第8讲 宇宙航行—人教版高一物理下册复习讲义（机构用）

1、第八讲 宇宙航行教学目标：1初步掌握人造卫星的发射、运行、回收知识；2了解人造卫星的有关知识，正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系；3知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。重点难点：1近地卫星、同步卫星的运行；2第一宇宙速度的推导过程；3人造地球卫星的发射速度与运行速度的区别；4掌握有关人造卫星计算及计算过程中的一些代换；5环绕速度与轨道半径的关系。知识模块：模块一：人造卫星的运动知识点1：人造卫星的a、v、T与r的关系 “高轨低速大周期”【典型例题】1.两个绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星，轨道如图所示，下列判断正确的是()A两卫星的角速度关系：a<bB两卫星的向心

2、加速度关系：aa>abC两卫星的线速度关系：va>vbD两卫星的周期关系：Ta<Tb2.2011年9月29日我国发射的首个目标飞行器“天宫一号”的平均轨道高度约为370 km;2016年9月15日我国又成功发射了“天宫二号”空间实验室,它的平均轨道高度约为393 km。如果“天宫一号”和“天宫二号”在轨道上的运动都可视为匀速圆周运动,则对于二者运动情况的比较,下列说法中正确的是()A.“天宫二号”运行的速率较大B.“天宫二号”运行的加速度较大C.“天宫二号”运行的角速度较大D.“天宫二号”运行的周期较长答案：1、A 2、D知识点2：三种宇宙速度1环绕速度(1)第一宇宙速度又叫

3、环绕速度，其数值为 7.9 km/s。(2)第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动时具有的速度。(3)第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，也是人造卫星的最大环绕速度。2第二宇宙速度(脱离速度)：使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度，其数值为 11.2 km/s。3第三宇宙速度(逃逸速度)：使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，其数值为 16.7 km/s。4第一宇宙速度的推导方法一：由Gm 得v1 m/s7.9×103 m/s。方法二：由mgm 得v1 m/s7.9×103 m/s。第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，也是人造卫星的最大环绕速度，此时它的

4、运行周期最短，Tmin2 5 075 s85 min。5宇宙速度与运动轨迹的关系(1)v发7.9 km/s时，卫星绕地球做匀速圆周运动。(2)7.9 km/sv发11.2 km/s时，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆。(3)11.2 km/sv发16.7 km/s时，卫星绕太阳做椭圆运动。(4)v发16.7 km/s时，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。【典型例题】  理论上可以证明,天体的第二宇宙速度(逃逸速度)是第一宇宙速度(环绕速度)的倍,这个关系对于天体普遍适用。若某“黑洞”的半径约为45 km,逃逸速度可近似认为等于真空中的光速。已知引力常量G=6.67&

5、#215;10-11 N·m2/kg2,真空中光速c=3×108 m/s。根据以上数据,可得此“黑洞”质量的数量级约为()A.1031 kgB.1028 kgC.1023 kgD.1022 kg答案：A知识点3：三种最常见的卫星1极地卫星和近地卫星(1)极地卫星运行时每圈都经过南北两极，由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖。(2)近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星，其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径，其运行线速度约为7.9 km/s。它们分别是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的最大线速度和最小周期。(3)两种卫星的轨道平面一定通过地球的球心。 2.地

6、球同步卫星的特点(1)轨道平面一定：轨道平面和赤道平面重合。(2)周期一定：与地球自转周期相同，即T24 h86 400 s。(3)角速度一定：与地球自转的角速度相同。(4)高度一定：根据Gmr得r4.23×104 km，卫星离地面高度hrR6R(为恒量)。(5)绕行方向一定：与地球自转的方向一致。【典型例题】1、同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星（ ）A它可以在地面上任一点的正上方，且离地心的距离可以按需要选择不同值B它可以在地面上任一点的正上方，但离地心的距离是一定的C它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可以按需要选择不同值D它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的2、

7、（多选）可以发射一颗这样的卫星，使其圆轨道 （ ）A 与地球表面上某一纬度（非赤道）是共面的同心圆B 与地球表面上某一个经线是共面的同心圆C 与地球表面上赤道线是共面的同心圆，且卫星相对地球表面是静止的D 与地球表面上的赤道面是共面的同心圆，但卫星相对地球是运动的答案:1、D 2、C、D模块二：地球同步轨道卫星、近地圆轨道卫星、地球赤道上相对地面静止的物体的运动比较【典型例题】地球赤道上有一物体随地球的自转,所受的向心力为F1,向心加速度为a1,线速度为v1,角速度为1;绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星(高度忽略),所受的向心力为F2,向心加速度为a2,线速度为v2,角速度为2;地球的同步卫

