【名师点金】高考物理一轮复习 第4讲人造卫星宇宙速度课件 新人教

第4讲人造卫星宇宙速度

知识建构技能建构1.人造卫星运动的简化人造卫星绕地球做匀速圆周运动(轨道半径r=①R+h),②地球引力提

供向心力.一、人造卫星的轨道问题知识建构技能建构2.轨道特点地球对人造卫星的万有引力指向地心,所以轨道平面过③地心(可在

不同位置,高度也各不相同),轨道的圆心都是④地心.二、三种宇宙速度知识建构技能建构宇宙速度数值(km/s)意义第一宇宙速度7.9(环绕速度)是物体绕地球做圆周运

动的最小发射速度,若7.

9km/s≤v<11.2km/s,则

物体绕地球运行的轨道

为椭圆第二宇宙速度11.2(脱离速度)是物体挣脱地球引力束

缚的最小发射速度,若1

1.2km/s≤v<16.7km/s,

则物体绕⑤太阳运行知识建构技能建构第三宇宙速度16.7(逃逸速度)是物体挣脱太阳引力束

缚的最小发射速度,若v

≥16.7km/s,则物体将

脱离⑥太阳系在宇宙空

间运行知识建构技能建构1.轨道平面一定:轨道平面与⑦赤道平面共面.三、同步卫星的五个“一定”2.周期一定:与⑧地球自转周期相同,即T=24h.3.角速度一定:与⑨地球自转的角速度相同.知识建构技能建构5.速率一定:v=

(v≈3.1km/s).4.高度一定:由G

=m

(R+h)得同步卫星离地面的高度h=⑩

-R(h≈3.6×104km).知识建构技能建构1.(2012年江苏省苏州市高三教学调研测试)如图所示,图中a、b、c

、d四条圆轨道的圆心均在地球的自转轴上,均绕地球做匀速圆周运

动的卫星中,下列关于图中卫星可能的轨道正确说法有

(

)A.只要轨道的圆心均在地球自转轴上都是可能的轨道,图中轨道a

、b、c、d都是可能的轨道B.只有轨道的圆心在地球的球心上,这些轨道才是可能的轨道,图

中轨道a、b、c均可能C.只有轨道平面与地球赤道平面重合的卫星轨道才是可能的轨道,

图中只有a轨道是可能的D.只有轨道圆心在球心,且与赤道平面重合的轨道,即图中轨道a才

可能是同步卫星的轨道知识建构技能建构【解析】只要绕地球做匀速圆周运动的卫星的轨道的圆心在地球

的球心上,这些轨道就是可能的轨道,所以B对.同步卫星一定要与

赤道平面重合,所以D正确.【答案】BD知识建构技能建构2.(2011年青岛一模)已知地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的

7倍,某行星的同步卫星轨道半径约为该行星半径的3倍,该行星的自

转周期约为地球自转周期的一半,那么该行星的平均密度与地球平

均密度之比约为

(

)A.

B.

C.

D.

