高中物理必修二专题07 天体环绕规律及应用-学生版辅导讲义

专题7天体环绕规律及应用（教师版）一、目标要求目标要求重、难点万有引力作用下圆周运动的一般结论重难点同步卫星与近地卫星重难点卫星变轨问题难点二、知识点解析1．分析天体运动的主要思路(1)一个模型无论是自然天体(行星，月球等)，还是人造航天器(人造卫星，空间站等)，只要研究对象的轨迹是圆形，就可将其简化为质点的匀速圆周运动．(2)两条规律①中心天体表面附近重力近似等于万有引力，即，则(g表示中心天体表面附近的重力加速度．②绕中心天体的行星或卫星的运动近似看作匀速圆周运动，所受的万有引力等于其向心力，即：2．人造卫星(1)人造卫星的分类在地球上水平抛出的物体，当它的速度足够大时，物体就永远不会落到地面上，它将围绕地球旋转，变为一颗人造地球卫星，简称人造卫星．①人造卫星按运行轨道可分为低轨道卫星、中轨道卫星、高轨道卫星，以及地球同步轨道卫星、极地轨道卫星等．②人造卫星按用途可分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星．(2)人造卫星的运动规律卫星运行的轨道一般为椭圆形，中学阶段我们只考虑卫星的轨道为圆形的情况，这样卫星受到的万有引力提供了卫星做圆周运动的向心力．设卫星的轨道半径为r，线速度大小为v，角速度大小为，周期为T，向心加速度为a．线速度或轨道半径越大，环绕天体的线速度、角速度和向心加速度越小，周期越大角速度或环绕周期或向心加速度或..轨道平面规律高轨低速大周期3．近地卫星近地卫星的轨道半径近似等于地球的R，其运行的速度km/s，是所有卫星的最大绕行速度，运行周期T=85min，是所有卫星的最小周期；向心加速度m/s2，是所有卫星的最大加速度．4．同步卫星相对地面静止，跟地球自转同步的卫星叫做地球同步卫星，也称为静止轨道卫星．①周期一定：T=24h②角速度一定：其绕地运行的角速度等于地球自转的角速度．③轨道一定a．所有同步卫星的轨道必在赤道平面内b．所有同步卫星的轨道半径都相同，即在同一轨道运动，据，得km，卫星离地面高度=km，确定的高度为km④环绕线速度一定：在轨道半径一定的条件下，同步卫星的环绕速率也一定，且为：km/s且环绕方向为地球自转方向⑤向心加速度大小一定：在轨道半径一定的条件下，同步卫星的向心加速度的大小一定，由牛顿第二定律和万有引力定律得：，其向心加速度大小都约为0.23m/s25．同步卫星、近地卫星和赤道上物体的比较如图所示，用A代表同步卫星，B代表近地卫星，C代表赤道上的物体.同步卫星A和近地卫星B都是卫星，绕地球运行的向心力由地球对它们的万有引力提供，所以卫星的运动规律都适用；赤道上的物体C随地球自转的向心力由万有引力的一个分力提供，所以卫星的运动规律对赤道上的物体不适用比较内容赤道表面的物体近地卫星同步卫星向心力来源万有引力的分力万有引力向心力方向指向地心线速度(为第一宇宙速度)角速度向心加速度6．卫星变轨运动分析（1）圆周运动：万有引力提供圆周运动向心力(球心间距等于轨道半径)：（2）椭圆运动：①当v增大时，所需向心力增大，即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大，但卫星一旦进入新的圆周轨道运行，由知其运行速度要减小．②当卫星的速度突然减小时，所需的向心力减小，即万有引力大于卫星所需的向心力，因此卫星将做向心运动，同样会脱离原来的圆轨道，轨道半径变小，进入新的圆轨道运行时，由知其运行速度将增大．(3)规律总结：①稳定在新轨道上的运行速度由计算．②卫星绕过不同轨道上的同一点(切点)时，其加速度大小关系可用比较得出．③卫星在不同轨道上的运行周期大小可以借助开普勒第三定律再结合半长轴比较得出．三、考查方向题型1：高轨低速大周期的应用典例一：（2018江苏）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“高分四号冶相比，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.向心加速度题型2：同步卫星典例二：（2012•北京）关于环绕地球运动的卫星，下列说法中正确的是A．分别沿圆轨道和椭圆轨道运行的两颗卫星，不可能具有相同的周期 B．沿椭圆轨道运行的一颗卫星，在轨道不同位置可能具有相同的速率 C．在赤道上空运行的两颗地球同步卫星，它们的轨道半径有可能不同 D．沿不同轨道经过北京上空的两颗卫星，它们的轨道平面一定会重合题型3：卫星变轨问题典例三：（2016•北京）如图所示，一颗人造卫星原来在椭圆轨道1绕地球运行，在变轨后进入轨道2做匀速圆周运动。下列说法正确的是A．不论在轨道1还是在轨道2运行，卫星在点的速度都相同 B．