2020-2021学年教科版（2019）必修第二册 3.4人造卫星 宇宙速度 课件（47张PPT）

4.人造卫星　宇宙速度
必备知识·自主学习
一、从幻想到现实——人造卫星
1.1895年,俄国_______________率先提出了制造并发射人造地球卫星的设想。
2.1957年10月4日,苏联将第一颗_________送入环绕地球的轨道。
齐奥尔科夫斯基
人造卫星
二、宇宙速度
【情境思考】
牛顿说在高山上架起一门大炮,只要这门炮的威力足够大,炮弹将不会落到地面,成为地球的一颗卫星,是什么力使炮弹绕地球运动呢?
提示:炮弹与地球之间的万有引力。
1.对第一宇宙速度的理解:
第一宇宙速度是在地面上发射卫星的_____速度,等于卫星围绕_________做匀
速圆周运动的速度。
2.第一宇宙速度数值推导:
物体绕地球运动可视作匀速圆周运动,万有引力充当做匀速圆周运动所需的
向心力,即 (mE是地球的质量,r是物体做圆周运动的半径)。r近
似等于地球半径,代入数据得 v= ≈____ km/s。
最小
地球表面
7.9
3.第二宇宙速度:v=_____ km/s时,使飞行器挣脱地球束缚的最小地面发射速
度,这个速度叫作第二宇宙速度。
4.第三宇宙速度:v=_____ km/s时,使飞行器挣脱太阳束缚的最小地面发射速
度。这个速度叫作第三宇宙速度。
11.2
16.7
【易错辨析】
(1)第一宇宙速度是卫星绕地球做匀速圆周运动的最小速度。 ( )
(2)第一宇宙速度的大小与地球质量有关。 ( )
(3)月球的第一宇宙速度也是7.9 km/s。 ( )
(4)若物体的速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度,则物体可绕太阳运
行。 ( )
(5)要发射一颗月球卫星,在地面的发射速度应大于16.7 km/s。 ( )
×
√
×
√
×
关键能力·合作学习
知识点一　第一宇宙速度
角度1 第一宇宙速度的定性分析
1.第一宇宙速度:第一宇宙速度是卫星近地环绕地球做匀速圆周运动所必须具
备的速度,即近地环绕速度。
2.决定因素:由公式v= 可得出第一宇宙速度数值由中心天体决定,大小取
决于地球质量mE和地球半径r。
3.“最小发射速度”:发射人造卫星的速度如果低于第一宇宙速度,由于受到地
球引力的作用,卫星会落到地球上。所以第一宇宙速度是最小的发射速度。
提醒:发射速度是指卫星与火箭分离时的速度。
4.“最大环绕速度”:在所有的环绕地球做圆周运动的卫星中,近地卫星的轨道
半径最小,由公式 得v= ,轨道半径越小,线速度越大,所以第
一宇宙速度是最大的环绕速度。
【典例示范】
【典例1】(多选)关于第一宇宙速度,以下叙述正确的是 (　　)
A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B.它是近地圆轨道上人造卫星的运行速度
C.它是使卫星进入轨道的最小发射速度
D.它是人造卫星发射时的最大速度
【解析】选B、C。第一宇宙速度是卫星绕天体表面做匀速圆周运动的线速度。
第一宇宙速度满足关系式 ,由此得到v= ,由此式可得到第一
宇宙速度是最大的环绕速度。卫星发射得越高,需要的发射速度越大,故第一宇
宙速度是最小的发射速度。选项B、C正确。
角度2 第一宇宙速度的定量计算
1.根据星球表面的重力加速度计算它的第一宇宙速度,依据 =mg。
2.根据星球近地卫星做匀速圆周运动计算它的第一宇宙速度,依据
【典例示范】
【典例2】(多选)已知火星的质量约为地球质量的 ,火星的半径约为地球半
径的 。下列关于火星探测器的说法中正确的是 (　　)
A.发射速度只要大于第一宇宙速度即可
B.发射速度只有达到第三宇宙速度才可以
C.发射速度应大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度
D.火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的