【解析】设地球和该行星的半径分别为r地、r行,质量分别为M地、M

行,两者的同步卫星的周期分别为T地、T行,对地球的同步卫星有:G

=m

·7r地,地球的平均密度:ρ地=

,可得:ρ地=

,同理有:ρ行=

,再考虑到T地=2T行,故该行星的平均密度与地球的平均密度之比约为

,A对.【答案】A知识建构技能建构3.(2011年潍坊质质检)我国于于2010年年10月1日日成功发射了了月球探测卫卫星“嫦娥二号号”,“嫦娥娥二号”在椭椭圆轨道近月月点Q完成近月拍摄摄任务后,到达达椭圆轨道的的远月点P变轨成圆轨道道,如图所示示.忽略地球球对“嫦娥二号号”的影响,则“嫦娥二二号”()A.在由椭圆圆轨道变成圆圆形轨道过程程中机械能不不变B.在由椭圆圆轨道变成圆圆形轨道过程程中线速度增增大C.在Q点的线速度比比沿圆轨道运运动的线速度度大D.在在Q点的的加加速速度度比比沿沿圆圆轨轨道道运运动动的的加加速速度度大大知识识建建构构技能能建建构构点时时的的速速度度小小,而而这这一一速速度度比比经经过过P的圆圆轨轨道道速速度度大大,所所以以““嫦嫦娥娥二二号””在在Q点的的线线速速度度比比沿沿圆圆轨轨道道运运动动的的线线速速度度大大,C对对;根根据据牛牛顿顿第第二定定律律,加加速速度度跟跟““嫦嫦娥娥二二号号””受受到到的的万万有有引引力力成成正正比比,所所以以在在Q点的的加加速速度度比比沿沿圆圆轨轨道道运运动动的的加加速速度度大大,D对对.【答案案】BCD【解析析】在由由椭椭圆圆轨轨道道变变成成圆圆形形轨轨道道时时,需经经过过加加速速实实现现,这样样“嫦嫦娥娥二二号号””的的机机械械能能增增加加,线速度增增加,A错,B对;若过Q有一绕月月球的圆形形轨道,在这一圆圆形轨道道上的飞飞行器速速度比绕绕椭圆轨轨道过Q知识建构构技能建构构4.如图图所示是是“嫦娥娥一号””奔月示示意图,卫星发发射后通通过自带带的小型火箭多多次变轨轨,进入入地月转转移轨道道,最终终被月球球引力捕捕获,成成为绕月月卫星,并并开展对对月球的的探测.下列说说法正确确的是()A.发射射“嫦娥娥一号””的速度度必须达达到第三三宇宙速速度B.在绕绕月圆轨轨道上,卫星运运行周期期与卫星星质量有有关C.卫星星受月球球的引力力与它到到月球中中心距离离的平方方成反比比D.在绕绕月圆轨轨道上,卫星受受地球的的引力大大于受月月球的引引力【解析】若发射射速度度达到到第三三宇宙宙速度度,“嫦娥一一号”知识建建构技能建建构星的质质量无无关,故选选项B错误误;卫卫星所所受月月球的的引力力F=G,故选选项C正确确;在在绕月月圆轨轨道上上,卫卫星受受地球球的引引力小小于受受月球球的引引力,故选项D错误误.【答案】C知识建建构技能建构例1一组太空人人乘坐太空空穿梭机,去修理位于于离地球表表面高度为6.0一、对人造造卫星的认认识知识建构技能建构(2)计算算该轨道上上的重力加加速度.(1)在穿穿梭机内,一个质量量为70kg的太太空人站在在台秤上,台秤示数数是多少?(3)计算算穿梭机在在轨道上的的速度和周周期.知识建构技能建构【名师点金】解答此题应应把握以下下三点:(1)穿梭机内的的人处于完完全失重状态;(2)轨道上的重重力加速度度即穿梭机机的向心加加速度;(3)利用F引=F向计算穿梭机机的速率和和周期.【规范全解】(1)在穿梭机中中,由于人处于于完全失重重状态,故质量为70kg的人站在台台秤上时,对台秤的压压力为零,因此台秤的的示数为零零.知识识建建构构技能能建建构构(2)穿穿梭梭机机在在地地面面上上时时mg=G在轨轨道道上上时时mg'=G解得得:g‘=,代入入数数据据得得:g'=8.2m/s2.知识识建建构构技能能建建构构(3)穿穿梭梭机机在在轨轨道道上上运运行行时时:G=m=m()2(R+h)联立立解解得得:v=R,T=2ππ代入入数数据据解解得得:v=7.6×103m/s,T=6.2×103s.【答案案】(1)零(2)8.2m/s2(3)7.6知识识建建构构技能能建建构构1.人人造造卫卫星星的的动动力力学学特特征征万有有引引力力提提供供向向心心力力,即即G=m=mrωω2=m()2r.方法法概概述述知识识建建构构技能能建建构构(1)线线速速度度v:由由G=m,得得v=,随随着着轨轨道道速度减小.2.人造卫星星的运动学特特征(2)角速度度ω:由G=mω2r,得ω=,随着轨道半半径的增大,做匀速圆周运动的卫星星的角速度减减小.(3)周期T:由G=mr,得T=2π,随着轨道半半径的增大,卫星的周期增大.知识建构技能建构3.卫星的环环绕速度和发发射速度:不不同高度处的的人造地球卫卫星在圆轨道上的运行速速度v=,其大小随半半径的增大而而减小.但是是,由于在人造地球卫星星发射过程中中火箭要克服服地球引力做做功,因此要要将卫星发射到离地球球越远的轨道道上,在地面面上所需的发发射速度就越越大,即v发射>v环绕,所以近地人人造地球卫星星的速度是最最大环绕速度度,也是人造造卫星的最小发射射速度.知识建构技能建构(1)人造地地球卫星在发发射升空时,有一段加速速运动过程;在返回地面面时,有一段减减速运动过程程.这两个过过程加速度方方向均向上,因而都是超超重状态.4.人造地球球卫星的超重重和失重知识建构技能建构(2)人造地地球卫星在沿沿圆轨道运行行时,由于万万有引力提供供向心力,因因此处于完全失重重状态,在这这种情况下凡凡是与重力有有关的力学现现象都不会发生.因此此,在卫星上上的仪器,凡凡是制造原理理与重力有关关的均不能使使用.同理,与与重力有关的的实验也将无无法进行.注意:①卫星绕地球运运行的最小周周期约为85分钟;②人造地球卫星星绕地球运行时,处于失重状态态,并不是不受重重力作用,而是重力完全全用来提供向心力.二、卫星的轨轨道和变轨问问题知识建构技能建构A.动能、重重力势能和机机械能都逐渐渐减小B.重力势能能逐渐减小,动能逐渐增增大,机械能能不变C.重力势能能逐渐增大,动能逐渐减减小,机械能能不变D.重力势能能逐渐减小,动能逐渐增增大,机械能能逐渐减小知识建构技能建构【规范全全解】由于阻阻力很很小,轨道高高度的的变化化很慢慢,卫星运运行的的每一一圈仍可可认为为是匀匀速圆圆周运

