人造地球卫星教案.doc

美景教育课程教案 美景教育 描绘美好教育愿景 联系电话 0757 88742137 罗村地址 时代倾城 339 号 靓家居侧后 课题 课题 人造地球卫星人造地球卫星课型 课型 一对二同步复习 基础 一对二同步复习 基础 科目 科目 物理物理备课时间 备课时间 2012 7 2讲师 讲师 邝飞云邝飞云 课程适合学生 课程适合学生 人教版高一学生人教版高一学生 教学目标教学目标 1 熟练掌握人造卫星各个物理量的变化规律 2 掌握三个宇宙速度及其意义 3 掌握同步卫星的特点 教学内容教学内容人造地球卫星 同步卫星 宇宙速度 人造卫星的超重和失重 重点重点人造卫星物理量的变化规律 同步卫星的特征 难点难点灵活运用已知天体的物理量计算未知天体的物理量 灵活运用万有引力和向心 力计天体物理量 知识导入 知识导入 一 人造地球卫星 一 人造地球卫星 这里特指绕地球做匀速圆周运动的人造卫星 实际上大多数卫星轨道是椭圆 而中学阶 段对做椭圆运动的卫星一般不作定量分析 1 卫星的轨道平面 由于地球卫星做圆周运动的向心力是由万有引力提供的 所以卫星的 轨道平面一定过地球球心 球球心一定在卫星的轨道平面内 2 原理 由于卫星绕地球做匀速圆周运动 所以地球对卫星的引力充当卫星所需的向心力 于是有 3 人造卫星运动的物理量 线速度 角速度 周期等 向心加速度与 r 的平方成反比 向 a 当 r 取其最小值时 取得最大值 a向 max g 9 8m s2 向 a 2 r GM 向 a 2 R GM 线速度 v 与 r 的平方根成反比 v 当 h v r GM 当 r 取其最小值地球半径 R 时 v 取得最大值 vmax 7 9km s R GM Rg 角速度与 r 的三分之三次方成反比 当 h 3 r GM 当 r 取其最小值地球半径 R 时 取得最大值 max 1 23 10 3rad s 3 R GM R g r T mrm r mma r GmM 22 2 2 2 美景教育课程教案 美景教育 描绘美好教育愿景 联系电话 0757 88742137 罗村地址 时代倾城 339 号 靓家居侧后 周期 T 与 r 的二分之三次方成正比 T 2 当 h T GM r 3 当 r 取其最小值地球半径 R 时 T 取得最小值 Tmin 2 2 84 min GM R3 g R 卫星的能量 类似原子模型 r 增v 减小 EK减小 Ep增加 所以 E总增加 需克服引力做功越多 地面上需要的发 射速度越大 例 1 如图 6 5 1 所示 a b c 是地球大气层外圆形轨道上运动的三颗卫 星 a 和 b 的质量相等且小于 c 的质量 则 A b 所需向心力最小 B b c 的周期相同且大于 a 的周期 C b c 的向心加速度大小相等 且大于 a 的向心加速度 D b c 的线速度大小相等 且小于 a 的线速度 例 2 假如一做匀速圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增加到原来的 2 倍 仍 做匀速圆周运动 则 A 根据公式v r可知卫星运动的线速度将增大到原来的 2 倍 B 根据公式F 可知卫星所需的向心力将减小到原来的 1 2 mv2 r C 根据公式F G可知地球提供的向心力将减小到原来的 1 4 Mm r2 D 根据上述B和C中给出的公式可知 卫星运行的线速度将减小到原来的 2 2 例 3 两个人造地球卫星 其轨道半径之比 R1 R2 2 1 求两卫星的 1 a1 a2 2 v1 v2 3 1 2 4 T1 T2 二 宇宙速度及其意义二 宇宙速度及其意义 1 三个宇宙速度的值分别为 第一宇宙速度 物体围绕地球做匀速圆周运动所需要的最小发射速度 又叫最大环绕速 度 近地环绕速度 其值为 km s9 7 1 v 第一宇宙速度的计算 方法一 地球对卫星的万有引力就是卫星做圆周运动的向心力 