物理教科必修2第3章第四节

1、必修必修2 2 第三章第四节第三章第四节人造卫星人造卫星 宇宙速度宇宙速度课标定位课标定位应用：应用：1.结合圆周运动知识求解天体运动的相结合圆周运动知识求解天体运动的相关物理量关物理量2同步卫星的特点及其应用同步卫星的特点及其应用理解：理解：1.人造卫星的发射原理及宇宙速度推人造卫星的发射原理及宇宙速度推导导2人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系半径的关系认识：认识：1.人造卫星的有关知识及其运动规律人造卫星的有关知识及其运动规律2三个宇宙速度的含义三个宇宙速度的含义牛顿的手稿牛顿的手稿 -发射人造卫星原理发射人造卫星原理 牛顿对发射人造卫星的构

2、想：牛顿对发射人造卫星的构想： 从高山上用不同的水从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一平速度抛出物体，速度一次比一次次比一次大大，落点也就一，落点也就一次比一次离山脚次比一次离山脚远远。如果。如果没有空气阻力，没有空气阻力，当速度足当速度足够大时，物体就永远不会够大时，物体就永远不会落到地面上来落到地面上来，它将绕地，它将绕地球旋转成为一颗绕地球运球旋转成为一颗绕地球运动的动的人造地球卫星人造地球卫星。牛顿人造地球卫星的设想图牛顿人造地球卫星的设想图Main Ideav平抛平抛洲际洲际导弹导弹人造人造卫星卫星增大增大 在地球上抛出的物体，在地球上抛出的物体，当它的速度足够大时，当它的速度足

3、够大时，物体就永远不会落到地物体就永远不会落到地面上，它将围绕地球旋面上，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运转，成为一颗绕地球运动的动的人造地球卫星人造地球卫星。简。简称称人造卫星人造卫星。Main Idea 使卫星能环绕地球运行所需的使卫星能环绕地球运行所需的最最小发射速度小发射速度叫做叫做第一宇宙速度。第一宇宙速度。 设地球和卫星的质量分别为设地球和卫星的质量分别为M M和和m m，卫星到地，卫星到地心的距离为心的距离为r r，卫星运动的速度为，卫星运动的速度为v v。 由于卫星运动所需的向心力是由万有引力由于卫星运动所需的向心力是由万有引力提供的，所以，提供的，所以，1.1.第一宇宙速度

4、（环绕速度）第一宇宙速度（环绕速度）rmvrGMm22 rGMv 从上式可以看出从上式可以看出: : ，卫星离地心，卫星离地心越高越高，它运行的速度，它运行的速度越慢越慢。1rv 对于靠近地面的卫星，可以认为此时的对于靠近地面的卫星，可以认为此时的r r近近似等于地球半径似等于地球半径R R，把，把r r用地球半径用地球半径R R代入，可代入，可以求出：以求出：这就是第一宇宙速度。这就是第一宇宙速度。 第一宇宙速度既是第一宇宙速度既是最小的发射速度最小的发射速度，也也是是最大的环绕速度最大的环绕速度。RGMv 1sm/1037. 61089. 51067. 662411 skmv/9 . 71

5、 第一宇宙速度的另一种表达式第一宇宙速度的另一种表达式 ，请，请你用已学的知识进行推导。你用已学的知识进行推导。vgR 地球表面的物体受到的重力等于地地球表面的物体受到的重力等于地球对物体的引力。球对物体的引力。即：即：解得：解得：vgR2vmR2RGMmmg Main Ideav v1 1=7.9=7.9km/skm/s 如果人造地球卫星进如果人造地球卫星进入地面附近的轨道速度入地面附近的轨道速度大于大于7.9km/s7.9km/s，而小于，而小于11.2km/s11.2km/s，它绕地球运，它绕地球运动的轨迹是椭圆。动的轨迹是椭圆。7.9km/sv11.2km/s7.9km/sv11.2k

6、m/s 当物体的速度当物体的速度大于或等于大于或等于11.2km/s11.2km/s时，卫星时，卫星就会就会脱离地球脱离地球的引力，不再绕地球运行。我们把的引力，不再绕地球运行。我们把这个速度叫这个速度叫第二宇宙速度第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。物体还受到太阳的引力。2.2.第二宇宙速度（脱离速度）：第二宇宙速度（脱离速度）： 如果物体的速度如果物体的速度大于或等于大于或等于16.7km/s16.7km/s，物体，物体就就摆脱了太阳摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。我们把这个速度叫宙空间去。我们把这个速度