可知,卫星动能将增大.这也说明该过程中重力做的功大于克服阻力做的功,外力做的总功为正.答案选D.【答案】D【名师点点金】卫星绕绕地球球做圆圆周运运动的的周期期和速速率与与轨道道半径径有必然联联系,半径发发生变变化时时卫星星运动动状态态参量量均会会发生生变化化.知识建建构技能建建构1.卫卫星的的轨道道方法概概述(1)赤道道轨道道:卫卫星的的轨道道在赤赤道平平面内内.同同步卫卫星就就是其其中的的一种种.(2)极地地轨道道:卫卫星的的轨道道过南南北两两极,即在在垂直直于赤赤道的的平面面内.如定位卫卫星系系统中中的卫卫星轨轨道.(3)其他他轨道道:除除以上上两种种轨道道外的的卫星星轨道道.知识建建构技能建建构(1)圆轨轨道上上的稳稳定运运行若卫星星所受受万有有引力力等于于做匀匀速圆圆周2.卫卫星星的的稳稳定定运运行行与知识识建建构构技能能建建构构(2)变变轨轨运运行行分分析析当①当v增大大时时,所需需向向心心力力m增大大,即万万有有引引力力不不足足以以提提供供向向心心力力,卫星将将做做离离心心运运动动,脱离离原原来来的的圆圆轨轨道道,轨道道半半径径变变大大,但卫卫星星一一旦旦进进入入新的的轨轨道道运运行行时时,由v=知其其运运行行速速度度要要减减小小②当卫卫星星的的速速度度突突然然减减小小时时,向心力减小,即万有引引力大于于卫星所需的向向心力,因此卫星星将做向向心运动动,同样会脱脱离原来来的圆轨轨道,轨道半径变变小,进入新轨轨道运行行时,由v=知运行速速度将增增大,但重力知识建构构技能建构构势能、机机械能均均减少.(卫星星的发射射和回收收就是利利用了这这一原理理)注意:①一切卫星星的轨道道的圆心心都与地地心重合合;②卫星变轨轨时半径径的变化,可根据万万有引力力和所需需向心力力的大小小关系判判断;③稳定在新新轨道上的运运行速度度变化由由v=判断.知识建构构技能建构变式训练练1我我国发射射“神舟舟”号飞飞船时,先将飞飞船发送送到一个个椭圆轨道上,如图所所示,其其近地点点M距地面200km,远地点点N距地面340km.进入该轨轨道正常常运行时时,通过过M、N点时的速速率分别别是v1、v2.当某次次飞船通过过N点时,地地面指挥挥部发出出指令,点燃飞飞船上的的发动机机,使飞飞船在短时间间内加速速后进入入距地面面340km的圆形形轨道,开始绕绕地球做做匀速圆周运运动.这这时飞船船的速率率约为v3,比较飞飞船在M、N、P三点正常常运行时(不包括括点火加加速阶段段)的速速率大小小和加速速度大小小,下列列结论正确的是是()A.v1>v3>v2,a1>a3>a2B.v1>v2>v3,a1>a2=a3C.v1>v2=v3,a1>a2>a3D.v1>v3>v2,a1>a2=a3知识建构技能建构【规范全解】飞船在椭圆轨轨道上运行时时,由开普勒面积积定律可知v1>v2.又题中文字说说明飞船在N点时点火加速速进入圆形轨轨道,所以v3>v2.飞船从M点沿椭圆轨道道运动离地球球距离增大,由v=可知M点所在圆形轨道的的线速度大于于v3,所以v1>v3>v【答案】D知识建构技能建构例3如图所所示,A是地球的同步步卫星.另一一卫星B的圆形轨道位位于赤道平面内内,离地面高高度为h.已知地球半半径为R,地球自转角角速度为ω0,地球表面的的重力加速度度为g,O为地球中心.三、卫星的追追及问题知识建构技能建构(2)如果卫卫星B绕行方向与地地球自转方向向相同,某时时刻A、B两卫星相距最近(O、B、A在同一直线上上),则至少少经过多长时时间,它们再再一次相距最近?【名师点金】本题是卫星的的追及问题,关键在于弄清清只要A、B两颗卫星转动的角角度之差是2π的整数倍,则他们就可再再一次相距(1)求卫卫星B的运行周期期.知识建构技能建构【规范全解】(1)对卫星B由万有引力力定律和向向心力公式式得G=m(R+h)G=mg联立两式得得:TB=2π.知识建构技能建构(2)由题题意得:(ωB-ω0)t=2π解得:t=.【答案】(1)知识建构技能建构(1)两颗颗卫星在同同一轨道上上运动,它它们的运动动角速度相相同,不可可能相遇.方法概述(2)两颗颗卫星在不不同的圆轨轨道上运动动,因运动动角速度不不同,它们们追及的问题是近几几年的高考考热点.求求解这类问问题一般是是通过计算算转过的角角度差来解决决相关问题题.知识建构技能建构变式训练2a是地球赤道道上一幢建建筑,b是在在赤赤道道平平面面内内做做匀匀速速圆圆周周运动动、、距距地地面面9.6×106m的的卫卫星星,c是地地球球同同步步卫卫星星,某某一一时时刻刻b、c刚好位位于于a的正正上上方方,如如图图甲甲所所示示.经经48h,a、b、c的大大致致位位置置是是如如图图乙乙中的的(取取地地球球半半

