2020届高三物理一轮复习 第四章 第5讲 天体运动与人造卫星课件

高频考点·分类突破基础知识·自主梳理目录ONTENTSC学科素养提升4课时作业第5讲天体运动与人造卫星第四章曲线运动万有引力与航天章末检测卷5一、宇宙速度1．环绕速度(1)第一宇宙速度又叫环绕速度，其数值为km/s.(2)第一宇宙速度是人造卫星在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最小的速度，也是人造卫星的最大速度．2．第二宇宙速度(脱离速度)使物体挣脱引力束缚的最小发射速度，其数值为km/s.3．第三宇宙速度(逃逸速度)使物体挣脱引力束缚的最小发射速度，其数值为km/s.7.9地面发射环绕地球11.2太阳16.7二、地球卫星1．卫星的轨道(1)赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面内，同步卫星就是其中的一种．(2)极地轨道：卫星的轨道过南北两极，即在垂直于赤道的平面内，如极地气象卫星．(3)其他轨道：除以上两种轨道外的卫星轨道．所有卫星的轨道平面一定通过地球的球心．2．地球同步卫星相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星．同步卫星有以下特点：(1)轨道平面一定：轨道平面与共面．(2)周期一定：与地球自转周期，即T＝.(3)角速度一定：与地球自转的角速度．(4)高度一定：根据GMmr2＝m4π2T2r得，r＝3GMT24π2＝4.23×104km，卫星离地面高度h＝r－R≈5.6R(为恒量)．赤道平面相同24h相同(5)绕行方向一定：与地球自转的方向一致．3．极地卫星和近地卫星(1)极地卫星运行时每圈都经过，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，其运行线速度约为km/s.南北两极地球的半径7.9■判一判记一记易错易混判一判(1)近地卫星距离地球最近，环绕速度最小．()(2)人造地球卫星绕地球运动，其轨道平面一定过地心．()(3)地球同步卫星根据需要可以定点在北京正上空．()(4)极地卫星通过地球两极，且始终和地球某一经线平面重合．()×√××(5)发射火星探测器的速度必须大于11.2km/s.()(6)不同的同步卫星的质量不同，但离地面的高度是相同的．()(7)地球同步卫星的运行速度一定小于地球的第一宇宙速度．()(8)若物体的发射速度大于第二宇宙速度，小于第三宇宙速度，则物体可以绕太阳运行．()√√√√规律结论记一记(1)天体做匀速圆周运动所需向心力等于万有引力，也等于绕行天体在所在轨道上所受的重力．(2)卫星轨道半径越大，卫星的向心加速度、角速度、线速度越小，周期越大．(3)地球同步卫星，只能在赤道平面正上方，且运行参数都相同，但卫星的质量可以不相同．(4)第一宇宙速度是最大环绕速度，也是最小发射速度．(5)解题中常用到的重要参数①第一宇宙速度v1＝gR＝GMR＝7.9km/s.②地表附近的人造卫星：r＝R＝6400km，v运＝v1，T＝2πRg＝84.6min.③同步卫星：T＝24h，h＝5.6R＝36000km，v＝3.1km/s.考点一对宇宙速度的理解及应用自主学习型1．第一宇宙速度的推导方法一：由GMmR2＝mv12R，得v1＝GMR＝7.9×103m/s.方法二：由mg＝mv12R，得v1＝gR＝7.9×103m/s.第一宇宙速度是发射地球人造卫星的最小速度，也是地球人造卫星的最大环绕速度，此时它的运行周期最短，Tmin＝2πRg＝84.6min.2．宇宙速度与运动轨迹的关系(1)v发＝7.9km/s时，卫星绕地球做匀速圆周运动．(2)7.9km/s＜v发＜11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆．(3)11.2km/s≤v发＜16.7km/s，卫星绕太阳做椭圆运动．(4)v发≥16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间．1．[三种宇宙速度](多选)下列关于三种宇宙速度的说法正确的是()A．第一宇宙速度v1＝7.9km/s，第二宇宙速度v2＝11.2km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1，小于v2B．美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度C．第二宇宙速度是使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度D．第一宇宙速度7.9km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度根据v＝GMr可知，卫星的轨道半径r越大，即距离地面越远，卫星的运行速度越小，v1＝7.9km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度，卫星在其他圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项A错误，D正确；美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，仍在太阳的引力范围内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选项B错误；第二宇宙速度是使物体挣脱地球引力束缚，成为一颗绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，选项C正确．CD2．[第一宇宙速度的计算](2019·山东潍坊高三统考)已知地球半径约为火星半径的2倍，地球密度约为火星密度的1.5倍，则地球第一宇宙速度与火星第一宇宙速度的比值为()A.6B.32C.23D.16在天体表面附近绕天体做圆周运动的物体的速度即为第一宇宙速度，由牛顿第二定律有GMmR2＝mv2R，解得第一宇宙速度v＝GMR，又因为M＝ρV＝ρ·43πR3，整理得v＝4πGρ3R，由题意可知，地球第一宇宙速度与火星第一宇宙速度的比值为v1v2＝ρ1R1ρ2R2＝6，A正确，B、C、D错误．A考点二卫星运行参数分析师生互动型1．卫星的运行轨道(如图所示)注意：轨道平面一定通过地球的球心．