叫同步通信卫星。
2.地球静止卫星的特点
典型例题
【例题3】 S-SAR01卫星主要为应急管理、生态环境主体业务提供国产化数据保障。若S-SAR01星绕地球做匀速圆周运动的轨道距地面高度为h,地球的半径为R,地球表面北极的重力加速度为g。
引力常量为G,下列说法正确的是(　　)
D.S-SAR01星的发射速度大于11.2 km/s
答案:C
科学思维 1.静止卫星与一般的卫星遵循同样的规律,所以解决一般卫星问题的思路、公式均可运用在静止卫星问题的解答中。
2.静止卫星同时又具备自身的特殊性,即有确定的周期、角速度、加速度、线速度、高度、轨道半径、轨道平面。
【变式训练3】 北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航系统。右图是北斗卫星导航系统中部分卫星的轨道示意图,已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动,a是地球静止卫星,则(　　)
A.卫星a的角速度小于c的角速度
B.卫星a的加速度大于b的加速度
C.卫星a的运行速度大于第一宇宙速度
D.卫星b的周期大于24 h
答案:A
半径大的角速度小,加速度小,故A正确,B错误。轨道半径大的线速度小,则卫星a的运行速度小于第一宇宙速度,故C错误。b、a的轨道半径相同,周期相同,为24 h,故D错误。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(对宇宙速度的理解)关于宇宙速度的说法,正确的是(　　)
A.第一宇宙速度是人造地球卫星运行时的最大速度
B.第一宇宙速度是地球同步卫星的发射速度
C.人造地球卫星运行时的速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间
D.第三宇宙速度是物体逃离地球的最小速度
答案:A
解析:第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度,同时也是人造地球卫星的最大运行速度,故A正确,B、C错误。第二宇宙速度是物体逃离地球的最小速度,D错误。
2.(对地球同步卫星的理解)一卫星顺利升空并进入距离地球约三万六千千米的地球同步轨道。根据这一信息以及必要的常识,尚不能确定该卫星的(　　)
A.质量
B.轨道半径
C.运行速率
D.运行周期
答案:A
解析:由“距离地球约三万六千千米的地球同步轨道”,可以确定轨道半径R和周期T,由v= 可确定运动速率v,不能确定的是该卫星的质量。
3.(人造地球卫星)如图所示,卫星a、b、c沿圆形轨道绕地球运行。a是极地轨道卫星,在地球两极上空约1 000 km处运行;b是低轨道卫星,距地球表面高度与a相等;c是地球静止卫星。则(　　)
A.a、b的周期比c的大
B.a、b的向心力一定相等
C.a、b的速度大小相等
D.a、b的向心加速度比c的小
答案:C
解析:卫星环绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供其做圆周
4.(人造地球卫星的运行规律)已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,某人造地球卫星在距地球表面高度等于地球半径3倍处做匀速圆周运动,求:
(1)卫星的线速度;
(2)卫星绕地球做匀速圆周运动的周期。
解析:设卫星绕地球做匀速圆周运动的周期为T,根据万有引力定律和牛顿第二定律得