2020屆高考物理一輪復(fù)習(xí) 4.6人造衛(wèi)星 宇宙航行學(xué)案

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1、第 6 課時(shí)　人造衛(wèi)星　宇宙航行 基礎(chǔ)知識(shí)歸納 1.三種宇宙速度 (1)第一宇宙速度(環(huán)繞速度)v1＝　7.9　km/s，人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，人造衛(wèi)星的　最大　環(huán)繞速度； (2)第二宇宙速度(脫離速度)v2＝11.2 km/s，使物體掙脫地球引力束縛的　最小　發(fā)射速度； (3)第三宇宙速度(逃逸速度)v3＝16.7 km/s，使物體掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度. 2.天體運(yùn)動(dòng)模型——人造地球衛(wèi)星 (1)處理方法：將衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)視做　勻速　圓周運(yùn)動(dòng). (2)動(dòng)力學(xué)特征：由　萬有引力　提供向心力，且軌道平面的圓心必與地球的地心重合. (3)基本規(guī)律：Gr＝ma (4)

2、重力加速度與向心加速度(不含隨地球表面自轉(zhuǎn)的向心加速度)的關(guān)系： ①因G≈F萬＝F向，故g＝＝a向 ②ar＝gr＝g(R為地球半徑，r為軌道半徑，g為地球表面的重力加速度) (5)兩種特殊衛(wèi)星 ①近地衛(wèi)星：沿半徑約為　地球半徑　的軌道運(yùn)行的地球衛(wèi)星，其發(fā)射速度與環(huán)繞速度相等，均等于第一宇宙速度. ②同步衛(wèi)星：運(yùn)行時(shí)相對(duì)地面靜止，T＝24 h.同步衛(wèi)星只有一條運(yùn)行軌道，它一定位于赤道　正上方　，且距離地面高度h≈3.6×104 km，運(yùn)行時(shí)的速率v≈3.1 km/s. (6)衛(wèi)星系統(tǒng)中的超重和失重 ①衛(wèi)星進(jìn)入軌道前的加速過程，衛(wèi)星內(nèi)的物體處于　超重　狀態(tài). ②衛(wèi)星進(jìn)入圓形軌道正常

3、運(yùn)行時(shí)，衛(wèi)星內(nèi)的物體處于　完全失重　狀態(tài). ③在回收衛(wèi)星的過程中，衛(wèi)星內(nèi)的物體處于　失重　狀態(tài). 重點(diǎn)難點(diǎn)突破 一、同步衛(wèi)星問題 同步衛(wèi)星是指運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相等的地球衛(wèi)星.這里所說的“靜止”是相對(duì)地球靜止.同步衛(wèi)星只能處于赤道平面上.如圖所示，若同步衛(wèi)星位于赤道平面的上方或下方，則地球?qū)λ娜f有引力Fa或Fb的一個(gè)分力Fa1或Fb1是它環(huán)繞地球的向心力，另一個(gè)分力Fa2或Fb2將使衛(wèi)星向赤道平面運(yùn)動(dòng).這樣，同步衛(wèi)星在環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，將會(huì)在赤道附近振動(dòng)，從而衛(wèi)星與地球不能同步.因此同步衛(wèi)星的周期等于地球自轉(zhuǎn)的周期，是一定的，所以同步衛(wèi)星離地面的高度也是一定的. 二、能量問題

4、及變軌道問題 只在萬有引力作用下衛(wèi)星繞中心天體轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械能守恒.這里的機(jī)械能包括衛(wèi)星的動(dòng)能、衛(wèi)星(與中心天體)的引力勢(shì)能.離中心星體近時(shí)速度大，離中心星體遠(yuǎn)時(shí)速度小. 如果存在阻力或開動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)等情況，機(jī)械能將發(fā)生變化，引起衛(wèi)星變軌問題. 發(fā)射人造衛(wèi)星時(shí)，先將人造衛(wèi)星發(fā)射至近地的圓周軌道上運(yùn)動(dòng)，然后經(jīng)再次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)使衛(wèi)星改在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)，最后定點(diǎn)在一定高度的圓周軌道上運(yùn)動(dòng). 三、星球的自轉(zhuǎn)問題 根據(jù)萬有引力定律與牛頓定律，我們可以區(qū)分隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度和環(huán)繞運(yùn)行的向心加速度的不同.放在地面上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度是地球?qū)ξ矬w的引力和地面支持力的合力提供.而環(huán)繞地球運(yùn)行的向心

