高中物理第三章万有引力定律4人造卫星宇宙速度课件 63张PPT

(共63张PPT)
4.人造卫星　宇宙速度
一、人造卫星
1.卫星:
自然的或人工的在太空中___________的物体。
2.第一颗人造卫星:
1957年10月4日,由苏联送入环绕_____轨道。
绕行星运动
地球
二、宇宙速度
7.9
匀速圆周运动
11.2
地球
16.7
太阳
最小
数　值
意　义
第一宇
宙速度
____
km/s
卫星在地球表面附近绕地球
做_____________的速度
第二宇
宙速度
_____
km/s
使卫星挣脱_____引力束缚
的最小地面发射速度
第三宇
宙速度
_____
km/s
使卫星挣脱_____引力束缚
的_____地面发射速度
一　宇宙速度的计算及意义
任务1
宇宙速度的理解
1.认识第一宇宙速度: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.推导:
万有引力提供卫星运动的向心力
重力提供卫星运动的向心力
公式
结果
3.决定因素:由第一宇宙速度的计算式
可以看
出,第一宇宙速度的值由中心天体决定,第一宇宙速度
的大小取决于中心天体的质量M和半径R,与卫星无关。
4.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。
(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v=
,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。
【思考·讨论】
　情境:在电影《流浪地球》中,为了让地球摆脱被木星引力牵制,刘培强最终用生命驾驶太空舱完成了这项不可能完成的任务,挽救了人类。
讨论:(1)为了更准确地获得木星的数据,如果17年前刘培强驾驶飞船从地球飞向木星并绕木星飞行,飞船的发射速度至少为多少?
(物理观念)
提示:11.2
km/s
(2)如果现在要乘飞船去太阳系以外寻找适合人类居住的星球,飞船的发射速度至少为多少?
(物理观念)
提示:16.7
km/s
【典例示范1】
如图所示,牛顿在思考万有引力定律时就曾设想,把物体从高山上O点以不同的速度v水平抛出,速度一次比一次大,落地点也就一次比一次远。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,则下列说法正确的是
A.落到A点的物体做的是平抛运动
B.以v<7.9
km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动
C.以7.9
km/skm/s的速度抛出的物体将沿C轨道运动
D.以11.2
km/skm/s的速度抛出的物体将沿C轨道运动
【解析】选C。物体抛出速度v<7.9
km/s时必落回地面,
但物体运动距离较大时受力不能看成恒值,万有引力指
向地心,故物体运动不能看成平抛运动,故A、B错误;物
体抛出速度v=7.9
km/s时,物体刚好能不落回地面,绕
地球做圆周运动,故物体在B轨道上运行;当物体抛出
速度7.9
km/skm/s时,物体从抛出点做离心运动,但物体不会脱离地球,故物体做椭圆运动,沿C轨道运动,故C正确;当物体抛出速度v>11.2
km/s时,物体会脱离地球,不可能沿C轨道运动,故D错误。
任务2
第一宇宙速度的计算
1.建立模型:卫星绕中心天体表面做匀速圆周运动,万
有引力提供向心力。即F万=F向。
2.中心天体表面运动的黄金代换:
=mg;近地空间
轨道上:
【典例示范2】
(2019·遂宁高一检测)已知某天体的第一宇宙速度为5
km/s,则高度为该天体半径四分之一的宇宙飞船绕该天体做匀速圆周运动的运行速度大小为
(　　)
A.2
km/s　　
B.