8、星所受的向心力为F3,向心加速度为a3,线速度为v3,角速度为3;地球表面的重力加速度为g,第一宇宙速度为v,假设三者质量相等,则()A.F1=F2>F3    B.a1=a2=g>a3C.v1=v2=v>v3    D.1=3<2 答案:D模块三：卫星(航天器)的变轨问题1变轨原因：当卫星由于某种原因速度突然改变时(开启或关闭发动机或空气阻力作用)，万有引力不再等于向心力，卫星将变轨运行。2变轨分析(1)卫星在圆轨道上稳定运行时，Gmm2rm2r。(2)当卫星的速度突然增大时，G<m

9、，即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大。当卫星进入新的轨道稳定运行时，由 v 可知其运行速度比原轨道时减小，但重力势能、机械能均增加。(3)当卫星的速度突然减小时，G>m，即万有引力大于所需要的向心力，卫星将做近心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变小。当卫星进入新的轨道稳定运行时，由 v 可知其运行速度比原轨道时增大，但重力势能、机械能均减小。典型例题“嫦娥三号”探测器由“长征三号乙”运载火箭从西昌卫星发射中心发射，首次实现月球软着陆和月面巡视勘察。假设“嫦娥三号”在环月圆轨道和椭圆轨道上运动时，只受到月球的万有引力。则()A若已知“嫦娥三号”环月

10、圆轨道的半径、运动周期和引力常量，则可以计算出月球的密度B“嫦娥三号”由环月圆轨道变轨进入环月椭圆轨道时，应让发动机点火使其加速C“嫦娥三号”在环月椭圆轨道上P点的速度大于Q点的速度D“嫦娥三号”在环月圆轨道上的运行速率比月球的第一宇宙速度小解析由Gmr，可得月球的质量M，由于月球的半径未知，无法求得月球的体积，故无法计算月球的密度，A错误；“嫦娥三号”在环月段圆轨道上P点减速，使万有引力大于运行所需向心力做近心运动，才能进入环月段椭圆轨道，B错误；嫦娥三号在环月段椭圆轨道上P点向Q点运动过程中，距离月球越来越近，月球对其引力做正功，故速度增大，即P点的速度小于Q点的速度，C错误；卫星离月球表

11、面越高其速度越慢，第一宇宙速度是星球表面近地卫星的环绕速度，故“嫦娥三号”在环月圆轨道上的运行速率比月球的第一宇宙速度小，D正确。答案D【举一反三】1.继“天宫一号”之后,2016年9月15日我国在酒泉卫星发射中心又成功发射了“天宫二号”空间实验室。“天宫一号”的轨道是距离地面370千米的近圆轨道;“天宫二号”的轨道是距离地面393千米的近圆轨道,后继发射的“神舟十一号”与之对接。下列说法正确的是()A.在各自的轨道上正常运行时,“天宫二号”比“天宫一号”的速度大B.在各自的轨道上正常运行时,“天宫二号”比地球同步卫星的周期长C.在低于“天宫二号”的轨道上,“神舟十一号”需要先加速才能与之对接

12、D.“神舟十一号”只有先运行到“天宫二号”的轨道上,然后再加速才能与之对接答案：C课堂检测：1人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其速度是下列的（ ）A一定等于7.9km/sB等于或小于7.9km/s C 一定大于7.9km/s D介于7.9km/s 11.2km/s2卫星绕地球做匀速圆周运动，若卫星的天线突然折断，关于折断的天线的运动，下面说法中正确的是（ ）A天线做匀速直线运动 B天线做平抛运动C天线做自由落体运动 D天线做匀速圆周运动3(多选)地球的半径为R,质量为M，地面附近的重力加速度为g，万有引力恒量为G，则靠近地面而运转的人造卫星的环绕速度为（ ）ARg BgR C3RGM D R

