三年高考兩年模擬高考物理新課標(biāo)一輪復(fù)習(xí)課件第5章第2講人造衛(wèi)星與宇宙航行

1、課標(biāo)版 物理,第2講人造衛(wèi)星與宇宙航行,一、三個宇宙速度 (1)第一宇宙速度(環(huán)繞速度):v1= km/s,是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度,也是人造地球衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度。 (2)第二宇宙速度(脫離速度):v2= km/s,是物體掙脫地球的引力束縛需要的最小發(fā)射速度。 (3)第三宇宙速度(逃逸速度):v3= km/s,是物體掙脫太陽的引力束縛需要的最小發(fā)射速度。,7.9,11.2,16.7,自測1(辨析題) (1)第一宇宙速度是地球人造衛(wèi)星最小的環(huán)繞速度。() (2)每顆星球的第一宇宙速度都是相同的。() (3)“嫦娥三號”探測器的發(fā)射速度要大于第二宇宙速度。() (4)火星探測器“好奇號”的發(fā)

2、射速度要大于第二宇宙速度。() 答案(1)(2)(3)(4),二、人造衛(wèi)星 1.地球同步衛(wèi)星的特點 (1)軌道平面一定:軌道平面和 平面重合。 (2)周期一定:與地球 周期相同,即T=24 h=86 400 s。 (3)角速度一定:與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同。 (4)高度一定:據(jù)G=mr得r=4.24104 km,衛(wèi)星離地面高度h= r-R6R(為恒量)。 (5)速率一定:運動速率v=2r/T=3.07 km/s(為恒量)。 (6)繞行方向一定:與地球自轉(zhuǎn)的方向 。,赤道,自轉(zhuǎn),一致,2.極地衛(wèi)星和近地衛(wèi)星 (1)極地衛(wèi)星運行時每圈都經(jīng)過 ,由于地球自轉(zhuǎn),極地衛(wèi)星可以實現(xiàn)全球覆蓋。 (2)近地衛(wèi)星

3、是在地球表面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星,其運行的軌道半徑可近似認為等于 ,其運行線速度約為 km/s。 (3)兩種衛(wèi)星的軌道平面一定通過 。,南北兩極,地球的半徑,7.9,地球的球心,自測2(2015湖北重點中學(xué)第二次聯(lián)考,19)(多選)2013年12月16日“嫦娥三號”衛(wèi)星發(fā)射成功,“嫦娥三號”衛(wèi)星環(huán)月工作軌道為圓軌道,軌道高度為230 km,運行周期135 min,若已知引力常量為G、月球平均半徑為R,僅利用以上條件能求出的物理量是() A.月球表面的重力加速度 B.月球的質(zhì)量 C.“嫦娥三號”衛(wèi)星對月球的吸引力 D.月球的同步衛(wèi)星離月球表面的高度,答案AB對“嫦娥三號”衛(wèi)星,=m(

4、R+h),已知R、h和T, 可求月球的質(zhì)量M,選項B正確;又GM=g月R2,可得月表的重力加速度g月,選項A正確;因“嫦娥三號”衛(wèi)星的質(zhì)量和月球自轉(zhuǎn)周期未知,故無法求出“嫦娥三號”衛(wèi)星對月球的吸引力和月球同步衛(wèi)星離月球表面的高度,選項C、D錯誤。,B.沿橢圓軌道運行的一顆衛(wèi)星,在軌道不同位置可能具有相同的速率 C.在赤道上空運行的兩顆地球同步衛(wèi)星,它們的軌道半徑有可能不同 D.沿不同軌道經(jīng)過北京上空的兩顆衛(wèi)星,它們的軌道平面一定會重合 答案B根據(jù)開普勒第三定律=C(常數(shù)),可知只要橢圓軌道的半長 軸與圓軌道的半徑相等,兩者的周期就相等,A選項錯誤;沿橢圓軌道運行的衛(wèi)星在以長軸為對稱軸的對稱點上

