2023年江苏高考 物理大一轮复习 第五章 第2讲　人造卫星　宇宙速度课件（72张PPT）

1、第五章万有引力与航天第2讲人造卫星宇宙速度目标要求1.会比较卫星运行的各物理量之间的关系.2.理解三种宇宙速度，并会求解第一宇宙速度的大小.3.会分析天体的“追及”问题.内容索引考点一卫星运行参量的分析考点二宇宙速度考点三天体的“追及”问题课时精练考点一卫星运行参量的分析夯实必备知识基础梳理1.天体(卫星)运行问题分析将天体或卫星的运动看成_运动，其所需向心力由_提供.2.物理量随轨道半径变化的规律匀速圆周万有引力即r越大，v、a越小，T越大.(越高越慢)3.人造卫星卫星运行的轨道平面一定通过地心，一般分为赤道轨道、极地轨道和其他轨道，同步卫星的轨道是赤道轨道.(1)极地卫星运行时每圈都经过南

2、北两极，由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖.(2)同步卫星轨道平面与_共面，且与地球自转的方向相同.周期与地球自转周期相等，T_.高度固定不变，h3.6107 m.运行速率均为v3.1 km/s.赤道平面24 h(3)近地卫星：轨道在_附近的卫星，其轨道半径rR(地球半径)，运行速度等于第一宇宙速度v7.9 km/s(人造地球卫星的最大圆轨道运行速度)，T85 min(人造地球卫星的最小周期).注意：近地卫星可能为极地卫星，也可能为赤道卫星.地球表面1.同一中心天体的两颗行星，公转半径越大，向心加速度越大.()2.同一中心天体质量不同的两颗行星，若轨道半径相同，速率不一定相同.()3.近地

3、卫星的周期最小.()4.地球同步卫星根据需要可以定点在北京正上空.()5.极地卫星通过地球两极，且始终和地球某一经线平面重合.()6.不同的同步卫星的质量不一定相同，但离地面的高度是相同的.()1.公式中r指轨道半径，是卫星到中心天体球心的距离，R通常指中心天体的半径，有rRh.提升关键能力方法技巧2.同一中心天体，各行星v、a、T等物理量只与r有关；不同中心天体，各行星v、a、T等物理量与中心天体M和r有关.例1(2020浙江7月选考7)火星探测任务“天问一号”的标识如图所示.若火星和地球绕太阳的运动均可视为匀速圆周运动，火星公转轨道半径与地球公转轨道半径之比为32，则火星与地球绕太阳运动的

4、A.轨道周长之比为23B.线速度大小之比为C.角速度大小之比为D.向心加速度大小之比为94考向1卫星运行参量与轨道半径的关系轨道周长C2r，与半径成正比，故轨道周长之比为32，故A错误；例2我国发射的“神舟八号”飞船与“天宫一号”实现成功对接.某同学为此画出“天宫一号”和“神舟八号”绕地球做匀速圆周运动时的假想图如图所示，A代表“天宫一号”，B代表“神舟八号”，虚线为各自的轨道.由此假想图，可以判定A.“天宫一号”的运行速率等于“神舟八号”的运行速率B.“天宫一号”的周期小于“神舟八号”的周期C.“天宫一号”的向心加速度小于“神舟八号”的向心加 速度D.“天宫一号”的角速度大于“神舟八号”的角

5、速度 由于“天宫一号”的轨道半径大，所以“天宫一号”的运行速率小于“神舟八号”的运行速率，故A错误； 由于“天宫一号”的轨道半径大，所以“天宫一号”的周期大于“神舟八号”的周期，故B错误； 由于“天宫一号”的轨道半径大，所以“天宫一号”的向心加速度小于“神舟八号”的向心加速度，故C正确；由于“天宫一号”的轨道半径大，所以“天宫一号”的角速度小于“神舟八号”的角速度，故D错误.例3关于地球同步卫星，下列说法错误的是A.它的周期与地球自转周期相同B.它的周期、高度、速度大小都是一定的C.我国发射的同步通讯卫星可以定点在北京上空D.我国发射的同步通讯卫星必须定点在赤道上空考向2同步卫星、近地卫星和赤