G m v 当 h v 所以在地球表面附近卫星的速度是它运行 2hr mM hr v 2 hr GM 美景教育课程教案 美景教育 描绘美好教育愿景 联系电话 0757 88742137 罗村地址 时代倾城 339 号 靓家居侧后 的最大速度 其大小为 r h 地面附近 时 7 9 103m s 1 GM V r 方法二 在地面附近物体的重力近似地等于地球对物体的万有引力 重力就是卫星做圆 周运动的向心力 当 r h 时 gh g 所以 v1 7 9 103m s 2 1 v mgm rh gr 第二宇宙速度 脱离速度 如果卫星的速大于而小于 卫星将做km s9 7km s 2 11 椭圆运动 当卫星的速度等于或大于的时候 物体就可以挣脱地球引力的束缚 km s 2 11 成为绕太阳运动的人造行星 或飞到其它行星上去 把叫做第二宇宙速度 km s 2 11 2 v 第二宇宙速度是挣脱地球引力束缚的最小发射速度 第三宇宙速度 物体挣脱太阳系而飞向太阳系以外的宇宙空间所需要的最小发射速度 又称逃逸速度 其值为 km s 7 16 3 v 应该熟记常识 地球公转周期 1 年 自转周期 1 天 24 小时 86400s 地球表面半径 6 4 103km 表面重力加速度 g 9 8 m s2 月球公转周期 30 天 2 当发射速度发射速度 v 与宇宙速度分别有如下关系时 被发射物体的运动情况将有所不同 当 v v1时 被发射物体最终仍将落回地面 当 v1 v v2时 被发射物体将环绕地球运动 成为地球卫星 当 v2 v v3时 被发射物体将脱离地球束缚 成为环绕太阳运动的 人造行星 当 v v3时 被发射物体将从太阳系中逃逸 例 4 我国发射一颗绕月运行的探月卫星 嫦娥一号 设该卫星的轨道是圆形的 且贴 近月球表面 已知月球的质量约为地球质量的 1 81 月球的半径约为地球半径的 1 4 地 球上的第一宇宙速度约为 7 9 km s 则该探月卫星绕月运行的速率约为 A 0 4 km s B 1 8 km s C 11 km s D 36 km s 例 5 某人在一星球上以速率 v 竖直上抛一物体 经时间 t 落回手中 已知该星球的半径 为 R 求这个星球上的第一宇宙速度 三 同步卫星 所有的通迅卫星都为同步卫星 三 同步卫星 所有的通迅卫星都为同步卫星 1 同步卫星 同步 的含义就是和地球保持相对静止 又叫静止轨道卫星 所以其周期 等于地球自转周期 既 T 24h 2 特点 非同步人造地球卫星其轨道平面可与地轴有任意夹角 而同步卫星一定位于赤道的正 上方 不可能在与赤道平行的其他平面上 地球同步卫星的周期 地球同步卫星的运转周期与地球自转周期相同 同步卫星必位于赤道上方 h 处 且 h 是一定的 美景教育课程教案 美景教育 描绘美好教育愿景 联系电话 0757 88742137 罗村地址 时代倾城 339 号 靓家居侧后 得故 rm r Mm G 2 2 2 3 GM r kmRrh35800 地球同步卫星的线速度 环绕速度由得 r m r Mm G 2 2 skm r GM v 08 3 运行方向一定自西向东运行 三颗同步卫星作为通信卫星 则可覆盖全球 例 6 已知地球的半径为R 6400 km 地球表面附近的重力加速度g取 9 8 m s2 若发射 一颗地球的同步卫星 使它在赤道上空运转 其高度和线速度应为多大 例 7 地球同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星 则下列说法正确的是 A 它可以在地面上任一点的正上方 且离地心的距离可按需要选择不同的值 B 它可以在地面上任一点的正上方 但离地心的距离是一定的 C 它只能在赤道的正上方 但离地心的距离可按需要选择不同的值 D 它只能在赤道的正上方 且离地心的距离是一定的 例 8 已知地球同步卫星离地面的高度约为地球半径的6 倍 