5、具有相同的速率,故B選項正確;由G =mr,解得r=,對于地球同步衛(wèi)星其周期T=24小時,故其軌道半徑 一定,C選項錯誤;經(jīng)過北京上空的衛(wèi)星軌道有無數(shù)條,軌道平面與赤道平面的夾角可以不同,故軌道平面可以不重合,D選項錯誤。,自測3關(guān)于環(huán)繞地球運行的衛(wèi)星,下列說法正確的是() A.分別沿圓軌道和橢圓軌道運行的兩顆衛(wèi)星,不可能具有相同的周期,考點一衛(wèi)星運行特征分析 1.人造衛(wèi)星的動力學(xué)特征 萬有引力提供向心力,即G=m=mr2=m()2r 2.人造衛(wèi)星的運動學(xué)特征 (1)線速度v:由G=m得v=,隨著軌道半徑的增加,衛(wèi)星的線速度減小。 (2)角速度:由G=m2r得=,隨著軌道半徑的增加,衛(wèi)星的角速

6、度 減小。,(3)周期T:由G=mr,得T=2,隨著軌道半徑的增加,衛(wèi)星的周期 增大。,典例1(2015福建理綜,14,6分)如圖,若兩顆人造衛(wèi)星a和b均繞地球做勻速圓周運動,a、b到地心O的距離分別為r1、r2,線速度大小分別為v1、v2,則 (),A.=B.= C.=()2D.=()2 答案A萬有引力提供衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的向心力,有G= m,所以v=,則=,A項正確。,(1)衛(wèi)星的環(huán)繞半徑r與相應(yīng)軌道上的線速度 v、角速度 、周期T、向心加速度a存在一一對應(yīng)關(guān)系,一旦r確定,則 v、T、a皆確定,與衛(wèi)星的質(zhì)量m無關(guān)。,(2)對于環(huán)繞地球運動的衛(wèi)星,若半徑r增大,其周期T變大,線速度

7、v、角速度、向心加速度a變小;若半徑r減小,其周期T變小,線速度v、角速度、向心加速度a變大。 (3)同一顆衛(wèi)星,軌道半徑越大,動能越小,勢能越大,機械能越大。,1-1(2015黑龍江東部地區(qū)聯(lián)考)甲、乙為兩顆地球衛(wèi)星,其中甲為地球同步衛(wèi)星,乙的運行高度低于甲的運行高度,兩衛(wèi)星軌道均可視為圓軌道。以下判斷正確的是() A.甲的周期小于乙的周期 B.乙的速度大于第一宇宙速度 C.甲的加速度小于乙的加速度 D.甲在運行時能經(jīng)過北極的正上方 答案C據(jù)題意,甲為地球同步衛(wèi)星,乙的運行高度低于甲的運行高度, 則據(jù)G=mr,可得T=,由于甲的運行軌道半徑r較大,則甲的運,行周期較大,A選項錯誤;據(jù)G=m,

8、可得v=,由于乙的運行軌道半 徑大于地球半徑,則乙的運行速度小于第一宇宙速度,B選項錯誤;據(jù)G= ma,可得a=G,因甲的運行軌道半徑較大,則甲的加速度較小,C選項正確; 由于甲是地球同步衛(wèi)星,它的軌道與地球赤道在同一平面,故不能經(jīng)過北極正上方,D選項錯誤。,1.赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體:周期為地球自轉(zhuǎn)周期T=24 h,運動半徑為地球半徑R,萬有引力與地面對其支持力的合力提供向心力,即G-FN=ma=m R。 2.近地圓軌道衛(wèi)星:軌道半徑略大于地球半徑R,即可認為近似等于R,萬有引力提供向心力,即G=mg=m。運行速度為第一宇宙速度v= =7.9 km/s,周期T0=2=2=84 min。 3.