6、道上物体地球同步卫星的周期与地球自转周期相同，选项A正确；根据 可知，因地球同步卫星的周期一定，则高度、速度大小都是一定的，选项B正确；我国发射的同步通讯卫星若在除赤道所在平面外的任意点，假设实现了“同步”，那它的运动轨道所在平面与受到地球的引力就不在一个平面上，这是不可能的，因此同步卫星必须定点在赤道上空，不可以定点在北京上空，故C错误，D正确.例4如图所示，卫星a没有发射，停放在地球的赤道上随地球自转；卫星b发射成功，在地球赤道上空贴着地表做匀速圆周运动；两卫星的质量相等.认为重力近似等于万有引力.下列说法正确的是A.a、b做匀速圆周运动所需的向心力大小相等B.b做匀速圆周运动的向心加速度

7、等于重力加速度gC.a、b做匀速圆周运动的线速度大小相等，都等于 第一宇宙速度D.a做匀速圆周运动的周期大于地球同步卫星的周期两卫星的质量相等，到地心的距离相等，所以受到地球的万有引力相等.卫星a在赤道上随地球自转而做圆周运动，万有引力的一部分提供自转的向心力，卫星b在赤道上空贴着地表做匀速圆周运动，万有引力全部用来提供公转的向心力，因此a、b做匀速圆周运动所需的向心力大小不相等，A项错误；对卫星b，重力近似等于万有引力，万有引力全部用来提供向心力，所以向心加速度等于重力加速度g，B项正确；卫星b在赤道上空贴着地表做匀速圆周运动，其速度就是最大的环绕速度，也是第一宇宙速度，卫星a在赤道上随地球

8、自转而做圆周运动，向心力小于卫星b的向心力，根据牛顿第二定律，卫星a的线速度小于b的线速度，即a的线速度小于第一宇宙速度，C项错误；a在赤道上随地球自转而做圆周运动，自转周期等于地球的自转周期，同步卫星的周期也等于地球的自转周期，所以a做匀速圆周运动的周期等于地球同步卫星的周期，D项错误.例5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是地球同步卫星，则A.a、b的周期比c大B.a、b的向心力大小一定相等C.a、b的线速度大小一样D.a、b的向心加速度比c大 ，a、b卫星的轨道半径相等，则周期

9、相等，线速度大小相等，方向不同，向心加速度大小相等，c卫星的轨道半径大于a、b卫星的轨道半径，则c卫星的向心加速度小于a、b的向心加速度，周期大于a、b的周期，故A、C错误，D正确；卫星的质量未知，无法比较向心力的大小，故B错误.例6地球同步卫星离地心的距离为r，运行速率为v1，向心加速度大小为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度大小为a2，地球的第一宇宙速度为v2，地球半径为R.则下列关系式正确的是因为地球同步卫星的角速度和地球赤道上的物体随地球自转的角速度相同，根据公式a2r，则有 ，故A、B错误；对于地球同步卫星和以第一宇宙速度运动的近地卫星，由万有引力提供做匀速圆周运动所需向心

10、力得到 ，故C正确，D错误.如图所示，a为近地卫星，轨道半径为r1；b为地球同步卫星，轨道半径为r2；c为赤道上随地球自转的物体，轨道半径为r3.同步卫星、近地卫星及赤道上物体的比较方法点拨方法点拨比较项目近地卫星(r1、1、v1、a1)同步卫星(r2、2、v2、a2)赤道上随地球自转的物体(r3、3、v3、a3)向心力万有引力万有引力万有引力的一个分力轨道半径r2r1r3角速度123线速度v1v2v3向心加速度a1a2a3考点二宇宙速度夯实必备知识基础梳理第一宇宙速度(环绕速度)v1_ km/s，是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的最大环绕速度，也是人造地球卫星的_发射速度第二宇宙速度(逃

11、逸速度)v211.2 km/s，是物体挣脱_引力束缚的最小发射速度第三宇宙速度v316.7 km/s，是物体挣脱_引力束缚的最小发射速度7.9最小地球太阳1.地球的第一宇宙速度的大小与地球质量有关.()2.月球的第一宇宙速度也是7.9 km/s.()3.同步卫星的运行速度一定小于地球第一宇宙速度.()4.若物体的发射速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度，则物体绕太阳运行.()1.第一宇宙速度的推导提升关键能力方法技巧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，此时它的运行周期最短，2.宇宙速度与运动轨迹的关系(1)v发7.9 km/s时，卫星绕地球表面做匀速圆周运动.(