若某行星的平均密度为地球平 均密度的一半 它的同步卫星距其表面的高度是其半径的 2 5 倍 则该行星的自转周期约为 A 6 小时 B 12 小时 C 24 小时 D 36 小时 四 人造卫星中的四 人造卫星中的 超重超重 和和 失重失重 在发射人造卫星时 卫星尚未进入轨道的加速过程中 由于具有竖直向上的加速度 1 或加速度由竖直向上的分量 卫星内的物体处于超重状态 这种情况与加速上升电梯中 物体的超重相同 卫星进入轨道后 在正常运行过程中 卫星的加速度等于轨道处的重力加速度 卫星 2 中的物体处于完全失重状态 凡是工作原理与重力有关的仪器 如天平 水银气压计等 在卫星中都不能正常适用 凡是与重力有关的实验 在卫星中都无法进行 例 9 一火箭从地面由静止开始以 5m s2 的加速度匀加速上升 火箭中有一质量为 1 6kg 的科考仪器 在火箭上升到距地面某一高度时科考仪器的视重为 9N 则此时火箭离地球表 面的距离为地球半径R的 地表面处重力加速度g 10m s2 A 2 倍 B 3 倍 C 4 倍 D 1 2 倍 五 人造天体在运动过程中的能量关系五 人造天体在运动过程中的能量关系 当人造天体具有较大的动能时 它将上升到较高的轨道运动 所以在较高轨道上运动 的人造天体具有较小的动能 反之 如果人造天体在运动中动能减少 它的轨道半径将减 小 在这一过程中 因引力对其做正功 故导致其动能将增大 同样质量的卫星在不同高度轨道上的机械能不同 其中卫星的动能为 由于 r GMm EK 2 重力加速度 g 随高度增大而减小 所以重力势能不能再用 Ep mgh 计算 而要用到公式 以无穷远处引力势能为零 M 为地球质量 m 为卫星质量 r 为卫星轨道半 r GMm EP 径 由于从无穷远向地球移动过程中万有引力做正功 所以系统势能减小 为负 因此机 美景教育课程教案 美景教育 描绘美好教育愿景 联系电话 0757 88742137 罗村地址 时代倾城 339 号 靓家居侧后 Q v2 v3 P v4 v1 械能为 同样质量的卫星 轨道半径越大 即离地面越高 卫星具有的机械 r GMm E 2 能越大 发射越困难 例题精选 例题精选 例 10 宇宙飞船和空间站在同一轨道上运行 若飞船想与前面的空间站对接 飞船为 了追上空间站 可以采取的方法是 A 飞船加速直到追上空间站 完成对接 B 飞船从原轨道减速至一个较低轨道 再加速追上空间站完成对接 C 飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接 D 无论飞船如何采取何种措施 均不能与空间站对接 例 11 神舟三号 顺利发射升空后 在离地面 340km 的圆轨道上运行了 108 圈 运行中 需要多次进行 轨道维持 所谓 轨道维持 就是通过控制飞船上发动机的点火时间和推力 的大小方向 使飞船能保持在预定轨道上稳定运行 如果不进行轨道维持 由于飞船受轨 道上稀薄空气的摩擦阻力 轨道高度会逐渐降低 在这种情况下飞船的动能 重力势能和 机械能变化情况将会是 A 动能 重力势能和机械能都逐渐减小 B 重力势能逐渐减小 动能逐渐增大 机械能不变 C 重力势能逐渐增大 动能逐渐减小 机械能不变 D 重力势能逐渐减小 动能逐渐增大 机械能逐渐减小 例 12 如图所示 某次发射同步卫星时 先进入一个近地的圆轨道 然 后在 P 点点火加速 进入椭圆形转移轨道 该椭圆轨道的近地点为近地圆轨 道上的 P 远地点为同步轨道上的 Q 到达远地点时再次自动点火加速 进 入同步轨道 设卫星在近地圆轨道上运行的速率为 v1 在 P 点短时间加速后 的速率为 v2 沿转移轨道刚到达远地点 Q 时的速率为 v3 在 Q 点短时间加 速后进入同步轨道后的速率为 v4 试比较 v1 v2 v3 v4的大小 并用小于 号将它们排列起来 例 13 发射地球同步卫星时 先将卫星发射至近地圆轨道 1 