9、同步軌道衛(wèi)星:周期為地球自轉(zhuǎn)周期T=24 h,萬有引力提供向心力,即G=ma=mr。軌道半徑為r=4.2107 m。,考點二地球同步衛(wèi)星、近地圓軌道衛(wèi)星、地球赤道上相對地面靜止的物體的運動比較,典例2(2015廣西四市第一次聯(lián)考,17)地球同步衛(wèi)星與地心的距離為r,運行速率為v1,向心加速度為a1;地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2,第一宇宙速度為v2。已知地球質(zhì)量為M,地球半徑為R,引力常量為G。則下列關(guān)系式正確的是() A.M=B.a1r2=a2R2 C.Rv1=rv2D.v2= 答案A對地球同步衛(wèi)星和“近地”衛(wèi)星,由G=m1,=m2, 得r=R,選項C錯誤;對同步衛(wèi)星,由G=m

10、1a1,得M=,選項A正確;第 一宇宙速度v2=,選項D錯誤;設(shè)地球同步衛(wèi)星的角速度為,則a1 =2r,a2=2R,得a1R=a2r,選項B錯誤。,地球赤道上的物體與近地圓軌道衛(wèi)星的軌道半徑相同,受力不同;赤道上的物體與同步軌道衛(wèi)星周期相同,軌道半徑不同,受力不同;近地圓軌道衛(wèi)星與同步軌道衛(wèi)星受力性質(zhì)相同,半徑不同。在此基礎(chǔ)上要理解并記住以下結(jié)論:,1.軌道半徑:近地衛(wèi)星與赤道上物體的軌道半徑近似相同,同步衛(wèi)星的軌道半徑較大。r同r近=r物。 2.運行周期:同步衛(wèi)星與赤道上物體的運行周期相同。由T=2可知, 近地衛(wèi)星的周期要小于同步衛(wèi)星的周期。T近a同a物。,4.動力學(xué)規(guī)律:近地衛(wèi)星和同步衛(wèi)星

11、都只受到萬有引力作用,由萬有引力充當(dāng)向心力。滿足萬有引力充當(dāng)向心力所決定的天體運行規(guī)律。赤道上的物體由萬有引力和地面支持力的合力充當(dāng)向心力(或說成萬有引力的分力充當(dāng)向心力),它的運動規(guī)律不同于衛(wèi)星的運動規(guī)律。,2-1(2015山東理綜,15,6分)如圖,拉格朗日點L1位于地球和月球連線上,處在該點的物體在地球和月球引力的共同作用下,可與月球一起以相同的周期繞地球運動。據(jù)此,科學(xué)家設(shè)想在拉格朗日點L1建立空間站,使其與月球同周期繞地球運動。以a1、a2分別表示該空間站和月球向心加速度的大小,a3表示地球同步衛(wèi)星向心加速度的大小。以下判斷正確的是() A.a2a3a1B.a2a1a3C.a3a1a

12、2D.a3a2a1,答案D地球同步衛(wèi)星受月球引力可以忽略不計,表明地球同步衛(wèi)星距 離月球要比空間站距離月球更遠,則地球同步衛(wèi)星軌道半徑r3、空間站軌道半徑r1、月球軌道半徑r2之間的關(guān)系為r2r1r3,由=ma知,a3=,a2= ,所以a3a2;由題意知空間站與月球周期相等,由ma=m()2r知,a1= r1,a2=r2,所以a2a1。因此a3a2a1,D正確。,對于人造地球衛(wèi)星,由G=m,得v=,該速度指的是人造地球衛(wèi)星 在軌道上的運行速度,其大小隨軌道半徑的增大而減小。但由于人造地球衛(wèi)星發(fā)射過程中要克服地球引力做功,增大勢能,且衛(wèi)星在半徑較大的軌道與在半徑較小的軌道上正常運行時相比,增大的

13、勢能大于減小的動能,所以衛(wèi)星在半徑較大的軌道上運行時具有的機械能較大,所以將衛(wèi)星發(fā)射到離地球越遠的軌道上,在地面所需要的發(fā)射速度越大。 2.宇宙速度的理解 (1)第一宇宙速度(環(huán)繞速度):人造地球衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動必須具有的速度叫第一宇宙速度,又稱環(huán)繞速度。,考點三衛(wèi)星(飛船、探測器)的發(fā)射、宇宙速度 1.運行速度與發(fā)射速度的區(qū)別,mg=G=m(R為地球半徑),所以v1=或v1=7.9 km/s,是人造地 球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度,也是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最大速度。 (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)