7、叫第三宇宙速度第三宇宙速度。3.3.第三宇宙速度（逃逸速度）第三宇宙速度（逃逸速度）：太阳太阳Main Idea绕地球作匀速圆周运动的卫星，绕地球作匀速圆周运动的卫星，其所需向心力由万有引力提供其所需向心力由万有引力提供三、卫星的运行三、卫星的运行( (圆周轨道圆周轨道) )Main Idea 万有引力万有引力 = = 向心力向心力重力近似重力近似 = =万有引力万有引力基本方程基本方程辅助方程辅助方程2rMmGrvm2marm222mrT2rMGa 3rMGGMrT32MvGrv v1 1=7.9km/s=7.9km/s越高，越慢越高，越慢常见的人造卫星常见的人造卫星通通信信卫卫星星气气象象

8、卫卫星星资资源源卫卫星星技技术术实实验验卫卫星星同步卫星轨道同步卫星轨道四、地球同步卫星四、地球同步卫星 地球同步卫星是保持在地球地球同步卫星是保持在地球赤道的地面上空、运行周期赤道的地面上空、运行周期与地球的自转周期相同与地球的自转周期相同的人的人造地球卫星。造地球卫星。rRh222Mm4GmrrTRh232GMTr4得：得：得：得：232GMThR473.58 10 m同步卫星离地面同步卫星离地面的高度是定值的高度是定值特点：特点：(1)同步卫星的运行方向与地球自转方向一致同步卫星的运行方向与地球自转方向一致(2)同步卫星的运转周期与地球自转周期相同，同步卫星的运转周期与地球自转周期相同，

9、T24 h.(3)同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度(4)同步卫星的轨道平面必须与赤道平面平行，又同步卫星的轨道平面必须与赤道平面平行，又由于向心力是万有引力提供的，万有引力必须在由于向心力是万有引力提供的，万有引力必须在轨道平面上，所以同步卫星的轨道平面均在赤道轨道平面上，所以同步卫星的轨道平面均在赤道平面上，即所有的同步卫星都在赤道的正上方平面上，即所有的同步卫星都在赤道的正上方特别提醒：特别提醒：(1)所有同步卫星的周期所有同步卫星的周期T、轨道、轨道半径半径r、环绕速度、环绕速度v、角速度、角速度及向心加速度及向心加速度a的大小均相同的大小

10、均相同. (2)所有国家发射的同步卫星的轨道都与赤所有国家发射的同步卫星的轨道都与赤道为同心圆，它们都在同一轨道上运动且道为同心圆，它们都在同一轨道上运动且都相对静止都相对静止即时应用即时应用 ( (即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀)关于地球的同步卫星下列说法正确的是关于地球的同步卫星下列说法正确的是()A所有地球的同步卫星一定位于赤道的正上方，所有地球的同步卫星一定位于赤道的正上方，但不一定在同一个圆周上但不一定在同一个圆周上B所有地球的同步卫星离地面的高度相同，但所有地球的同步卫星离地面的高度相同，但不一定位于赤道的正上方不一定位于赤道的正上方C所有地球的同步卫星的向心加速度、线速度、

11、所有地球的同步卫星的向心加速度、线速度、角速度、周期一定相等角速度、周期一定相等D所有地球的同步卫星的向心加速度大小相等所有地球的同步卫星的向心加速度大小相等解析：解析：选选D.所有同步卫星都位于地球赤道的正上所有同步卫星都位于地球赤道的正上方的同一个圆周轨道上，显然选项方的同一个圆周轨道上，显然选项A、B是不对是不对的又因向心加速度、线速度为矢量，尽管所有的又因向心加速度、线速度为矢量，尽管所有的同步卫星的向心加速度的大小、线速度的大小、的同步卫星的向心加速度的大小、线速度的大小、角速度和周期都相等，但是向心加速度和线速度角速度和周期都相等，但是向心加速度和线速度的方向不相同，因此选项的方向

12、不相同，因此选项C也不对，只有选项也不对，只有选项D正正确确思考感悟思考感悟如果要发射一个火星探测器，试问这个探测器将如果要发射一个火星探测器，试问这个探测器将大体以多大的速度从地球上发射？大体以多大的速度从地球上发射？提示：提示：火星探测器绕火星运动，脱离了地球的束火星探测器绕火星运动，脱离了地球的束缚，但没有挣脱太阳的束缚，因此它的发射速度缚，但没有挣脱太阳的束缚，因此它的发射速度应在第二宇宙速度和第三宇宙速度之间，即应在第二宇宙速度和第三宇宙速度之间，即11.2 km/sv 16.7 km/s.核心要点突破核心要点突破特别提醒：特别提醒：(1)第一宇宙速度是最大运行速第一宇宙速度是最大运