然后经点火 使其沿椭圆轨道 2 运行 最后再次点火 将卫星送入同步圆轨道 3 轨道 1 2 相切于 Q 点 轨道 2 3 相切于 P 点 如图 则当卫星分别在 1 2 3 轨道 上正常运行时 以下说法正确的是 A 卫星在轨道 3 上的速率大于在轨道 上的速率 B 卫星在轨道 3 上的角速度小于在轨道 上的角速度 C 卫星在轨道 1 上经过 Q 点时的加速度大于它在轨道 2 上经过 Q 点时的加速度 D 卫星在轨道 2 上经过 P 点时的加速度等于它在轨道 3 上经过 P 点时的加速度 例 14 欧洲航天局用阿里亚娜火箭发射地球同步卫星 该卫星发射前在赤道附近 北 纬 5 左右 南美洲的法属圭亚那的库卢基地某个发射场上等待发射时为 1 状态 发射到近 地轨道上做匀速圆周运动时为 2 状态 最后通过转移 调试 定点在地球同步轨道上时为 3 状态 将下列物理量按从小到大的顺序用不等号排列 这三个状态下卫星的线速度大 Q 1 2 3 P 美景教育课程教案 美景教育 描绘美好教育愿景 联系电话 0757 88742137 罗村地址 时代倾城 339 号 靓家居侧后 小 向心加速度大小 周期大小 例 15 如图所示 有A B 两个行星绕同一恒星O 做圆周运动 旋转方向相同 A 行星的 周期为T1 B 行星的周期为T2 在某一时刻两行星第一次相遇 即两行星距离最近 则 BD A 经过时间t T2 T1 两行星将第二次相遇 B 经过时间 两行星将第二次相遇 12 21 TT TT t 经过时间 两行星第一次相距最远 12 21 2 1 TT TT t D 经过时间 两行星第一次相距最远 2 21 TT t 例 16 A B 两行星在同一平面内绕同一恒星做匀速圆周运动 运行方向相同 A 的轨 道半径为 r1 B 的轨道半径为 r2 已知恒星质量为 恒星对行星的引力 m 远大于得星间的引力 两行星的轨道半径 r1 r2 若在某一时刻两行星相距 最近 试求 1 再经过多少时间两行星距离又最近 2 再经过多少时间两行星距离最远 课堂小测 课堂小测 1 05 北京西城模拟 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 已知某星球的半径为 r 它表面的重力加速度为地球 21 2vv 表面重加速度 g 的 1 6 不计其他星球的影响 则该星球的第二宇宙速度为 A B C D gr 1 6 gr 1 3 gr 1 3 gr 2 在绕地球运转的多种卫星中 有的是通讯卫星 有的是气象卫星 有的是侦察卫星 所有的通讯卫星 都是同步卫星 而有些气象 侦察 卫星的运动轨迹则通过南 北两极的正上方 这样的卫星称为极地 间谍 卫星 则同步卫星和极地卫星相比 观察范围较大的是 A 同步卫星 B 极地卫星 C 不论是哪种卫星 轨道半径大的观察范围较大 D 不能确定 3 地球同步卫星到地心的距离 r 可由 r3 a2b2c 4 2求出 已知式中 a 的单位是 m b 的单位是 s c 的单 美景教育课程教案 美景教育 描绘美好教育愿景 联系电话 0757 88742137 罗村地址 时代倾城 339 号 靓家居侧后 位是 m s2 则 a 是地球半径 b 是地球自转角速度 c 是地球表面处的重力加速度 a 是地球半径 b 是同步卫星绕地心运动的周期 c 是同步卫星的加速度 a 是赤道周长 b 是地球自转周期 c 是同步卫星的加速度 a 是地球半径 b 是同步卫星绕地心运动的周期 c 是地球表面处的重力加速度 A B C D 4 05 湖北荆门模拟 下列关于人造地球卫星与宇宙飞船的说法中 正确的是 如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期 再利用万有引力常量 就可能算出地球的质量 两颗人造地球卫星 只要它们的绕行速率相等 不管它们的质量 形状差别有多大 它们的绕行半 