7.4宇宙航行-卫星参数 学案 -高中物理人教版（2019）必修第二册

7.4宇宙航行（卫星运动）（第一课时）复习思考：1.天体运动近似看成匀速圆周运动，万有引力提供向心力，即

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这是解决天体运动问题的核心思路。2.忽略地球自转影响，地表附近物体的重力等于物体所受万有引力，即

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，所以

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。这是一个常用变换式。任务一天体（卫星）参数问题：在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动，如图所示1、人造地球卫星1.人造地球卫星的轨道（1）卫星的轨道平面可以在平面内(如同步轨道)，可以通过上空(极地轨道)，也可以和成任意角度；（2）因为地球对卫星的提供了卫星绕地球做圆周运动的向心力，所以必定是卫星圆轨道的圆心．例题1可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道（）A．与地球表面上某一纬线（非赤道）是共面同心圆B．与地球表面上某一经线所决定的圆是共面同心圆C．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，且卫星相对地球表面是静止的D．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，但卫星相对地球表面是运动的思考：人造地球卫星的轨道的轨道可以是C吗？2.人造地球卫星的运行规律目前为止，人类发射的人造地球卫星已经有几千颗了，这些卫星运行的快慢不同，那么卫星运行的线速度、角速度、周期与什么因素有关呢？（分组讨论并推导）V=；ω；an=；T=归纳：轨道半径越大，运行速度（线速度、角速度、向心加速度）越，周期越。记忆：高低大3.近地卫星（1）近地卫星：贴着地球绕地球运行的卫星叫做近地卫星（2）轨道半径：轨道半径一般取地球半径，即r=（）。（3）线速度：近地卫星的线速度为v＝＝＝km/s，是人造地球卫星的环绕速率。（4）加速度：近地卫星的加速度为a=，是人造地球卫星的加速度（5）周期：近地卫星的周期为T==min，是人造地球卫星的周期4.地球同步卫星（1）相对于静止，和具有相同周期T=24h，叫地球同步卫星，也叫卫星。（2）同步卫星的“六个一定”a..轨道平面一定：与共面b.周期一定：T=c.角速度一定：与角速度相同d.高度一定：h=kme.速率一定：v=km/sf.绕行方向一定：与方向相例题2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（）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．速率可以不同例题3“空间站”是科学家进行天文探测和科学实验的特殊而又重要的场所。假设“空间站”正在地球赤道平面内的圆周轨道上运动，其离地球表面的高度为同步卫星离地球表面高度的十分之一，且运行方向与地球自转方向一致。下列说法正确的有（）A．“空间站”运行的加速度等于其所在高度处的重力加速度B．“空间站”运行的速度等于同步卫星运行速度的倍C．站在地球赤道上的人观察到它向西运动D．在“空间站”工作的宇航员因受到平衡力而在舱中悬浮或静止5.近地卫星、同步卫星和赤道上物体物理量的比较如图所示，用A代表同步卫星，B代表近地卫星，C代表赤道上的物体.=1\*GB3①角速度关系：A、C都与地球同步，所以ωAωC；根据角速度公式可知，ωBωC=2\*GB3②线速度关系：由于A、C同步，故ωAωB，根据线速度公式可知，vCvA；根据线速度公式可知，vBvC=3\*GB3③加速度关系：先比较A、C的加速度，根据公式，其中ω相同，故aCaA；再比较B、C的加速度，根据公式可知，aBaC总结：线速度大小关系角速度大小关系向心加速度大小关系例题4有a、b、c、d四颗地球卫星，a还未发射，在赤道表面上随地球一起转动，b是近地轨道卫星，c是地球同步卫星，d是高空探测卫星，它们均做匀速圆周运动，各卫星排列位置如图6-5-6所示，则（）A．a的向心加速度等于重力加速度gB．在相同时间内b转过的弧长最长C．c在4小时内转过的圆心角是eq\f(π,6)D．d的运动周期有可能是20小时任务二宇宙速度1第一宇宙速度（又叫环绕速度）：（1）第一宇宙速度：使物体贴近地面运动时的发射速度叫做第一宇宙速度，也是卫星贴近地面运动时的环绕速度。因为卫星贴近地面运动时，卫星没有高度，发射动能不需要转化为重力势能，所以发射速度就是环绕速度。（2）。（4）第一宇宙速度是人造地球卫星的最大环绕速度，是人造地球卫星的最小发射速度2第二宇宙速度（1）第二宇宙速度：使发射物体挣脱地球引力束缚不再围绕地球转动的最小发射速度叫做第二宇宙速度。（2）第二宇宙速度的大小：研究表明，第二宇宙速度是第一宇宙速度的倍，大小为11.2km/s，（3）使物体围绕地球转动的发射速度范围：使物体围绕地球转动的发射速度范围为7.9km/s≤v≤11.2km/s。3．