12、2)7.9 km/sv发11.2 km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆.(3)11.2 km/sv发16.7 km/s，卫星绕太阳运动的轨迹为椭圆.(4)v发16.7 km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间.例7地球的近地卫星线速度大小约为8 km/s，已知月球质量约为地球质量的 ，地球半径约为月球半径的4倍，下列说法正确的是A.在月球上发射卫星的最小速度约为8 km/sB.月球卫星的环绕速度可能达到4 km/sC.月球的第一宇宙速度约为1.8 km/sD.“近月卫星”的线速度比“近地卫星”的线速度大 1.8 km/s，在月球上发射卫星的最小速度约为1.8 km/s，月球卫星

13、的环绕速度小于或等于1.8 km/s，“近月卫星”的速度为1.8 km/s，小于“近地卫星”的速度，故C正确.例8(2020北京卷5)我国首次火星探测任务被命名为“天问一号”.已知火星质量约为地球质量的10%，半径约为地球半径的50%，下列说法正确的是A.火星探测器的发射速度应大于地球的第二宇宙速度B.火星探测器的发射速度应介于地球的第一和第二宇宙速度之间C.火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度D.火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度火星探测器需要脱离地球的束缚，故其发射速度应大于地球的第二宇宙速度，故A正确，B错误；例9宇航员在一行星上以速度v0竖直上抛一质量为m的物体，不计空气

14、阻力，经2t后落回手中，已知该星球半径为R.求：(1)该星球的第一宇宙速度的大小；(2)该星球的第二宇宙速度的大小.已知取无穷远处引力势能为零，物体距星球球心距离为r时的引力势能Ep .(G为引力常量)考点三天体的“追及”问题天体“相遇”指两天体相距最近，以地球和行星“相遇”为例(“行星冲日”)，某时刻行星与地球最近，此时行星、地球与太阳三者共线且行星和地球的运转方向相同(图甲)，根据 m2r可知，地球公转的速度较快，从初始时刻到之后“相遇”，地球与行星距离最小，三者再次共线，有两种方法可以解决问题：1.角度关系1t2tn2(n1、2、3)2.圈数关系同理，若两者相距最远(行星处在地球和太阳的

15、延长线上)(图乙)，有关系式：1t2t(2n1)(n1、2、3)或 (n1、2、3)例10当地球位于太阳和木星之间且三者几乎排成一条直线时，称之为“木星冲日”，若2022年9月26日出现一次“木星冲日”.已知木星与地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳近似做匀速圆周运动，木星到太阳的距离大约是地球到太阳距离的5倍.则下列说法正确的是A.下一次的“木星冲日”时间肯定在2024年B.下一次的“木星冲日”时间肯定在2023年C.木星运行的加速度比地球的大D.木星运行的周期比地球的小设太阳质量为M，行星质量为m，轨道半径为r，周期为T，加速度为a.对行星由牛顿第二定律可得 T ，由于木星到太阳的距离大约

16、是地球到太阳距离的5倍，因此，木星运行的加速度比地球的小，木星运行的周期比地球的大，故C、D错误；地球公转周期T11年，由T 可知，木星公转周期T2T111.2年.设经时间t，再次出现“木星冲日”，则有1t2t2，其中1 解得t1.1年，因此下一次“木星冲日”发生在2023年，故A错误，B正确.例11如图，在万有引力作用下，a、b两卫星在同一平面内绕某一行星c沿逆时针方向做匀速圆周运动，已知轨道半径之比为rarb14，则下列说法中正确的有A.a、b运动的周期之比为TaTb12B.a、b运动的周期之比为TaTb14C.从图示位置开始，在b转动一周的过程 中，a、b、c共线12次D.从图示位置开始

17、，在b转动一周的过程 中，a、b、c共线14次根据开普勒第三定律：半径的三次方与周期的二次方成正比，则a、b运动的周期之比为18，A、B错；课时精练1.a、b两颗地球卫星做圆周运动，两颗卫星轨道半径关系为2rarb，则下列分析正确的是A.a、b两卫星的圆轨道的圆心可以与地心不重合B.a、b两卫星的运动周期之比为12C.地球对a卫星的引力大于对b卫星的引力D.a、b两卫星线速度的平方之比为21必备基础练123456789101112卫星由万有引力提供向心力，a、b两卫星的圆轨道的圆心一定与地心重合，故A错误；123456789101112由于不知道卫星质量，无法判断引力大小，故C错误；2.(20