径和绕行周期都一定是相同的 原来在某一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后 若要使后一卫星追上前一卫星并发生碰撞 只要将后者的速率增大一些即可 一绕火星飞行的宇宙飞船 宇航员从舱内慢慢地走出 并离开飞船 飞船因质量减小 所受万有引 力减小 故飞行程度减小 A B C D 5 如图所示 要使卫星在预定的圆轨道上绕地球运动 一般是先用火箭将卫 星送入近地点 A 远地点为 B 的椭圆轨道上 实施变轨后再进入预定圆轨道 已知近地点 A 距地面高度为 h 1 在预定圆轨道上飞行 n 圈所用时间为 t 地 球表面重力加速度为 g 地球半径为 R 求 1 卫星在近地点 A 的加速度为多大 2 远地点 B 距地面的高度为多少 作作 业业 1 我国将要发射一颗绕月运行的探月卫星 嫦娥 1 号 设该卫星的轨道是圆形的 且贴近月球表面 已知月球的质量约为地球质量的 1 81 月球的半径约为地球半径的 1 4 地球上的第一宇宙速度约为 7 9km s 则该探月卫星绕月运行的速率约为 A 0 4km s B 1 8km s C 11km s D 36km s 2 1990 年 5 月 紫金山天文台将他们发现的第 2752 号小行星命名为吴健雄星 该小行星的半径为 16km 若将此小行星和地球均看成质量分布均匀的球体 小行星的密度与地球相同 已知地球半径 R 6400km 地球表面重力加速度为 g 这个小行星表面的重力加速度为 A 400g B 1 400 g C 20g D 1 20 g 3 把火星和地球绕太阳运行的轨道视为圆周 由火星和地球绕太阳运动的周期之比可求得 A 火星和地球的质量之比 B 火星和太阳的质量之比 C 火星和地球到太阳的距离之比 D 火星和地球绕太阳运行速度大小之比 4 信息给予题 2005 年我国成功地发射了中国历史上的第二艘载人宇宙飞船 神舟 六号 飞船 于 2005 年 10 月 12 日 9 时 0 分在中国酒泉卫星发射场用长征 2 号 F 运载火箭发射成功 飞船返回舱于 预定圆轨道 美景教育课程教案 美景教育 描绘美好教育愿景 联系电话 0757 88742137 罗村地址 时代倾城 339 号 靓家居侧后 2005 年 10 月 17 日 4 时 33 分成功着陆 飞船共飞行 115 小时 32 分钟 绕地球飞行 77 圈 行程约 325 万 公里 下列论述正确的是 A 飞船由火箭承载升空过程中 飞船中的宇航员处于超重状态 B 飞船返回舱打开减速伞下降的过程中 飞船中的宇航员处于失重状态 C 神舟 六号飞船绕地球飞行的速度比月球绕地球运行的速度要大 D 神舟 六号飞船绕地球飞行的周期比月球绕地球运行的周期要大 5 一般情况下物理公式都有一定的适用范围 例如质量为 m 的物体放在水平地面上 物体与地面间的动 摩擦因数为 在水平拉力作用下运动 使物体受到的滑动摩擦力 由公式知道滑动摩擦力 Fmg F 与物体运动的速度无关 但物体运动的速度接近下面哪个值时 滑动摩擦力 F 与速度明显有关 A 物体随地球自转的速度 B 7 9Km s C 7 9m s D 光速 C 3 108m s 6 宇航员在探测某星球时 发现该星球均匀带电 且电性为负 电量为 Q 表面无大气 在一次实验中 宇航员将一带负电的粉尘置于离该星球表面 H 高处 该粉尘恰处于悬浮状态 宇航员又将 qqQ 且 此粉尘带到距该星球表面 2H 处 无初速释放 则此带电粉尘将 A 向星球球心方向下降 B 背向星球球心方向飞向太空 C 仍处于悬浮状态 D 沿星球自转的线速度方向飞向太空 7 我国的国土范围在东西方向上大致分布在东经 70 到东经 135 之间 所以我国发射的通信卫星一般 定点在赤道上空 3 6 万公里 东经 100 附近 假设某颗通信卫星计划定点在赤道上空东经 104 的位置 经测量刚进入轨道时位于赤道上