第三宇宙速度：（1）第三宇宙速度：使发射物体挣脱太阳的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去的最小发射速度叫做第三宇宙速度。（2）第三宇宙速度的大小：第三宇宙速度的大小为16.7km/s，（3）围绕太阳转动物体的发射速度范围：要在地球上发射围绕太阳运动的物体，发射速度的范围为11.2km/s≤v≤16.7km/s。课堂练习1．(多选)第一宇宙速度是物体在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的速度，则有()A．被发射的物体质量越大，第一宇宙速度越大B．被发射的物体质量越小，第一宇宙速度越大C．第一宇宙速度与被发射物体的质量无关D．第一宇宙速度与地球的质量有关2．(多选)如图所示，牛顿在思考万有引力定律时就曾设想，把物体从高山上O点以不同的速度v水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远。如果抛出速度足够大，物体就不会落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星，则下列说法正确的是()A．以v<7.9km/s的速度抛出的物体可能落在A点B．以v<7.9km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动C．以7.9km/s<v<11.2km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动D．以11.2km/s<v<16.7km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动3．如图所示，A为地面上的待发射卫星，B为近地圆轨道卫星，C为地球同步卫星。三颗卫星质量相同，三颗卫星的线速度大小分别为vA、vB、vC，角速度大小分别为ωA、ωB、ωC，周期分别为TA、TB、TC，向心加速度大小分别为aA、aB、aC，则()A．ωA＝ωC<ωBB．TA＝TC<TBC．vA＝vC<vBD．aA＝aC>aB4．截至2021年3月29日，被称为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜运行稳定可靠，发现脉冲星数量超过300颗，并于2021年3月31日面向全球科学界开放。脉冲星实质是快速自转的中子星，每自转一周，就向外发射一次电磁脉冲信号，因此而得名。若观测到某个中子星发射电磁脉冲信号的周期为T，该中子星的半径为R，已知引力常量为G，则以下物理量可以求出的是()A．该中子星的质量B．该中子星的第一宇宙速度C．该中子星表面的重力加速度D．该中子星赤道上的物体随中子星转动的线速度5．据《世说新语》记载，晋明帝司马昭在回答“汝意谓长安何如日远”时，一句“举目见日，不见长安”惊愕群臣。我们生活的2021年初的地球，需经8分13秒才能看见太阳的光芒，但我们离唐长安却隔了一千多年。距研究者发现，地球与太阳的距离不断缩小，月球却在逐渐远去。下列说法正确的是()A．在2021年初，地日距离约为150万千米B．月球在逐渐远离地球，它受到地球对它的引力变大C．与长安城中的人相比，我们的“一个月”在实际上应略长于他们的D．与长安城中的人相比，我们的“一年”在实际上应略长于他们的课后作业1.(2022河北张家口期中)2022年4月16日,神舟十三号飞船顺利脱离空间站,航天员安全返回地球。若空间站“天和核心舱”的轨道半径为r,地球质量为M,引力常量为G,不考虑空间站轨道修正,则“天和核心舱”运行的角速度大小为()A.GMr2B.GMr32.(2022北京陈经纶中学期中)(多选)牛顿在发现万有引力定律时曾用月球的运动来检验,物理学史上称为“月—地检验”。已经知道地球的半径为R,地球表面的重力加速度为g,月球中心与地球中心间的距离是地球半径的k倍,根据万有引力定律,可以求得月球受到地球的万有引力产生的加速度为a1。又根据月球绕地球运动周期为T,可求得月球的向心加速度为a2,两者数据代入后结果相等,定律得到验证。以下正确的是()A.a1=gkB.a1=gk2C.a2=4πRk2T23.(2022湖北武汉期中)(多选)2021年12月9日下午,“天宫课堂”第一课在太空“教室”——中国空间站正式开讲并直播,若中国空间站的轨道离地球表面高度为h,绕地球运行的周期为T。地球半径为R,引力常量为G,则()A.地球平均密度为ρ=3π(R+ℎ)C.空间站运行的角速度为ω=2πTD.空间站运行的线速度为v=4.(2021河南六市联考)我国火星探测器“天问一号”已于2021年春节期间抵达火星轨道,随后择机着陆火星,并对火星进行科学探测。已知火星直径为地球直径的P倍,火星质量为地球质量的K倍,地球半径为R,地球表面重力加速度为g,则“天问一号”在对火星进行近距离观测而绕火星做匀速圆周运动时的速率约为()A.KRgP B.PRgK C.RgKP 5.(2022湖南邵阳期中)(多选)如图所示,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质量相等,且小于c的质量,则()A.a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