（江苏专用版）2020版高考物理总复习 第四章 第5讲 宇宙航行课件

第5讲宇宙航行基础过关知识梳理基础自测1.关于地球的第一宇宙速度,下列表述正确的是 (A)A.第一宇宙速度又叫环绕速度B.第一宇宙速度又叫脱离速度C.第一宇宙速度跟地球的质量无关D.第一宇宙速度跟地球的半径无关解析第一宇宙速度又叫环绕速度,A项正确,B项错误;根据定义有G =m 得v= ,可知与地球的质量和半径都有关,C、D项错误。2mMR2vRGMR2.北斗卫星导航系统是我国自行研制开发的区域性三维卫星定位与通信系统(CNSS),建成后的北斗卫星导航系统包括5颗同步卫星和30颗一般轨道卫星。对于其中的5颗同步卫星,下列说法中正确的是 (C)A.它们运行的线速度一定不小于7.9km/sB.地球对它们的吸引力一定相等C.一定位于赤道上空同一轨道上D.它们运行的加速度一定相同解析同步卫星运行的线速度一定小于7.9km/s,选项A错误;由于5颗同步卫星的质量不一定相等,所以地球对它们的吸引力不一定相同,选项B错误;5颗同步卫星一定位于赤道上空同一轨道上,它们运行的加速度大小一定相等,方向不相同,选项C正确,D项错误。考点一卫星运行参量的分析与比较考点二宇宙速度的理解与计算考点突破考点三卫星的变轨问题考点一卫星运行参量的分析与比较1.四个分析“四个分析”是指分析人造卫星的加速度、线速度、角速度和周期与轨道半径的关系。G = 越高越慢2Mmr2.四个比较(1)同步卫星的周期、轨道平面、高度、线速度、角速度绕行方向均是固定不变的,常用于无线电通信,故又称通信卫星。(2)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。(3)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,其运行线速度大小约为7.9km/s。(4)赤道上的物体随地球自转而做匀速圆周运动,由万有引力和地面支持力的合力充当向心力(或者说由万有引力的分力充当向心力),它的运动规律不同于卫星,但它的周期、角速度与同步卫星相等。例1(多选)(2018扬州联考)2017年9月25日,微信启动页面采用“风云四号”卫星成像图。“风云四号”是我国新一代静止轨道气象卫星,则其在圆轨道上运行时 (CD)A.可定位在赤道上空任意高度B.线速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间C.角速度与地球自转角速度相等D.向心加速度比月球绕地球运行的向心加速度大解析同步卫星只能在赤道上空,且高度保持不变,故选项A错误;第一宇宙速度为人造卫星的最大运行速度,气象卫星的线速度小于第一宇宙速度,则选项B错误;同步卫星的周期等于地球的自转周期,所以同步卫星绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相等,则选项C正确;同步卫星与月球都是万有引力提供向心力,由 =ma,可得a= ,所以同步卫星绕地球运行的向心加速度比月球绕地球运行的向心加速度大,则选项D正确。2GMmr2GMr考点二宇宙速度的理解与计算第一宇宙速度的计算方法(1)由G =m 得v= 。(2)由mg=m 得v= 。2MmR2vRGMR2vRgR例2已知地球的质量约为火星质量的10倍,地球的半径约为火星半径的2倍,则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为 (A)A.3.5km/sB.5.0km/sC.17.7km/sD.35.2km/s解析航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动,由火星对航天器的万有引力提供航天器的向心力得 = ,同理 = ,所以 · = ,v火= ·v地,而v地=7.9km/s,故v火= km/s≈3.5km/s,选项A正确。2GMmR火火2mvR火火2GMmR地地2mvR地地MM火地RR地火2vv火地157.95考点三卫星的变轨问题人造地球卫星的发射过程要经过多次变轨,如图所示,我们从以下几个方面讨论。 1.变轨原理及过程(1)为了节省能量,在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道Ⅰ上。(2)在A点点火加速,由于速度变大,万有引力不足以提供在轨道Ⅰ上做圆周运动的向心力,卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ。(3)在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ。2.一些物理量的定性分析(1)速率:设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3,在轨道Ⅱ上过A点和B点时速率分别为vA、vB。因在A点加速,则vAv1,因在B点加速,则v3vB,又v1v3,故有vAv1v3vB。(2)加速度:因为在A点,卫星只受到万有引力作用,故不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A点,卫星的加速度都相同。同理,从轨道Ⅱ和轨道Ⅲ上经过B点时加速度也相同。(3)周期:设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上运行周期分别为T1、T2、T3,轨道半径分别为r1、r2(半长轴)、r3,由开普勒第三定律 =k可知T1T2T3。(4)机械能:在一个确定的圆(椭圆)轨道上机械能守恒。若卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E1、E2、E3,则E1E2E3。32aT3.卫星变轨的两种方式(1)改变提供的向心力(一般不采用这种方式)。(2)改变需要的向心力(通常采用这种方式)。例3(多选)(2018扬州模拟)2018年12月8日,探月工程“嫦娥四号”成功发射。“嫦娥四号”的主要任务有两个,一个是实现月面软着陆,二是实现月面巡视勘察。如图所示,设月球半径为R,“嫦娥四号”在半径为4R的圆形轨道Ⅰ上做匀速圆周运动,到达轨道的A点时点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ,到达轨道的近月点B时,再次点火进入近月轨道Ⅲ绕月做匀速圆周运动,则“嫦娥四号” () A.在轨道Ⅱ上的A点运行速率大于B点速率B.在轨道Ⅲ上B点速率小于在轨道Ⅱ上B点的速率C.在轨道Ⅰ上A点的加速度等于在轨道Ⅱ上A点的加速度D.在轨道Ⅰ、轨道Ⅱ、轨道Ⅲ上运行的周期关系TⅠTⅡTⅢ答案BC在轨道Ⅱ上A点是远月点,而B点是近月点,从A向B运动引力对卫星做正功,卫星速度增大,故在A点速率小于在B点速率,故A项错误;在轨道Ⅱ上经过B点时,卫星做离心运动,所需向心力大于该点万有引力,而在轨道Ⅲ上经过B点时万有引力刚好提供做圆周运动的向心力,同在B点万有引力相等,根据向心力公式F= 可以知道,在轨道Ⅱ上经过B点时的速率大,所以B选项正确;在A点卫星的加速度都是由万有引力产生,故同一点卫星的加速度相同,跟卫星轨道无关,所以C选项正确;2mvR根据万有引力提供做圆周运动的向心力有G =mr ,可得圆轨道的周期T= ,可得在圆轨道Ⅰ上的周期大于在圆轨道Ⅲ上的周期,故D项错误。2Mmr224T234rGM易错警示卫星做圆周运动的向心加速度要根据实际运动情况分析。 与 相等时,卫星才可以做稳定的匀速圆周运动;  时,卫星将做离心运动。2vr2GMr2vr2GMr双星及多星模型加油小站1.模型特征(1)多星系统的条件①各星彼此相距较近。②各星绕同一圆心做匀速圆周运动。(2)多星系统的结构类型双星模型三星模型四星模型结构图    向心力由两星之间的万有引力提供,故两星的向心力大小相等运行所需向心力都由其余星对其万有引力的合力提供运动参量周期、角速度相等2.思维引导 例4(多选)(2018课标Ⅰ)2017年,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。根据科学家们复原的过程,在两颗中子星合并前约100s时,它们相距约400km,绕二者连线上的某点每秒转动12圈。将两颗中子星都看做是质量均匀分布的球体,由这些数据、引力常量并利用牛顿力学知识,可以估算出这一时刻两颗中子星 (BC)A.质量之积B.质量之和C.速率之和D.各自的自转角速度解析两星绕二者连线上一点转动的角速度ω=2πf可求出,两星间的距离L=r1+r2已知,双星彼此之间的万有引力充当各自做圆周运动的向心力,G =m1ω2r1,G =m2ω2r2,化简并把两式相加,得到G(m1+m2)=ω2L3,选项B正确;又因为v1=ωr1,v2=ωr2,两式相加,得到v1+v2=ωL,选项C正确。122mmL122mmL随堂巩固1.(2018江苏单科)我国高分系列卫星的高分辨对地观察能力不断提高。今年5月9日发射的“高分五号”轨道高度约为705km,之前已运行的“高分四号”轨道高度约为36000km,它们都绕地球做圆周运动。与“高分四号”相比,下列物理量中“高分五号”较小的是 (A)A.周期B.角速度C.线速度D.向心加速度解析由万有引力定律有G =mRω2=m R=m =ma,可得T=2π ,ω= ,v= ,a= ,又由题意可知,“高分四号”的轨道半径R1大于“高分五号”的轨道半径R2,故可知“高分五号”的周期较小,选项A正确。2MmR224T2vR3RGM3GMRGMR2GMR2.(2018南通调研)2017年4月20日,天舟一号飞船成功发射,与天宫二号空间实验室对接后在离地约393km的圆轨道上为天宫二号补加推进剂,在完成各项试验后,天舟一号受控离开圆轨道,最后进入大气层烧毁,下列说法中正确的是 (A)A.对接时,天舟一号的速度小于第一宇宙速度B.补加推进剂后,天宫二号受到地球的引力减小C.补加推进剂后,天宫二号运行的周期减小D.天舟一号在加速下降过程中处于超重状态解析7.9km/s是地球的第一宇宙速度,是卫星最小的发射速度,也是卫星或飞行器绕地球做匀速圆周运动的最大速度,所以对接时,天舟一号的速度必定小于第一宇宙速度,故A项正确;补加推进剂后,天宫二号的质量增大,由万有引力定律可知,天宫二号受到地球的引力增大,故B项错误;补加推进剂后,天宫二号的质量增大,根据万有引力提供向心力可得G =m r,解得T=2π ,公式中的M是地球的质量,可见天宫二号的周期与其质量无关,所以保持不变,故C项错误;天舟一号在加2Mmr224T3rGM速下降过程中加速度的方向向下,所以处于失重状态,故D项错误。3.(多选)(2018南通三模)某卫星绕地球做圆周运动周期等于地球自转周期,其轨道平面与赤道平面成55°角,则该卫星 (AD)A.离地面高度与地球同步卫星相同B.在轨运行速度等于第一宇宙速度C.加速度大于近地卫星的加速度D.每天两次经过赤道上同一点的正上方解析由题意可知,该卫星与地球同步卫星的运行周期相同,根据开普勒第三定律,可知该卫星与地球同步卫星轨道半径相同,A正确;卫星的速度v= ,所以该卫星的速度小于第一宇宙速度,B错误;根据 =ma,得a= ,即轨道半径越大加速度越小,故C错误;卫星的轨道与地球赤道平面有两个交点,且周期与地球自转周期相同,故若某时刻卫星位于赤道上一点的正上方,则半个周期后又位于同一点的正上方,D正确。GMr2GMmr2GMr