(

)知识识建建构构技能能建建构构【规范范全全解解】由G=m(R+h)可得得T==,代入入数数据据可可求求得得b的周周期期为为20000【答案案】B知识识建建构构技能能建建构构高考考真真题题1(2011年年高高考考··全全国国理理综综卷卷)我我国国““嫦嫦娥娥一一号号””探探月月卫卫星星发射后后,先先在““24小时时轨道道”上上绕地A.卫卫星动动能增增大,引力力势能能减小小B.卫卫星动动能增增大,引力力势能能增大大C.卫卫星动动能减减小,引力力势能能减小小D.卫卫星动动能减减小,引力力势能能增大大知识建建构技能建【解析提提示】轨道半半径越越大,环绕速速度越越小,引力势势能越越大.【命题分分析】本题以以选择择题的的形式式考查查卫星星在变变轨过过程中中能量量的变化.知识建建构技能建建构【规范全全解】由G=mr()2=m可知,卫星周周期越越大,轨道半半径就就越大,卫星线线速度度就越越小,动能就就越小小;从“24小时轨轨道””变轨轨到““48小时轨轨道””再变变轨到到“72小时轨轨道””,轨道半半径越越来越越大,动能越越来越小;每变轨轨一次次发动动机克克服引引力做做功一一次,引力势势能增增大,D项正确确.【答案】D知识建建构技能建建构考向预预测1A.=B.=C.=D.=【解析】=2,由G=mr得:r=,因而=,由v=可得:==,即D正确.【答案】D知识建技能建建构高考真真题2(2011年年高考考·山山东理理综卷卷)甲甲、乙乙为两两颗地地球卫卫星,其中中甲为地地球同同步卫卫星,乙的的运行行高度度低于于甲的的运行行高度度,两两卫星星轨道道均可视为为圆轨轨道.以下下判