【解析】选C、D。根据三个宇宙速度的意义,可知选项A、B错误,选项C正确;已
知
【素养训练】
(2020·盐城高一检测)如图所示,在地面上发射一个飞行器,进入椭圆轨道Ⅱ并绕地球运行,其发射速度v应满足 (　　)
A.v<7.9 km/s
B.7.9 km/sC.11.2 km/sD.v>16.7 km/s
【解析】选B。7.9 km/s,即第一宇宙速度,是发射卫星的最小发射速度,故A错误;11.2 km/s,即第二宇宙速度,是卫星脱离地球引力的最小发射速度,故进入椭圆轨道Ⅱ并绕地球运行的卫星,其发射速度v应满足7.9 km/s知识点二　人造地球卫星
角度1 人造地球卫星轨道特点
1.卫星运动遵循的规律:卫星绕地球沿椭圆轨道运动时,
地心在椭圆的一个焦点上,卫星的周期和半长轴的关系
遵循开普勒第三定律。
2.卫星轨道的圆心:卫星绕地球沿圆形轨道运动时,因为
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,所以地心是卫星圆轨道的圆心。
3.卫星的轨道:卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星),可以通过两极上空(极地卫星),也可以和赤道平面成任意角度。
【问题探究】
地球的周围,有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动,这些卫星运动所需的向心力都是什么力提供的?


提示:地球对卫星的万有引力提供向心力。
【典例示范】
【典例1】(多选)关于如图所示的三颗人造地球卫星,下列说法正确的是 (　　)
A.卫星可能的轨道为a、b、c
B.卫星可能的轨道为a、c
C.同步卫星可能的轨道为a、c
D.同步卫星可能的轨道为a
【解析】选B、D。卫星的轨道平面可以在赤道平面内,也可以和赤道平面垂直,还可以和赤道平面成任一角度。但是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,所以,地心必须是卫星圆轨道的圆心,因此卫星可能的轨道一定不会是b。同步卫星只能位于赤道的正上方,所以同步卫星可能的轨道为a。
角度2 地球同步卫星
1.地球同步卫星:位于地球赤道上空,相对于地面静止不动,它的角速度跟地球的自转角速度相同,广泛应用于通信,又叫作同步通信卫星。
2.地球同步通信卫星的特点:
特点
内容
周期一定
与地球自转周期相同,即T=24 h=86 400 s
角速度一定
与地球自转的角速度相同
高度一定
卫星离地面高度h=r-R≈6R(为恒量)
向心加速度大
小一定
a=0.23 m/s2
轨道平面一定
轨道平面与赤道平面共面
【典例示范】
【典例2】(多选)(2020·郑州高一检测)2019年11月5日01时43分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射了第49颗北斗导航卫星。该卫星属倾斜地球同步轨道卫星,标志着北斗三号系统3颗倾斜地球同步轨道卫星全部发射完毕。倾斜地球同步轨道卫星是运转轨道面与地球赤道面有夹角的轨道卫星, 它的运行周期与“同步卫星”相同(T=24 h),运动轨迹如图所示。关于该北斗导航卫星说法正确的是 (　　)
A.该卫星与地球上某一位置始终相对静止
B.该卫星的高度与“同步卫星”的高度相等
C.该卫星运行速度大于第一宇宙速度
D.该卫星在一个周期内有2次经过赤道
【解析】选B、D。同步卫星相对于地球静止,必须为地球赤道面上的同步卫星,
因为此卫星为倾斜轨道,因此不能与地球保持相对静止,A错误;由公式h=
-R可得,因为两个卫星的周期是一样的,其他常量都相同,所以高度相同,B正确;
地球的第一宇宙速度是最大的环绕速度,该卫星比近地卫星轨道半径大,所以速
度小于第一宇宙速度,C错误;此卫星的轨道为倾斜轨道,因此当卫星转一周时,
两次通过赤道,D正确。
【素养训练】
1.用m表示地球同步卫星的质量,h表示它离地面的高度,R表示地球的半径,g表
示地球表面处的重力加速度,ω表示地球自转的角速度,则 (　　)