km/s　　
C.3
km/s　　
D.4
km/s
【解析】选A。当飞船绕某天体做匀速圆周运动时,其
运行的线速度即为第一宇宙速度,由万有引力等于向心
力得:
解得:v=
=5
km/s;当高度为该
天体半径四分之一的宇宙飞船绕该天体做匀速圆周运
动,由万有引力等于向心力得:
解
得:v′=
【定向训练】
1.我们在推导第一宇宙速度的公式v=
时,需要做一
些假设和选择一些理论依据,下列必要的假设和理论依
据有
(　　)
A.卫星做半径等于2倍地球半径的匀速圆周运动
B.卫星所受的重力全部作为其所需的向心力
C.卫星所受的万有引力仅有一部分作为其所需的向心力
D.卫星的运转周期必须等于地球的自转周期
【解析】选B。第一宇宙速度是卫星的最大环绕速度,
只有其运行轨道半径最小时,它的运行速度才最大,而
卫星的最小轨道半径等于地球半径,故A错误;在地球表
面附近我们认为万有引力近似等于重力,故B正确、C错
误;同步卫星的运转周期等于地球的自转周期,而
同步卫星的运行轨道半径大于地球半径,即大于近地轨道卫星半径,故同步卫星的周期大于近地轨道卫星的周期,D错误。
2.(2019·南充高一检测)2018年12月12日“嫦娥四号”卫星进入环月轨道。已知月球的半径为R,月球表面的重力加速度为g月,引力常量为G,若“嫦娥四号”离月球中心的距离为r。
(1)求月球的质量M。
(2)求“嫦娥四号”的运行周期T。
(3)求月球上的第一宇宙速度v。
【解析】(1)由mg月=
解得
(2)根据
解得
(3)由mg月=
解得v=
答案:
【补偿训练】
　　一探月卫星的轨道是圆形的,且贴近月球表面,已
知月球的质量约为地球质量的
,月球半径约为地球
半径的
地球上的第一宇宙速度约为7.9
km/s,则该
探月卫星绕月运行的速率约为
(　　)
A.0.4
km/s　　　　
B.1.8
km/s
C.11
km/s
D.36
km/s
【解析】选B。对于环绕地球或月球的人造卫星,其所
受万有引力即为它们做圆周运动所需的向心力,即
所以v=
,第一宇宙速度指的是最小
发射速度,同时也是近地卫星的环绕速度,对于近地卫
星来说,其轨道半径近似等于中心天体半径,所以
所以
×7.9
km/s≈
1.8
km/s。故正确答案为B。
二　人造卫星
任务1
地球同步卫星
1.概念:相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星,叫作地球同步卫星。
2.特点:
(1)确定的转动方向:和地球自转方向一致;
(2)确定的周期:和地球自转周期相同,即T=24
h;
(3)确定的角速度:等于地球自转的角速度;
(4)确定的轨道平面:所有的同步卫星都在赤道的正上方,其轨道平面必须与赤道平面重合;
(5)确定的高度:离地面高度固定不变(3.6×104
km);
(6)确定的环绕速率:线速度大小一定(3.1×103
m/s)。
【典例示范1】
(2019·攀枝花高一检测)2018年5月4日0时06分,在西昌卫星发射中心,用“长征三号乙”运载火箭将亚太6C卫星发射升空。2018年7月在轨交付,成功定位于东经134度同步轨道。则下列说法正确的是
(　　)
A.卫星处于平衡状态
B.卫星的线速度是不变的
C.卫星的轨道高度是不变的
D.卫星的线速度大于第一宇宙速度
【解析】选C。亚太6C卫星正常运行在地球同步轨道上,
做匀速圆周运动,不是处于平衡状态,故A项错误。亚太
6C卫星正常运行在地球同步轨道上,做匀速圆周运动,
卫星线速度的大小不变、方向变化,故B项错误。据
卫星的周期不变,卫星的轨道半径不变,
卫星的轨道高度不变,故C项正确。据
可得
则亚太6C卫星的线速度小于近地绕行卫星的
速度(第一宇宙速度),故D项错误。
任务2
人造卫星的理解和计算
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呈某一角度的圆轨道。
2.人造卫星的运行规律:人造卫星的运行规律类似行星运行规律。
(1)常用关系式:
(2)常用结论:卫星离地面高度越高,其线速度越小,角速度越小,周期越大,向心加速度越小。可以概括为“越远越慢、越远越小”。
【思考·讨论】
　2019年1月11日1时11分,成功将“中星2D”卫星送入预定轨道。“中星2D”绕地球做匀速圆周运动时需要消耗能量提供动力吗?受到万有引力的作用吗?为什么能不落到地上来?