13、GM4据报道，我国数据中继卫星“天链号01星”于2008年4月25日在西昌卫星发射中心发射升空。经过4次变轨控制后，于5月1日成功定点在东经77°赤道上空的同步轨道。关于成功定点后的“天链号01星”，下列说法正确的是（ ）A运行速度大于7.9km/sB离地面高度一定，相对地面静止C绕地球运行的角速度比月球绕地球的向心加速度大D向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等5下列说法正确的是()A第一宇宙速度是从地面上发射的人造地球卫星的最小发射速度B第一宇宙速度是在地球表面附近环绕地球运转的卫星的最大速度C第一宇宙速度是同步卫星的环绕速度D卫星从地面发射时的发射速度越大，则卫星距离

14、地面的高度就越大，其环绕速度则可能大于第一宇宙速度6.牛顿曾设想:从高山上水平抛出物体,速度一次比一次大,落地点就一次比一次远,如果抛出速度足够大,物体将绕地球运动成为人造地球卫星。如图所示,若从山顶同一位置以不同的水平速度抛出三个相同的物体,运动轨迹分别为1、2、3。已知山顶高度为h,且远小于地球半径R,地球表面重力加速度为g,假定空气阻力不计。下列说法正确的是()A.轨迹为1、2的两物体在空中运动的时间均为2hgB.轨迹为3的物体抛出时的速度等于gR2C.抛出后三个物体在运动过程中均处于失重状态D.抛出后三个物体在运动过程中的加速度均保持不变7如图所示，一颗人造卫星原来在椭圆轨道1绕地球E

15、运行，在P点变轨后进入轨道2做匀速圆周运动。下列说法正确的是A不论在轨道1还是轨道2运行，卫星在P点的速度都相同B不论在轨道1还是轨道2运行，卫星在P点的加速度都相同C卫星在轨道1的任何位置都具有相同加速度D卫星在轨道2的任何位置都具有相同速度8. 如图，地球赤道上的山丘e，近地资源卫星p和同步通信卫星q均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动设e、p、q的圆周运动速率分别为v1、v2、v3，向心加速度分别为a1、a2、a3，则A. v1v2v3B. v1v2v3C. a1a2a3 D. a1a3a29我国即将发射“天宫二号”空间实验室，之后发射“神舟十一号”飞船与“天宫二号”对接。假设“天宫二号”

16、与“神舟十一号”都围绕地球做匀速圆周运动，为了实现飞船与空间实验室的对接，下列措施可行的是图4412A使飞船与空间实验室在同一轨道上运行，然后飞船加速追上空间实验室实现对接B使飞船与空间实验室在同一轨道上运行，然后空间实验室减速等待飞船实现对接C飞船先在比空间实验室半径小的轨道上加速，加速后飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接D飞船先在比空间实验室半径小的轨道上减速，减速后飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接10宇航员在月球上做自由落体实验，将某物体由距月球表面高h处释放，经时间t后落到月球表面(设月球半径为R)。据上述信息推断，飞船在月球表面附近绕月球做匀速圆周运动所必须

17、具有的速率为()A.B. C. D.11.土星外层上有一个环（如图），为了判断它是土星的一部分还是土星的卫星群，可以测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系来判断A. 若vR，则该层是土星的卫星群B. 若v2R，则该层是土星的一部分C. 若v，则该层是土星的一部分D. 若v2，则该层是土星的卫星群课后作业：1假设地球和火星都绕太阳做匀速圆周运动，已知地球到太阳的距离小于火星到太阳的距离，那么A地球公转周期大于火星的公转周期 B地球公转的线速度小于火星公转的线速度C地球公转的加速度小于火星公转的加速度 D地球公转的角速度大于火星公转的角速度2 GPS导航系统可以为陆、海、空三大领

18、域提供实时、全天候和全球性的导航服务，它是由周期约为12h的卫星群组成。则GPS导航卫星与地球同步卫星相比A地球同步卫星的角速度大 B地球同步卫星的轨道半径小CGPS导航卫星的线速度大 DGPS导航卫星的向心加速度小3如图所示，人造卫星A、B在同一平面内绕地球做匀速圆周运动。则这两颗卫星相比 A卫星A的线速度较大 B卫星A的周期较大 C卫星A的角速度较大 D卫星A的加速度较大4我国发射的“神舟”系列飞船，在离地面数百公里高处绕地球做匀速圆周运动。如果考虑到空气阻力的作用，“神舟”飞船在运行过程中，其轨道半径将逐渐变小，但每一周仍可视为匀速圆周运动，因此可近似看成是一系列半径不断减小的圆周运动。