13、行速度，也是最小发射速度度，也是最小发射速度(2)三个宇宙速度分别为在三种不同情况下三个宇宙速度分别为在三种不同情况下在地面附近的最小发射速度在地面附近的最小发射速度即时应用即时应用 ( (即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀)1.关于第一宇宙速度，下列说法正确的是关于第一宇宙速度，下列说法正确的是()A它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度度C它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度速度D它是卫星在椭圆轨道上运行时在远地点的速它是卫星在椭圆

14、轨道上运行时在远地点的速度度解析：解析：选选BC.如果卫星在椭圆轨道上运行时近地如果卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度等于第一宇宙速度，那么它将做匀速圆点的速度等于第一宇宙速度，那么它将做匀速圆周运动，不会做椭圆运动周运动，不会做椭圆运动二、人造地球卫星二、人造地球卫星1.图图341人造卫星的轨道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，地球对卫星的万有引万有引力充当向心力，地球对卫星的万有引力指向地心而做匀速圆周运动的物体的向力指向地心而做匀速圆周运动的物体的向心力则时刻指向它做圆周运动的圆心因此心力则时刻指向它做圆周运动的

15、圆心因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心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应存在着与赤道平面空的极地轨道当然也应存在着与赤道平面成某一角度的圆轨道，只要圆心在地心，就成某一角度的圆轨道，只要圆心在地心，就可能是卫星绕地球运行的圆轨道如图可能是卫星绕地球运行的圆轨道如图341所示所示特别提醒：特别提醒：(1)在处理卫星的在处理卫星的v、T与半与半径径r的关系问题时，常用公式的关系问题时，常用公式“gR2GM ”来替换出

16、地球的质量来替换出地球的质量M会使问题解决起来更会使问题解决起来更方便方便(2)由于卫星在轨道上运动时，它受到的万由于卫星在轨道上运动时，它受到的万有引力全部提供了向心力，产生了向心加有引力全部提供了向心力，产生了向心加速度，因此卫星及卫星上任何物体都处于速度，因此卫星及卫星上任何物体都处于完全失重状态完全失重状态即时应用即时应用 ( (即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀)2.我们国家在我们国家在1986年成功发射了一颗实用地球同年成功发射了一颗实用地球同步卫星，从步卫星，从1999年至今已几次将年至今已几次将“神舟神舟”号宇宙号宇宙飞船送入太空在某次实验中，飞船在空中飞行飞船送入太空在某次

17、实验中，飞船在空中飞行了了36 h，环绕地球，环绕地球24圈那么，同步卫星与飞船圈那么，同步卫星与飞船在轨道上正常运转相比较在轨道上正常运转相比较()A卫星运转周期比飞船大卫星运转周期比飞船大B卫星运转速率比飞船大卫星运转速率比飞船大C卫星运转加速度比飞船大卫星运转加速度比飞船大D卫星离地高度比飞船大卫星离地高度比飞船大解析：解析：选选AD.根据飞船根据飞船36 h，环绕地球，环绕地球24圈，可圈，可知飞船的周期小于同步卫星的周期，根据万有引知飞船的周期小于同步卫星的周期，根据万有引力提供向心力，可知力提供向心力，可知A、D正确正确课堂互动讲练课堂互动讲练第一宇宙速度的计算第一宇宙速度的计算

18、某人在一星球上以速率某人在一星球上以速率v竖直上抛一物竖直上抛一物体，经时间体，经时间t物体以速率物体以速率v落回手中，已知该落回手中，已知该星球的半径为星球的半径为R，求该星球上的第一宇宙速，求该星球上的第一宇宙速度度【思路点拨思路点拨】第一宇宙速度是环绕星球表第一宇宙速度是环绕星球表面运行的速度，即对应的轨道半径为该星球面运行的速度，即对应的轨道半径为该星球的半径，且重力就等于星球对其的万有引的半径，且重力就等于星球对其的万有引力力变式训练变式训练1若取地球的第一宇宙速度为若取地球的第一宇宙速度为8 km/s，某行星的质量是地球的，某行星的质量是地球的6倍，半径是倍，半径是地球的地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为倍，此行星的第一宇宙速度约为()A16 km/sB32 km/sC4 km/s D2 km/s人造卫星的运行规律人造卫星的运行规律图图342【思路点拨思路点拨】在人造卫星运动过程中，在人造卫星运动过程中，万有引力提供了所需的向心力，由此根据万有引力提供了所需的向心力，由此根据牛顿定律列出方程来判