2．卫星的各物理量随轨道半径变化的规律规律GMmr2＝r＝R地＋hmv2r→v＝GMr→v∝1rmω2r→ω＝GMr3→ω∝1r3m4π2T2r→T＝4π2r3GM→T∝r3ma→a＝GMr2→a∝1r2越高越慢mg＝GMmR地2近地时→GM＝gR地23．同步卫星的六个“一定”[典例]2017年10月24日，在地球观测组织(GEO)全会期间举办的“中国日”活动上，我国正式向国际社会免费开放共享我国新一代地球同步静止轨道气象卫星“风云四号”(如图所示)和全球第一颗二氧化碳监测科学实验卫星(简称“碳卫星”)的数据．“碳卫星”是绕地球极地运行的卫星，在离地球表面700公里的圆轨道对地球进行扫描，汇集约140天的数据可制作一张无缝隙全球覆盖的二氧化碳监测图．有关这两颗卫星的说法正确的是()A．“风云四号”卫星的向心加速度大于“碳卫星”的向心加速度B．“风云四号”卫星的线速度小于“碳卫星”的线速度C．“碳卫星”的运行轨道理论上可以和地球某一条经线重合D．“风云四号”卫星的线速度大于第一宇宙速度[解析]“风云四号”卫星是地球的同步卫星，其运行的轨道半径大于“碳卫星”的轨道半径，根据a＝GMr2，知其向心加速度小于“碳卫星”的向心加速度，选项A错误；根据v＝GMr可知，“风云四号”卫星的线速度小于“碳卫星”的线速度，选项B正确；“碳卫星”的运行轨道是过地心及地球两极的固定平面，而地球的经线是随地球不断转动的，则“碳卫星”的运行轨道不可能和地球某一条经线重合，选项C错误；“风云四号”卫星的运行半径大于地球的半径，则其线速度小于第一宇宙速度，选项D错误．[答案]B[方法技巧]利用万有引力定律解决卫星运动的技巧(1)一个模型：天体(包括卫星)的运动可简化为质点的匀速圆周运动模型．(2)两组公式①GMmr2＝mv2r＝mω2r＝m4π2T2r＝ma.②mg＝GMmR2(g为星体表面处的重力加速度)．(3)a、v、ω、T均与卫星的质量无关，只由轨道半径和中心天体质量共同决定，所有参量的比较，最终归结到半径的比较．1．[卫星运行参数的比较](2018·高考江苏卷)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．周期B．角速度C．线速度D．向心加速度设地球质量为M，人造卫星质量为m，人造卫星做匀速圆周运动时，根据万有引力提供向心力有GMmr2＝mv2r＝mω2r＝m(2πT)2r＝ma，得v＝GMr，ω＝GMr3，T＝2πr3GM，a＝GMr2.因为“高分四号”的轨道半径比“高分五号”的轨道半径大，所以选项A正确，B、C、D错误．A2．[同步卫星的特点]我国自主研发的“北斗”卫星导航系统中含有地球同步卫星．关于地球同步卫星，下列说法正确的是()A．同步卫星处于平衡状态B．同步卫星的速度是不变的C．同步卫星的高度是一定的D．同步卫星的线速度应大于第二宇宙速度同步卫星做匀速圆周运动，其加速度不为零，故不可能处于平衡状态，选项A错误；同步卫星做匀速圆周运动，速度方向必然改变，选项B错误；同步卫星定轨道、定周期，所以同步卫星离地面的高度是一个定值，选项C正确；星球上的物体脱离该星球引力所需要的最小速度称为第二宇宙速度，第一宇宙速度又叫最大环绕速度，同步卫星离地面有一定距离，其速度一定小于第一和第二宇宙速度，选项D错误．C3．[同步卫星与其他卫星运行参数的比较](多选)地球同步卫星离地心的距离为r，运行速率为v1，加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，地球的第一宇宙速度为v2，半径为R，则下列比例关系中正确的是()A.a1a2＝rRB.a1a2＝(rR)2C.v1v2＝rRD.v1v2＝Rr设地球的质量为M，同步卫星的质量为m1，在地球表面绕地球做匀速圆周运动的物体的质量为m2，根据向心加速度和角速度的关系有a1＝ω12r，a2＝ω22R，又ω1＝ω2，故a1a2＝rR，选项A正确；由万有引力定律和牛顿第二定律得GMm1r2＝m1v12r，GMm2R2＝m2v22R，解得v1v2＝Rr，选项D正确．AD考点三卫星变轨与追及问题自主学习型1．卫星发射及变轨过程概述人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道．如图所示，发射卫星的过程大致有以下几个步骤：(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处点火加速，由于速度变大，进入椭圆轨道Ⅱ.(3)在B处(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ.2．卫星变轨的实质两类变轨离心运动近心运动变轨起因卫星速度突然增大卫星速度突然减小受力分析GMmr2＜mv2rGMmr2＞mv2r变轨结果变为椭圆轨道运动或在较大半径圆轨道上运动变为椭圆轨道运动或在较小半径圆轨道上运动能量分析重力势能、机械能均增加重力势能、机械能均减小1．[变轨问题中运行参数分析](2016·高考北京卷)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()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卫星由轨道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GMmr2＝ma得a＝GMr2，由此式可知B正确，C错误．卫星在轨道2上的任何位置具有的速度大小相等，但方向不同，故D错误．B2．[卫星运动的追及问题](多选)(2019·辽宁鞍山一中等六校联考)如图所示，质量相同的三颗卫星a、b、c绕地球做匀速圆周运动，其中b、c在地球的同步轨道上，a距离地球表面的高度为R，此时a、b恰好相距最近．已知地球质量为M、半径为R、地球自转的角速度为ω，万有引力常量为G，则()A．发射卫星b时速度要大于11.2km/sB．若要卫星a与b实现对接，可调节卫星a，使其在b的后下方加速C．若要卫星c与b实现对接，可让卫星c直接在原轨道加速D．卫星a和b下次相距最近还需经过t＝2πGM8R3－ω卫星b绕地球做匀速圆周运动，7.9km/s是指在地球上发射的物体绕地球做圆周运动所需的最小发射速度，11.2km/s是物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度，所以