(科学思维)
提示:不需要消耗能量提供动力,受到万有引力的作用,万有引力提供向心力使其做匀速圆周运动。
【典例示范2】
（2019·眉山高一检测）如图所示，A为静止于地球赤道上的物体①、B为近地卫星②、C为地球同步卫星③，关于它们线速度v、角速度ω、周期T和加速度a的比较，正确的是
（
）
A.TA=TCB.vAC.ωA<ωB<ωC
D.aA【审题关键】
序号
信息提取
①
TA为地球自转周期
②
B卫星只受重力作用
③
TC为地球自转周期
【解析】选B、D。卫星C为同步卫星,周期与A物体周期
相等TA=TC,根据万有引力提供向心力
得
近地卫星B轨道半径小于同步卫星C的轨道半
径,所以TBTB,故A错误;卫星C与A具有相
等的角速度,A的半径小于C的半径,根据v=ωr知vA根据万有引力提供向心力,有
得
近
地卫星B轨道半径小于同步卫星C的轨道半径,则vB>vC,
故有vB>vC>vA,故B正确;卫星C与A具有相等的角速度,即
ωA=ωC,根据万有引力提供向心力,有
=mω2r,得
近地卫星B轨道半径小于同步卫星C的轨道半
径,则ωB>ωC,故有ωA=ωC<ωB,故C错误;卫星C与A具
有相等的角速度,A的半径小于C的半径,根据a=ω2r知
aA近地卫星B轨道半径小于同步卫星C的轨道半径,所以
aB>aC,故有aB>aC>aA,故D正确。
【定向训练】
1.如图中的圆a、b、c,其圆心均在地球自转轴线上,则关于同步卫星的轨道下列说法正确的是
(　　)
A.可能为a　　　B.可能为b
C.可能为c
D.一定为a
【解析】选B。所有的同步卫星都位于赤道的正上方同一轨道平面上,所以其轨道只可能是b轨道,故B正确。
2.(2019·凉山高一检测)如图所示,在同一轨道平面上的几个人造地球卫星A、B、C绕地球做匀速圆周运动,某一时刻它们恰好在同一直线上,下列说法正确的是
A.根据v=
可知,运行速度满足vA>vB>vC
B.运转角速度满足ωA>ωB>ωC
C.向心加速度满足aAD.从图示位置开始时,运动一周后,A最先回到图示位置
【解析】选C。设地球的质量为M,卫星的轨道半径为r,
根据万有引力提供向心力,
解得卫星的速
度v=
,可见,r越大,v越小,则有vA据v=
比较,因为随着半径的变化,g值也在变化,故A
错误;根据万有引力提供向心力,
=mω2r,解得
ω=
,所以运转角速度满足ωA<ωB<ωC,故B错误;
根据公式
=ma,向心加速度a=
,所以aA故C正确;r越大,ω越小,根据T=
,所以TA>TB>TC,所
以运动一周后,C先回到原地点,故D错误。
【补偿训练】
　　全球定位系统(GPS)有24颗卫星分布在绕地球的6
个轨道上运行,距地面的高度都为2万千米。已知地球
同步卫星离地面的高度为3.6万千米,地球半径约为
6
400
km,则全球定位系统的这些卫星的运行速度大小
约为
(　　)
A.3.1
km/s　　　　
B.3.9
km/s
C.7.9
km/s　
D.11.2
km/s
【解析】选B。由万有引力定律得,
GM=
rv2,即v1=
代入数值得,v1≈3.9
km/s。
【拓展例题】考查内容:同步卫星与赤道上物体运动的
比较
【典例】同步卫星离地心的距离为r,运行速率为v1,加
速度为a1,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度
为a2,第一宇宙速度为v2,地球半径为R,则
(　　)
【解析】选D。同步卫星的角速度与赤道上的物体随地
球自转的角速度相同,所以
选项A、B错;
对于同步卫星,
所以
对于近地
卫星,
所以
所以
C错,
D对。
【课堂回眸】