（北京专用）2020版高考物理总复习 第五章 第2讲 人造卫星与宇宙航行课件

第2讲人造卫星与宇宙航行一三种宇宙速度二人造卫星的运转规律三地球同步轨道卫星知识梳理考点一人造卫星运转规律考点三卫星的发射和变轨深化拓展考点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知识梳理一、三种宇宙速度1.第一宇宙速度(环绕速度):v1=①7.9km/s,是人造地球卫星的最小发射速度。2.第二宇宙速度(脱离速度):v2=②11.2km/s,是物体挣脱地球的引力束缚需要的最小发射速度。3.第三宇宙速度(逃逸速度):v3=③16.7km/s,是物体挣脱太阳的引力束缚需要的最小发射速度。二、人造卫星的运转规律圆周轨道上人造卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与半径的关系:1.由G =m 得v=① ,r越大,v②越小;2Mmr2vrGMr2.由G =mω2r得ω=③ ,r越大,ω④越小;2Mmr3GMr3.由G =m r得T=⑤2π ,r越大,T⑥越大;2Mmr224T3rGM4.由G =ma得a=⑦ ,r越大,a⑧越小。2Mmr2GMr三、地球同步轨道卫星(1)定方向:与地球自转方向相同,即自西向东运动;(2)定周期:与地球自转周期相同,即①24h;(3)定位置:位于②赤道的正上方,即轨道在③赤道平面内;(4)定高度:由G =m r,得r= ,离地面高度为h=r-R=3.6×107m。 2Mmr224T2324GMT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对,B错;由G =m 得v= ,可知第一宇宙速度与地球的质量和半径有关,C、D错。2mMR2vRGMR2.质量为m的人造地球卫星,做匀速圆周运动。它离地面的高度等于地球半径R,地面上的重力加速度为g。则卫星的 (A)A.周期为4π B.加速度为 gC.动能为 mgRD.速度为 2Rg12182gR答案设卫星的轨道半径为r,则由题意知r=2R。在地面附近G =mg,所以有GM=gR2由于万有引力提供卫星做圆周运动的向心力,故有G =m =m r=ma所以v= = = ,故D错误;T= = =4π ,故A正确;2MmR2Mmr2vr224TGMr22gRR12gR234rGM23232RgR2Rga= = = g,故B错误;动能Ek= mv2= m· gR= mgR,故C错误。2GMr224gRR14121212143.关于地球同步卫星,下列说法中不正确的是 (A)A.它运行的线速度介于第一和第二宇宙速度之间B.它一定在赤道上空运行C.它运行的线速度一定小于第一宇宙速度D.各国发射的这种卫星轨道半径都是一样的解析同步卫星的轨道只有一条,在赤道上空,其轨道半径远大于近地卫星的轨道半径,故其速度小于第一宇宙速度。深化拓展考点一人造卫星运转规律1.人造卫星的动力学特征万有引力提供向心力,即G =m =mrω2=m( )2r。2Mmr2vr2T2.人造卫星的运动学特征  1-1如图,若两颗人造卫星a和b均绕地球做匀速圆周运动,a、b到地心O的距离分别为r1、r2,线速度大小分别为v1、v2,则 (A) A. = B. = C. = D. = 12vv12vv12vv12vv21rr12rr221rr212rr解析万有引力提供卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力,有G =m ,所以v= ,则 = ,A项正确。2Mmr2vrGMr12vv21rr1-22017年4月,我国成功发射的天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室完成了首次交会对接,对接形成的组合体仍沿天宫二号原来的轨道(可视为圆轨道)运行。与天宫二号单独运行时相比,组合体运行的 (C)A.周期变大B.速率变大C.动能变大D.向心加速度变大解析天宫二号单独运行时的轨道半径与组合体运行的轨道半径相同。由运动周期T=2π ,可知周期不变,A项错误。由速率v= ,可知速率不变,B项错误。因为(m1+m2)m1,质量增大,故动能增大,C项正确。向心加速度a= 不变,D项错误。3rGMGMr2vr考点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1.