19、在这一系列半径不断变小的圆周运动过程中，下列说法中正确的是A. 飞船运动的周期变大 B. 飞船运动的角速度变大C. 飞船运动的速率变小 D. 飞船运动的向心加速度变小5我国自主研制的“嫦娥三号”，携带“玉兔”月球车已于2013年12月2日1时30分在西昌卫星发射中心发射升空，落月点有一个富有诗意的名字“广寒宫”。落月前的一段时间内，绕月球表面做匀速圆周运动。若已知月球质量为M，月球半径为R，引力常量为G，对于绕月球表面做圆周运动的卫星，以下说法正确的是A 线速度大小为 B线速度大小为C周期为 D周期为6“嫦娥三号”的环月轨道可近似看成是圆轨道。观察“嫦娥三号”在环月轨道上的运动，发现每经过时间

20、t通过的弧长为l，该弧长对应的圆心角为 （弧度），如图所示。已知引力常量为G，由此可推导出月球的质量为A. B. C. D. 7发射地球同步通信卫星是将卫星以一定的速度送入预定轨道。地球同步通信卫星的发射场一般尽可能建在纬度较低的位置，这样做的主要理由是在该位置A地球对卫星的引力较大 B地球自转线速度较大C重力加速度较大 D地球自转角速度较大8假设地球可视为质量均匀分布的球体。已知地球表面重力加速度在两极的大小为g、在赤道的大小为g，地球自转的周期为T。则地球的半径为A B C. D92020年4月24日第五个中国航天日启动仪式上，国家航天局正式发布备受瞩目的中国首次火星探测任务被命名为“天问

21、一号”。火星是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星之一，一直以来都是人类深空探测的热点。如果将地球和火星绕太阳的公转视为匀速圆周运动，并忽略行星自转的影响。根据表中数据，结合所学知识可以判断行星天体质量/kg天体半径/m公转轨道半径/m地球6.0×10246.4×1061.5×1011火星6.4×10233.4×1062.3×1011A火星的公转周期小于一年 B火星的公转速度比地球公转速度大 C火星的第一宇宙速度小于7.9km/s D太阳对地球的引力比对火星的引力小10.2018年12月8日2时23分，我国成功发射“嫦娥

22、四号”探测器。“嫦娥四号”探测器经历绕地飞行、地月转移、近月制动（太空刹车）、绕月飞行，最终于2019年1月3日10时26分实现了人类首次在月球背面软着陆，其运动轨迹示意图如图6所示。假设“嫦娥四号”质量保持不变，其在绕月圆轨道和绕月椭圆轨道上运动时只受到月球的万有引力，则有关“嫦娥四号”的下列说法中正确的是绕月圆轨道图6绕月椭圆轨道地月转移轨道绕地椭圆轨道abA沿轨道绕地运行过程中，在a点的速度小于在b点的速度B沿轨道绕地运行的机械能与沿轨道绕地运行的机械能相等 C近月制动后先沿轨道绕月运行，经过变轨最后才沿轨道运行D沿轨道绕月运行的周期相同11如图所示，在“嫦娥”探月工程中，设月球半径为R

23、，月球表面的重力加速度为g0.飞船在半径为4R的圆形轨道上运动，到达轨道的A点时点火变轨进入椭圆轨道，到达轨道的近月点B时，再次点火进入近月轨道绕月做圆周运动，则A飞船在轨道、上运行的周期之比为8:1B飞船在轨道的运行速率大于C飞船在轨道上经过A处的加速度小于在轨道上经过A处的加速度D飞船在轨道上经过A处的运行速率小于飞船在轨道上经过A处的运行速率12.2020 年 3 月 9 日 19 时 55 分，我国在西昌卫星发射中心，成功发射北斗系统第五十四颗导航卫星，北斗三号 GEO-2 是一颗地球同步轨道卫星，以下关于这颗卫星判断正确的是 A.地球同步轨道卫星的运行周期为定值 B. 地球同步轨道卫星所受引力保持不变 C. 地球同步轨道卫星绕地运行中处于平衡状态 D. 地球同步轨道卫星的在轨运行速度等于第一宇宙速度 13“嫦娥一号”的成功发射，为实现中华民族几千年