14、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。 (4)平常說的三個宇宙速度都是相對地球而言的,其他星球的宇宙速度數(shù)值與地球的不相同,但可進行類比分析和計算。,典例3(2015廣東理綜,20,6分)(多選)在星球表面發(fā)射探測器,當(dāng)發(fā)射速度為v時,探測器可繞星球表面做勻速圓周運動;當(dāng)發(fā)射速度達到 v時,可擺 脫星球引力束縛脫離該星球。已知地球、火星兩星球的質(zhì)量比約為101,半徑比約為21,下列說法正確的有() A.探測器的質(zhì)量越大,脫離星球所需要的發(fā)射速度越大 B.探測器在地球表面受到的引力比在火星表面的大 C.探測器分別脫離兩星球所需要的發(fā)射速度相等

15、D.探測器脫離星球的過程中,勢能逐漸增大,面做圓周運動時有=m,R是星球半徑,可見v=,v=,探 測器脫離星球所需要的發(fā)射速度與探測器質(zhì)量無關(guān),=,A、 C皆錯誤;由F=有=,故B正確;探測器脫離星球的過程中, 星球?qū)μ綔y器的萬有引力做負功,故其勢能增大,D正確。,答案BD設(shè)星球的質(zhì)量為M,探測器的質(zhì)量為m,則當(dāng)探測器繞星球表,3-1(2015四川理綜,5,6分)登上火星是人類的夢想,“嫦娥之父”歐陽自遠透露:中國計劃于2020年登陸火星。地球和火星公轉(zhuǎn)視為勻速圓周運動,忽略行星自轉(zhuǎn)影響。根據(jù)下表,火星和地球相比(),A.火星的公轉(zhuǎn)周期較小 B.火星做圓周運動的加速度較小 C.火星表面的重力加

16、速度較大 D.火星的第一宇宙速度較大 答案B設(shè)太陽質(zhì)量為M,行星質(zhì)量為m,太陽對行星的引力提供行星繞 太陽做勻速圓周運動的向心力,=m()2r,解得T=2,由于r火r地, 所以T火T地,A錯誤;由=ma得行星繞太陽做勻速圓周運動的加速度a= ,a火g火, 第一宇宙速度v=,代入數(shù)據(jù),v地v火,C、D錯誤。,考點四衛(wèi)星(飛船、探測器)的變軌、對接、回收 人造地球衛(wèi)星發(fā)射過程要經(jīng)過多次變軌,如圖所示,我們從以下幾個方面討論。,1.圓軌道上的穩(wěn)定運行 G=m=mr2=mr()2 2.變軌原理及過程 (1)為了節(jié)省能量,在赤道上順著地球自轉(zhuǎn)方向發(fā)射衛(wèi)星到圓軌道上。 (2)在A點點火加速,由于速度變大,

17、萬有引力不足以提供衛(wèi)星在軌道 上做圓周運動的向心力,衛(wèi)星做離心運動進入橢圓軌道 。 (3)在B點(遠地點)再次點火加速進入圓軌道。 3.變軌運行分析 (1)當(dāng)衛(wèi)星的速度突然增大時,所需向心力F=m增大,則萬有引力不足以提,供向心力,衛(wèi)星將做離心運動,脫離原來的圓軌道,軌道半徑變大,但衛(wèi)星一旦進入新的軌道運行,由v=知其運行速度要減小,但重力勢能、機械 能均增加。 (2)當(dāng)衛(wèi)星的速度突然減小時,所需向心力F=減小,則萬有引力大于衛(wèi)星 所需的向心力,因此衛(wèi)星將做向心運動,同樣會脫離原來的圓軌道,軌道半徑變小,進入新軌道運行時,由v=知運行速度將增大,但重力勢能、機 械能均減少。 衛(wèi)星的發(fā)射和回收就