5、加速度完全由地球?qū)ζ涞囊μ峁?對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法也不同. 典例精析 1.同步衛(wèi)星問題 【例1】已知地球半徑R＝6.4×106 m，地球質(zhì)量M＝6.0×1024 kg，地面附近的重力加速度g＝9.8 m/s2，第一宇宙速度v1＝7.9×103 km/s.若發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，使它在赤道上空運(yùn)轉(zhuǎn)，其高度和速度應(yīng)為多大？ 【解析】設(shè)同步衛(wèi)星的質(zhì)量為m，離地高度為h，速度為v，周期為T(等于地球自轉(zhuǎn)周期). 解法一：G(R＋h) 解得h＝－R＝3.56×107 m v＝＝3.1×103 km/s 解法二：若認(rèn)為同步衛(wèi)星在地面上的重力等于地球的萬有引力，有mg＝G G (R＋h) 聯(lián)

6、立方程解得h＝－R＝3.56×107 m 解法三：根據(jù)第一宇宙速度v1，有G＝ G(R＋h) 解得h＝－R＝3.56×107 m 【思維提升】根據(jù)萬有引力提供向心力列式求解，是解決此類問題的基本思路.在本題中又可以用地面重力加速度、第一宇宙速度這些已知量做相應(yīng)替換. 【拓展1】我國發(fā)射的“神舟”五號(hào)載人宇宙飛船的周期約為90 min，如果把它繞地球的運(yùn)動(dòng)看做是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，飛船的運(yùn)動(dòng)和人造地球同步衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)相比，假設(shè)它們質(zhì)量相等，下列判斷正確的是( AD ) A.飛船受到的向心力大于同步衛(wèi)星受到的向心力 B.飛船的動(dòng)能小于同步衛(wèi)星的動(dòng)能 C.飛船的軌道半徑大于同步衛(wèi)星的軌道半徑

7、 D.發(fā)射飛船過程需要的能量小于發(fā)射同步衛(wèi)星過程需要的能量 【解析】同步衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期為24 h，飛船的周期約為90 min.由F向＝M1 T＝ (設(shè)地球質(zhì)量為M2) 那么T2＝ G、M都一定，那么T就和R有關(guān)，T相對(duì)大的，R相對(duì)大，那么同步衛(wèi)星的R大.由 F向＝ 那么R越大F向越小. 根據(jù)萬有引力定律G＝得 v＝，Ek＝mv2＝ 可見軌道半徑小的，線速度大，動(dòng)能大. 2.衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律的應(yīng)用 【例2】2020年10月15日，我國成功地發(fā)射了“神舟”五號(hào)載人飛船，經(jīng)過21小時(shí)的太空飛行，返回艙于次日安全返回.已知飛船在太空中運(yùn)行的軌道是一個(gè)橢圓.橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)是地球的

8、球心，如圖所示.飛船在飛行中是無動(dòng)力飛行，只受地球引力作用，在飛船從軌道A點(diǎn)沿箭頭方向運(yùn)行到B點(diǎn)的過程中，以下說法正確的是(　　)　　　　　　　　　　 ①飛船的速度逐漸增大 ②飛船的速度逐漸減小 ③飛船的機(jī)械能EA＝EB ④飛船的機(jī)械能EA

9、的.故選B. 【答案】B 【思維提升】把握衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是解決此題的關(guān)鍵. 【拓展2】(2020?北京) 已知地球半徑為R，地球表面重力加速度為g，不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響. (1)推導(dǎo)第一宇宙速度v1的表達(dá)式； (2)若衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行軌道距離地面的高度為h，求衛(wèi)星的運(yùn)行周期T. 【解析】(1)設(shè)衛(wèi)星的質(zhì)量為m，地球的質(zhì)量為M， 地球表面附近滿足G＝mg，解得GM＝R2g ① 衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力等于它受到的萬有引力 m＝G ② ①式代入②式，得到v1＝ (2)考慮①式，衛(wèi)星受到的萬有引力為 F＝G ③ 由牛頓第二定律