A.运行中的同步卫星不受重力
B.同步卫星的轨道可以随国家的不同而不同
C.地球对同步卫星的万有引力大小为
D.同步卫星的向心力大小为
【解析】选D。同步卫星做匀速圆周运动,卫星处于完全失重状态,不是不受重
力,故A错误;同步卫星具有相同的轨道和固定的速度,所有国家的同步卫星都相
同,选项B错误;在地球表面,由重力等于万有引力得:m′g= 地球对同步
卫星万有引力大小等于向心力,大小为F= 选项C错误,D正
确。
2.(2020·全国Ⅱ卷)若一均匀球形星体的密度为ρ,引力常量为G,则在该星体
表面附近沿圆轨道绕其运动的卫星的周期是 (　　)
【解析】选A。对卫星,由万有引力定律得 又知ρ= 联
立解得T= ,故A正确,B、C、D错误。
【加固训练】
1.下列关于地球同步通信卫星的说法中,正确的是 (　　)
A.为避免通信卫星在轨道上相撞,应使它们运行在不同的轨道上
B.通信卫星定点在地球上空某处,各个通信卫星的角速度相同,但线速度可以不同
C.通信卫星只能运行在赤道上空某一恒定高度上
D.不同国家发射通信卫星的地点不同,这些卫星轨道不一定在同一平面内
【解析】选C。同步卫星运行轨道位于地球赤道平面上空圆形轨道,轨道固定不变,故A、D错误;通信卫星定点在地球上空某处,各个通信卫星的角速度相同,线速度也相等,B错误;不同国家发射通信卫星的地点不同,但通信卫星是同步卫星,轨道固定不变,所以这些卫星轨道一定在同一平面内,故C正确。
2.如图所示,a、b、c为三颗人造地球卫星,其中a为地球同步卫星,b、c在同一轨道上,三颗卫星的轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是 (　　)
A.卫星a的运行周期大于卫星b的运行周期
B.卫星b的运行速度可能大于7.9 km/s
C.卫星b加速即可追上前面的卫星c
D.卫星a在运行时有可能经过宜昌市的正上方
【解析】选A。根据万有引力提供向心力,则有 轨道半径越大,
周期越大,可知a的运行周期大于卫星b的运行周期,故选项A正确;根据
轨道半径越小,速度越大,当轨道半径等于地球半径时,速度最大等于第一
宇宙速度,故b的速度小于第一宇宙速度7.9 km/s,故选项B错误;卫星b加速后需
要的向心力增大,大于万有引力,所以卫星b将做离心运动,所以不能追上前面的
卫星c,故选项C错误;a为地球同步卫星,在赤道的正上方,不可能经过宜昌市的
正上方,故选项D错误。
【拓展例题】考查内容:三个处于不同位置的做圆周运动物体的比较
【典例】(多选)如图所示,赤道上随地球自转的物体A、赤道上空的近地卫星B、地球同步卫星C,它们的运动都可视为匀速圆周运动,比较三个物体的运动情况,以下判断正确的是 (　　)
A.三者的周期关系为TAB.三者向心加速度大小关系为aA>aB>aC
C.三者角速度的大小关系为ωA=ωC<ωB
D.三者线速度的大小关系为vA【解析】选C、D。因为同步卫星转动周期与地球自转周期相同,故TA=TC,故A错
误;因为同步卫星的周期和地球自转周期相同,故ωA=ωC,根据a=rω2知,A和C的
向心加速度大小关系为aA提供圆周运动向心力有: =mrω2可得角速度ω= ,所以C的半径大,角速
度小于B即:ωA=ωC<ωB,C正确;B、C比较: 得线速度v= 知vCA、C间比较:v=rω,知C半径大线速度大,故有vA三大宇宙速度
第三宇宙速度：
v=16.7km/s
离开太阳
奔向远方
第一宇宙速度：
v=7.9km/s
近地环绕的线速度
最小发射速度
最大环绕速度
第二宇宙速度：
v=11.2km/s
离开地球
奔向太阳
同步卫星
周期一定：T=24h
轨道平面一定：与赤道平面共面
高度一定：离地面高度h≈6R
【科技情境】
我国的“北斗”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。该系统有5颗静止轨道卫星,27颗中轨道卫星(离地高度约21 000 km),以及其他轨道卫星共35颗。
探究:
(1)静止轨道卫星能定位在北京上空吗?