18、是利用了上述原理。,典例4(2015課標(biāo),21,6分)(多選)我國發(fā)射的“嫦娥三號”登月探測器靠近月球后,先在月球表面附近的近似圓軌道上繞月運行;然后經(jīng)過一系列過程,在離月面4 m高處做一次懸停(可認為是相對于月球靜止);最后關(guān)閉發(fā)動機,探測器自由下落。已知探測器的質(zhì)量約為1.3103 kg,地球質(zhì)量約為月球的81倍,地球半徑約為月球的3.7倍,地球表面的重力加速度大小約為9.8 m/s2。則此探測器() A.在著陸前的瞬間,速度大小約為8.9 m/s B.懸停時受到的反沖作用力約為2103 N C.從離開近月圓軌道到著陸這段時間內(nèi),機械能守恒 D.在近月圓軌道上運行的線速度小于人造衛(wèi)星在近地

19、圓軌道上運行的線速度,答案BD月球表面重力加速度大小g月=G=G=g地=1.6 6 m/s2,則探測器在月球表面著陸前的速度大小vt=3.6 m/s,A項錯;懸 停時受到的反沖作用力F=mg月=2103 N,B項正確;從離開近月圓軌道到著陸過程中,有發(fā)動機工作階段,故機械能不守恒,C項錯;在近月圓軌道上運行的線速度v月=,故D項正確。,衛(wèi)星變軌問題中的一些定量結(jié)論 (1)速度:設(shè)衛(wèi)星在圓軌道和上運行時的速率分別為v1、v3,在軌道上過A點和B點時速率分別為vA、vB。在A點加速,則vAv1,在B點加速,則v3vB,又因v1v3,故有vAv1v3vB。,(2)加速度:因為在A點,衛(wèi)星只受到萬有引

20、力作用,故不論從軌道還是軌道上經(jīng)過A點,衛(wèi)星的加速度都相同,同理,經(jīng)過B點加速度也相同。 (3)周期:設(shè)衛(wèi)星在、軌道上運行周期分別為T1、T2、T3,軌道半徑分別為r1、r2(半長軸)、r3,由開普勒第三定律=k可知T1T2T3。,4-1(2015湖南衡陽第一次聯(lián)考,15)“神舟十號”與“天宮一號”多次成功實現(xiàn)交會對接。如圖所示,交會對接前“神舟十號”飛船先在較低圓軌道1上做圓周運動,在適當(dāng)位置經(jīng)變軌后與在圓軌道2上運動的“天宮一號”對接。M、Q兩點在軌道1上,P點在軌道2上,三點連線過地心,把飛船的加速過程簡化為只做一次短時加速。下列關(guān)于“神舟十號”變軌過程的描述,正確的有(),A.“神舟十

21、號”在M點加速,則一定會在P點與“天宮一號”相遇 B.“神舟十號”可以與“天宮一號”同軌加速追及 C.“神舟十號”在軌道1上M點的加速度小于在軌道2上P點的加速度 D.“神舟十號”變軌后的運行周期大于變軌前的運行周期 答案D“神舟十號”加速后,萬有引力不足以提供向心力,軌道半徑 增大,B項錯;“神舟十號”與“天宮一號”相遇過程比較復(fù)雜,不僅與加速度的大小、方向有關(guān),還與其他因素有關(guān),則“神舟十號”在M點加速,不一定會在P點與“天宮一號”相遇,A項錯;根據(jù)F=G可知,“神舟十號” 在M點受萬有引力較大,加速度較大,C項錯;由開普勒第三定律=k可知, 變軌后的運行周期大于變軌前的運行周期,D項正確。,考點五衛(wèi)星(飛船、探測器)的超重、失重 1.“超重”:衛(wèi)星進入軌道前的加速過程,衛(wèi)星上物體“超重”,此種情況與“升降機”中物體超重相同。 2.“失重”:衛(wèi)星進入軌道后,正常運轉(zhuǎn),衛(wèi)星上物體完全“失重”,因此,在衛(wèi)星上的儀器,凡是制造原理與重力有關(guān)的均不能使用。,典例5(2013課標(biāo),20,6分)(多選)2012年6月18日,神舟九號飛船與天宮一號目標(biāo)飛行器在離地面343 km的近圓形軌道上成功進行了我國首次載人空間交會對接。對接軌道所處的空間存在極其稀薄的大氣。下列說法正確的是() A.為實現(xiàn)對接,兩者運行速度的大小都應(yīng)介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之間 B.如不加干預(yù),在運行一段時間后