18、19天津卷1)2018年12月8日，肩负着亿万中华儿女探月飞天梦想的嫦娥四号探测器成功发射，“实现人类航天器首次在月球背面巡视探测，率先在月背刻上了中国足迹”，如图.已知月球的质量为M、半径为R，探测器的质量为m，引力常量为G，嫦娥四号探测器围绕月球做半径为r的匀速圆周运动时，探测器的1234567891011121234567891011123.我国首颗量子科学实验卫星“墨子”已于酒泉卫星发射中心成功发射.“墨子”由火箭发射至高度为500 km的预定圆形轨道.此前在西昌卫星发射中心成功发射了第二十三颗北斗导航卫星G7，G7属于地球静止轨道卫星(高度约为36 000 km)，它将使北斗系统的可

19、靠性进一步提高.关于卫星以下说法中正确的是A.这两颗卫星的运行速度可能大于7.9 km/sB.通过地面控制可以将北斗G7定点于西昌正上方C.量子科学实验卫星“墨子”的周期比北斗G7的周期小D.量子科学实验卫星“墨子”的向心加速度比北斗G7的小123456789101112123456789101112根据 知轨道半径越大，线速度越小，北斗G7和量子科学实验卫星“墨子”的线速度均小于地球的第一宇宙速度，故A错误；北斗G7即同步卫星，只能定点于赤道正上方，故B错误；根据 所以量子科学实验卫星“墨子”的周期小，故C正确；卫星的向心加速度 ，半径小的量子科学实验卫星“墨子”的向心加速度比北斗G7的大，

20、故D错误.4.如图，甲、乙两颗卫星以相同的轨道半径分别绕质量为M和2M的行星做匀速圆周运动.下列说法正确的是A.甲的向心加速度比乙的小B.甲的运行周期比乙的小C.甲的角速度比乙的大D.甲的线速度比乙的大1234567891011121234567891011125.(2020全国卷15)若一均匀球形星体的密度为，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1234567891011121234567891011126.如图所示，我国空间站核心舱“天和”在离地高度约为h400 km的圆轨道上运行期间，聂海胜等三名宇航员在轨工作.假设“天和”做匀速圆周运动，地球半径R6 400

21、km，引力常量为G，则可知A.“天和”核心舱内的宇航员不受地球引力作用B.聂海胜在轨观看苏炳添东奥百米决赛比赛时间 段内飞行路程可能超过79 kmC.考虑到h远小于R，聂海胜可以记录连续两次经 过北京上空的时间间隔T，利用公式 估算地球密度D.“天和”核心舱轨道平面内可能存在一颗与地球自转周期相同的地球 卫星123456789101112“天和”核心舱内的宇航员仍受到地球引力的作用，故A错误；由公式 ，得贴近地球表面飞行的卫星的线速度v 7.9 km/s，“天和”号运行的线速度v1 v7.9 km/s，苏炳添东奥百米决赛比赛时间小于10 s，所以聂海胜在轨观看苏炳添东奥百米决赛比赛时间段内飞行

22、路程小于79 km，故B错误；123456789101112北京不在赤道上，考虑到地球的自转的因素，若聂海胜记录连续两次经过北京上空的时间间隔T，该时间一定不是在较低的轨道上的“天和”号做匀速圆周运动的周期，所以不能用 估算地球的密度，故C错误；由题可知，“天和”核心舱的轨道半径和地球同步卫星的轨道半径不同，但其轨道平面内可能存在一颗与地球自转周期相同的地球卫星，故D正确.1234567891011127.星球上的物体脱离星球引力所需要的最小速度称为第二宇宙速度.星球的第二宇宙速度v2与第一宇宙速度v1的关系是v2 v1.已知某星球的半径为r，它表面的重力加速度为地球表面重力加速度g的 .不计

23、其他星球的影响.则该星球的第二宇宙速度为1234567891011121234567891011128.两颗人造卫星A、B绕地球做匀速圆周运动，周期之比为TATB81，则A.轨道半径之比rArB41B.线速度之比vAvB21C.角速度之比AB14D.向心加速度之比aAaB14123456789101112能力综合练1234567891011129.利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯.目前，地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍.假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为A.1 h B.4 h C.8 h D.16 h123456789101112123456789101112地球自转周期变小，卫星要与地球保持同步，则卫星的公转周期也应随之变小，由开普勒第三定律 k可知卫星离地球的高度应变小，要实现三颗卫星覆盖全球的目的，则卫星周期最小时，由几何关系可作出卫星间的位置关系如图所示.解得T24 h.10.如图所示，A、B为地球的两个轨道共面的人