2019_2020学年高中物理科学思维系列（二）——有关宇宙航行的几个问题辨析新人教版必修第二册.docx

科学思维系列 (二)有关宇宙航行的几个问题辨析辨析1.发射速度与运行速度的比较(1)发射速度在地面以某一速度发射一个物体，发射后不再对物体提供动力，在地面离开发射装置时的速度称为发射速度，三个宇宙速度都是指发射速度(2)运行速度运行速度是指做圆周运动的人造卫星稳定飞行时的线速度，对于人造地球卫星，轨道半径越大，则运行速度越小(3)有的同学这样认为：沿轨道半径较大的圆轨道运行的卫星的发射速度大，发射较为困难：而轨道半径较小的卫星发射速度小，发射较为容易这种观点是片面的，因为高轨卫星的发射难易程度与发射速度没有多大关系，如果我们在地面上以7.9 km/s的速度水平发射一个物体，则这个物体可以贴着地面做圆周运动而不落到地面；如果速度增大，则会沿一个椭圆轨道运动，速度越大，椭圆轨道的半长轴就越大；如果这个速度达到11.2 km/s，则这个物体可以摆脱地球的引力，可见，无论以多大速度发射一个物体或卫星，都不会使之成为沿较大的圆轨道做圆周运动的人造卫星，高轨卫星的发射过程是一个不断加速的过程，并不是在地面上给一个发射速度就可以的【典例1】(多选)如图所示，在发射地球同步卫星的过程中，卫星首先进入椭圆轨道，然后在Q点通过改变卫星速度，让卫星进入地球同步轨道，则()A该卫星的发射速度必定大于11.2 km/sB卫星在同步轨道上的运行速度大于7.9 km/sC在椭圆轨道上，卫星在P点的速度大于在Q点的速度D卫星在Q点通过加速实现由轨道进入轨道【解析】11.2 km/s是卫星脱离地球引力束缚的发射速度，而同步卫星仍然绕地球运动，故选项A错误；7.9 km/s(第一宇宙速度)是近地卫星的环绕速度，也是圆周运动最大的环绕速度，同步卫星运动的线速度一定小于第一宇宙速度，故选项B错误；椭圆轨道上，P是近地点，故卫星在P点的速度大于在Q点的速度；卫星在轨道上的Q点做向心运动，只有加速后才能沿轨道运动，故选项C、D正确【答案】CD辨析2.近地卫星、同步卫星和赤道上随地球自转的物体三种匀速圆周运动的比较：(1)轨道半径：近地卫星与赤道上物体的轨道半径相同(rR)，同步卫星的轨道半径较大(rR)(2)运行周期：同步卫星与赤道上物体的运行周期相同(T24 h)，由T2可知，近地卫星的周期(T84.8 min)要小于同步卫星的周期(3)向心加速度：由aG知，同步卫星的加速度小于近地卫星的加速度由a2r2r知，同步卫星加速度大于赤道上物体的加速度(4)向心力：近地卫星和同步卫星都只受万有引力作用，由万有引力充当向心力，满足万有引力充当向心力所决定的天体运行规律赤道上的物体由万有引力和地面支持力的合力充当向心力，它的运动规律不同于卫星的运动规律【典例2】2019广东东莞测试a、b、c、d四颗地球卫星，a还未发射，在地球赤道上随地球一起转动，向心加速度为a1，b处于地面附近近地轨道上，运行速度为v1，c是地球同步卫星，离地心距离为r，运行速度为v2，加速度为a2，d是高空探测卫星，各卫星排列位置如图所示，地球的半径为R，则有(地球表面的重力加速度为g)()Aa的向心加速度等于重力加速度gBd的运动周期有可能是20小时C.2D.【解析】本题易错之处是不能正确分析a、b、c、d四颗地球卫星的运动和受力特点地球同步卫星c的周期必与地球自转周期相同，角速度相同，则知a与c的角速度相同，根据a2r知，c的向心加速度大，由Gma，解得a，卫星的轨道半径越大，向心加速度越小，则同步卫星的向心加速度小于b的向心加速度，而b的向心加速度约为g，故a的向心加速度小于重力加速度g，A错误；由开普勒第三定律k知，卫星的轨道半径越大，周期越大，所以d的运动周期大于c的运动周期(24 h)，B错误；a和c的角速度相同，根据公式a2r，解得，C错误；根据Gm，可得，D正确【答案】D变式训练12019江西赣州中学测试中国“北斗”卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国GPS(全球定位系统)和俄罗斯GLONASS(全球卫星导航系统)之后第三个成熟的卫星导航系统系统由空间端、地面端和用户端组成，其中空间端包括5颗地球同步卫星和30颗非地球同步卫星，下列说法正确的是()A这5颗地球同步卫星的运行速度大于第一宇宙速度B这5颗地球同步卫星的运行周期都与地球自转周期相等C这5颗地球同步卫星运行的加速度大小不一定相等D为避免相撞，不同国家发射的地球同步卫星必须运行在不同的轨道上解析：根据万有引力提供向心力，列出等式m，解得v，可知这5颗地球同步卫星的运行速度小于第一宇宙速度，故A错误；由于这5颗卫星是地球的同步卫星，则其运行周期都与地球自转周期相等，故B正确；地球同步卫星，与赤道平面重合，离地面的高度相同，在相同的轨道上，故D错误；同步卫星的加速度a，所以这5颗地球同步卫星的加速度大小一定相等，故C错误答案：B变式训练2如图所示，地球赤道上的山丘e，近地资源卫星p和同步通信卫星q均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动设e、p、q的圆周运动速率分别为v1、v2、v3，向心加速度分别为a1、a2、a3，则()Av1v2v3 Bv1v2a2a3 Da1a3a2解析：地球同步卫星的运动周期与地球自转周期相同，即e和q的运动周期相同，角速度相同，根据关系式vr和a2r可知，v1v3，a1a3，p和q都围绕地球转动，它们受到的地球的引力提供向心力，即Gma向，可得v，a向G，可见，轨道半径大的线速度和向心加速度均小，即v3v2，a3a2，所以v1v3v2，a1a3a2，选项A、B、C错误，D正确答案：D变式训练3已知地球赤道上的物体随地球自转的线速度大小为v1、向心加速度大小为a1，近地卫星线速度大小为v2、向心加速度大小为a2，地球同步卫星线速度大小为v3、向心加速度大小为a3.设近地卫星距地面高度不计，同步卫星距地面高度约为地球半径的6倍则下列结论正确的是()A. B.C. D.解析：本题易错之处是不能正确建立近地卫星、同步卫星与赤道上随地球自转的物体间的关系并进行列