(2)中轨道卫星与同步卫星谁的线速度大?
情境·模型·素养
【解析】(1)静止卫星即地球同步卫星,只能在赤道上空。
(2)中轨道卫星离地面高度小于同步轨道卫星高度,所以中轨道卫星的线速度大。
答案:见解析
【科技情境】
我国的空间站有望在2022年投入运转,支持在轨实施空间天文、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空间材料科学等学科领域的科学研究与应用项目。
探究:
(1)为什么宇宙飞船与空间站对接前不在同一轨道?
(2)宇宙飞船与空间站对接后,空间站的周期会变化吗?
【解析】(1)由关系式 得v= ,飞船在较低轨道上加速,需要的
向心力变大,但此高度万有引力不变故做离心运动,飞到较高的轨道与空间站对
接。
(2)由关系式 得T=2π ,则运行周期和轨道半径、中心天体质
量有关与空间站质量无关,故空间站周期不变。
答案:见解析
课堂检测·素养达标
1.(2020·镇江高一检测)“天琴计划”需要从地面发射三颗卫星,若发射时要先将卫星送入绕地球的椭圆轨道。则卫星发射速度 (　　)
A.等于第一宇宙速度
B.等于第二宇宙速度
C.介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间
D.介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之间
【解析】选C。发射近地卫星的速度,即为第一宇宙速度7.9 km/s,卫星上升
的高度越高,需要的能量越大,需要的发射速度越大,故发射速度应大于
7.9 km/s。发射速度如果大于第二宇宙速度11.2 km/s,卫星将要脱离地球束
缚,绕太阳运动,故发射速度应小于11.2 km/s。故卫星发射速度v大小的范围是7.9 km/s2.如图所示,人造卫星M、N分别绕地球做匀速圆周运动,关于它们的线速度、角速度、向心加速度和周期的大小的比较,下列说法正确的是 (　　)
A.卫星M的线速度小于卫星N的线速度
B.卫星M的向心加速度小于卫星N的向心加速度
C.卫星M的角速度大于卫星N的角速度
D.卫星M的周期大于卫星N的周期
【解析】选C。人造卫星M、N分别绕地球做匀速圆周运动,均由万有引力提供向
心力,则有: =ma=mrω2= ,得:
因为rMvN,aM>aN,ωM>ωN,TM3.北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航系统。如图所示是北斗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是地球同步卫星,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
【解析】选A。 =ma。解得:
由角速度、加速度的表达式可得出: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。
4.(2020·承德高一检测)已知地球同步卫星离地面的高度约为地球半径的6倍。若某行星的平均密度为地球平均密度的一半,它的同步卫星距其表面的高度是其半径的2.5倍,则该行星的自转周期约为 (　　)
A.6小时　　　　　　　 B.12小时
C.24小时 D.36小时
【解析】选B。地球的同步卫星的周期为T1=24小时,轨道半径为r1=7R1,地球密
度ρ1。某行星的同步卫星周期为T2,轨道半径为r2=3.5R2,行星密度ρ2。根据牛
顿第二定律和万有引力定律分别有:
两式化简解得:T2= =12小时。故选B。