10、F＝(R＋h) ④ ③④式聯(lián)立解得T＝ 3.天體表面和天體上空兩種運(yùn)動(dòng)的比較 【例3】同步衛(wèi)星距地心間距為r，運(yùn)行速率為v1，加速度為a1.地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2，地球半徑為R.第一宇宙速度為v2，則下列比值正確的是(　　) A. B. C. D. 【解析】設(shè)地球的質(zhì)量為M，同步衛(wèi)星的質(zhì)量為m1，地球赤道上的物體的質(zhì)量為m2，根據(jù)向心加速度和角速度的關(guān)系，有：a1＝r，a2＝R，因ω1＝ω2故，則選A正確.由萬有引力定律有G，G，故，則C選項(xiàng)正確. 【答案】AC 【思維提升】本題的關(guān)鍵是明確二個(gè)運(yùn)動(dòng)及關(guān)系式的選擇.實(shí)

11、際上是在地面上的圓周運(yùn)動(dòng)和空中的圓周運(yùn)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)模型. 【拓展3】地球赤道上有一物體隨地球自轉(zhuǎn)而做圓周運(yùn)動(dòng)，所受到的向心力為F1，向心加速度為a1，線速度為v1，角速度為ω1；繞地球表面附近做圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星(高度忽略)所受到的向心力為F2，向心加速度為a2，線速度為v2，角速度為ω2；地球同步衛(wèi)星所受到的向心力為F3，向心加速度為a3，線速度為v3，角速度為ω3；地球表面的重力加速度為g，第一宇宙速度為v，假設(shè)三者質(zhì)量相等，則( D ) A.F1＝F2>F3 B.a1＝a2＝g>a3 C.v1＝v2＝v>v3 D.ω1＝ω3<ω2 【解析】放在

12、地面上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度是地球?qū)ξ矬w的引力和地面支持力的合力提供.而環(huán)繞地球運(yùn)行的向心加速度完全由地球?qū)ζ涞囊μ峁?對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法也不同. 設(shè)地球自轉(zhuǎn)的角速度為ω，R為地球的半徑，物體在赤道上隨地球自轉(zhuǎn)和地球同步衛(wèi)星相比 角速度ω1＝ω＝ω3 線速度v1＝Rωω3 因?yàn)関∝，所以v2>v3 因?yàn)镕＝G，所以F2>F3 因?yàn)閍＝，所以a2>a3 易錯(cuò)門診 【例4】右圖是“嫦娥

13、一號(hào)奔月”示意圖，衛(wèi)星發(fā)射后通過自帶的小型火箭多次變軌，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，最終被月球引力捕獲，成為繞月衛(wèi)星，并開展對(duì)月球的探測(cè)，下列說法正確的是(　　) A.發(fā)射“嫦娥一號(hào)”的速度必須達(dá)到第三宇宙速度 B.在繞月圓軌道上，衛(wèi)星周期與衛(wèi)星質(zhì)量有關(guān) C.衛(wèi)星受月球的引力與它到月球中心距離的平方成反比 D.在繞月圓軌道上，衛(wèi)星受地球的引力大于受月球的引力 【錯(cuò)解】AC 【錯(cuò)因】沒有清楚第三宇宙速度的含義. 【正解】第三宇宙速度是指衛(wèi)星脫離太陽的吸引，進(jìn)入太空的最小速度；在繞月軌道上，由萬有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律得，衛(wèi)星受到月球的萬有引力與它到月球球心的距離的平方成反比，衛(wèi)星質(zhì)量m會(huì)約掉，所以衛(wèi)星的周期與衛(wèi)星的質(zhì)量無關(guān)；在繞月軌道上，衛(wèi)星的加速度指向月球球心，由牛頓第二定律知月球?qū)πl(wèi)星的吸引力大于地球?qū)πl(wèi)星的吸引力.故只選C. 【答案】C 【思維提升】衛(wèi)星繞地球表面或月球表面，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑近似為地球、月球半徑，且都是萬有引力提供向心力.