不论在轨道1还是在轨道2运行，卫星在点的加速度都相同 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四、模拟训练一、基础练习1.假设地球和火星都绕太阳做匀速圆周运动，已知地球到太阳的距离小于火星到太阳的距离，那么A．地球公转周期大于火星的公转周期 B．地球公转的线速度小于火星公转的线速度 C．地球公转的加速度小于火星公转的加速度 D．地球公转的角速度大于火星公转的角速度2.人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，轨道离地面越高该卫星()A．所受的万有引力越大 B．运行的角速度越小C．运行的线速度越大 D．运行的周期越小3.如图所示，有关地球人造卫星轨道的正确说法有()A．a、b、c均可能是卫星轨道 B．卫星轨道只可能是aC．a、b均可能是卫星轨道 D．b可能是同步卫星的轨道4.(多选)如图所示，A为地球同步卫星，B为运行轨道比A低的一颗卫星，C为地球赤道上某一高山山顶上的一个物体，两颗卫星及物体C的质量都相同，关于它们的线速度、角速度、运行周期和所受到的万有引力的比较，下列关系式正确的是()A．vB＞vA＞vC B．ωA＞ωB＞ωC C．FA＞FB＞FC D．TA=TC＞TB5.在地球（看作质量均匀分布的球体）上空有许多同步卫星，下面说法中正确的是A．它们的质量可能不同 B．它们速度的大小可能不同 C．它们向心加速度的大小可能不同 D．它们离地心的距离可能不同6.(多选)地球同步卫星距地心的距离为r，运行速度为v1，加速度为a1，地球赤道上物体随地球自转的向心加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则有()A．= B．= C．= D．=7.由于通讯和广播等方面的需要，许多国家发射了地球同步轨道卫星，这些卫星的A．质量可以不同 B．轨道半径可以不同 C．轨道平面可以不同 D．速率可以不同8.研究表明，地球自转在逐渐变慢，3亿年前地球自转的周期约为22小时，假设这种趋势会持续下去，地球的其他条件都不变，未来人类发射的地球同步卫星与现在的相比A．距地面的高度变大 B．向心加速度变大 C．线速度变大 D．角速度变大9.同步卫星电话信号需要通过地球卫星传送。如果你与同学在地面上用卫星电话通话，则从你发出信号至对方接收到信号所需要最短时间最接近于（可能用到的数据：月球绕地球运动的轨道半径为，运动周期约为27天，地球半径约为，无线电信号的传播速度为A． B． C． D．10.若想检验“使月球绕地球运动的力”与“使苹果落地的力”遵循同样的规律，在已知月地距离约为地球半径60倍的情况下，需要验证A．地球吸引月球的力约为地球吸引苹果的力的 B．月球公转的加速度约为苹果落向地面加速度的 C．自由落体在月球表面的加速度约为地球表面的 D．苹果在月球表面受到的引力约为在地球表面的11.已知地球质量为月球质量的81倍，地球半径约为月球半径的4倍。若在月球和地球表面同样高度处，以相同的初速度水平抛出物体，抛出点与落地点间的水平距离分别为和，则约为A． B． C． D．12.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，如图所示．则以下说法不正确的是()A．要将卫星由圆轨道1送入圆轨道3，需要在椭圆轨道2的近地点Q和远地点P分别点火加速一次B．由于卫星由圆轨道l送入圆轨道3被点火加速两次，则卫星在圆轨道3上正常运行速度要大于在圆轨道l上正常运行的速度C．卫星在椭圆轨道2上的近地点Q的速度一定大于7.9km/s，而在远地点P的速度一定小于7.9km/sD．卫星在椭圆轨道2上经过P点时的加速度等于它在圆轨道3上经过P点时的加速度二、提升练习1.（2020•新课标Ⅰ）火星的质量约为地球质量的，半径约为地球半径的，则同一物体在火星表面与在地球表面受到的引力的比值约为A．0.2 B．0.4 C．2.0 D．2.52.（2020•浙江）火星探测任务“天问一号”的标识如图所示。若火星和地球绕太阳的运动均可视为匀速圆周运动，火星公转轨道半径与地球公转轨道半径之比为，则火星与地球绕太阳运动的A．轨道周长之比为 B．线速度大小之比为 C．角速度大小之比为 D．向心加速度大小之比为3.（2019天津）2018年12月8日，肩负着亿万中华儿女探月飞天梦想的嫦娥四号探测器成功发射，“实现人类航天器首次在月球背面巡视探测，率先在月背刻上了中国足迹”。已知月球的质量为、半径为，探测器的质量为，引力常量为，嫦娥四号探测器围绕月球做半径为的匀速圆周运动时，探测器的（）A.周期为 B.动能为C.角速度为 D.向心加速度为4.（20