赤道上随地球自转的物体:周期为地球自转周期T=24h,运动轨道半径为地球半径R,万有引力与地面对其支持力的合力提供向心力,即G -FN=ma=m R。2MmR224T2.近地圆轨道卫星:轨道半径略大于地球半径R,近似等于R,万有引力提供向心力,即G =mg=m 。运行速度为第一宇宙速度v= = =7.9km/s,周期T0=2π =2π =84min。2MmR2vRGMRgR3RGMRg3.地球同步轨道卫星:周期为地球自转周期T=24h,万有引力提供向心力,即G =ma=m r。轨道半径为r= =4.2×107m。2Mmr224T2324GMT【情景素材·教师备用】2-1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ω1;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ω2;地球的同步卫星所受的向心力为F3,向心加速度为a3,线速度为v3,角速度为ω3;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 (D)A.F1=F2F3B.a1=a2=ga3C.v1=v2=vv3D.ω1=ω3ω2解析地球同步卫星的运动周期与地球自转周期相同,角速度相同,即ω1=ω3,根据关系式v=ωr和a=ω2r可知,v1v3,a1a3;绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星和地球同步卫星都围绕地球转动,它们受到的地球的引力提供向心力,即G =mω2r= =ma可得v= 、a=G 、ω= ,可见,轨道半径大的线速度、向心加速度和角速度均小,则知v2v3、a2a3、ω2ω3;绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星的线速度等于第一宇宙速度,即v2=v,其向心加速度等于重力加速度,即a2=g;所以v=v22Mmr2mvrGMr2Mr3GMrv3v1,g=a2a3a1,ω2ω3=ω1,又因为F=ma,所以F2F3F1。由以上分析可见,选项A、B、C错误,D正确。2-2(2018丰台一模)2018年2月12日,我国以“一箭双星”方式成功发射“北斗三号工程”的两颗组网卫星。已知某北斗导航卫星在离地高度为21500千米的圆形轨道上运行,地球同步卫星离地的高度约为36000千米。下列说法正确的是 (B)A.此北斗导航卫星绕地球运动的周期大于24小时B.此北斗导航卫星的角速度大于地球同步卫星的角速度C.此北斗导航卫星的线速度小于地球同步卫星的线速度D.此北斗导航卫星的加速度小于地球同步卫星的加速度解析卫星做圆周运动,高轨低速大周期,此卫星轨道半径小于同步卫星轨道半径,因此周期小于同步卫星周期24小时,A项错;角速度和线速度都大于同步卫星的,B项正确,C项错误。由G =ma可知此北斗导航卫星的轨道半径小,加速度大,D项错误。2Mmr考点三卫星的发射和变轨一、宇宙速度的理解和计算1.第一宇宙速度的三种不同涵义(1)最小的发射速度。(2)最大的环绕速度。(3)近地卫星的线速度。2.第一宇宙速度的计算方法(1)由 = 得v= 。(2)由mg= 得v= 。2GMmR2mvRGMR2mvRgR二、卫星的变轨运行分析1.制动变轨:使卫星的速率减小,卫星做向心运动,轨道半径变小,需开动反冲发动机使卫星做减速运动;2.加速变轨:使卫星的速率增大,卫星做离心运动,轨道半径变大,需开动反冲发动机使卫星做加速运动。【情景素材·教师备用】 3-1若有一颗“宜居”行星,其质量为地球的p倍,半径为地球的q倍,则该行星的卫星的环绕速度是地球卫星环绕速度的 (C)A. 倍B. 倍C. 倍D. 倍pqqppq3pq解析由G =m ,得v= ,设行星的卫星的环绕速度为v',地球卫星的环绕速度为v,则 = = ,C正确。2MmR2vRGMR'vv''MRMRpq3-2(2016北京理综,18,6分)如图所示,一颗人造卫星原来在椭圆轨道1绕地球E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 (B)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动量解析卫星在轨道1上运行到P点,经加速后才能在轨道2上运行,故A错误;由G =ma得a= ,由此式可知B正确,C错;卫星在轨道2上的任何位置具有的动量大小相等,但方向不同,故D错。2Mmr2GMr