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1、第5节 天体运动与人造卫星,-2-,基础夯实,自我诊断,一、宇宙速度 1.环绕速度 (1)第一宇宙速度又叫环绕速度,其数值为7.9 km/s。 (2)第一宇宙速度是人造卫星在地面 附近环绕地球做匀速圆周运动时具有的速度。 (3)第一宇宙速度是人造卫星最小的发射 速度,也是人造卫星的最大环绕 速度。 2.第二宇宙速度(脱离速度) 使物体挣脱地球 引力束缚的最小发射速度,其数值为11.2 km/s。 3.第三宇宙速度(逃逸速度) 使物体挣脱太阳 引力束缚的最小发射速度,其数值为16.7 km/s。,-3-,基础夯实,自我诊断,二、地球卫星 1.卫星的轨道 (1)赤道轨道:卫星的轨道在赤道平面内,同
2、步卫星就是其中的一种。 (2)极地轨道:卫星的轨道过南北两极,即在垂直于赤道的平面内,如极地气象卫星。 (3)其他轨道:除以上两种轨道外的卫星轨道。 所有卫星的轨道平面一定通过地球的球心。,-4-,基础夯实,自我诊断,2.地球同步卫星 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星。同步卫星有以下特点 (1)轨道平面一定:轨道平面与赤道平面 共面。 (2)周期一定:与地球自转周期相同 ,即T=24 h 。 (3)角速度一定:与地球自转的角速度相同 。,(5)绕行方向一定:与地球自转的方向一致。,-5-,基础夯实,自我诊断,3.极地卫星和近地卫星 (1)极地卫星运行时每圈都经过南北两
3、极 ,由于地球自转,极地卫星可以实现全球覆盖。 (2)近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星,其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径 ,其运行线速度约为7.9 km/s。,请判断下列表述是否正确,对不正确的表述,请说明原因。 (1)地球同步卫星可以定点于北京正上方。( ) (2)若物体的发射速度大于第二宇宙速度,小于第三宇宙速度,则物体可以绕太阳运行。( ),提示：地球同步卫星轨道必须与赤道平面重合。,-6-,基础夯实,自我诊断,1.两个绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星,轨道如图所示,下列判断正确的是( ) A.两卫星的角速度关系有aab C.两卫星的线速度关系有vavb D
4、.两卫星的周期关系有TaTb,答案,解析,-7-,基础夯实,自我诊断,2.(多选)在早期的反卫星试验中,攻击拦截方式之一是快速上升式攻击,即“拦截器”被送入与“目标卫星”轨道平面相同而高度较低的追赶轨道,然后通过机动飞行快速上升接近目标将“目标卫星”摧毁。右图为追赶过程轨道示意图,下列叙述正确的是( ) A.图中A是“目标卫星”,B是“拦截器” B.“拦截器”和“目标卫星”的绕行方向为图中的顺时针方向 C.“拦截器”在上升的过程中重力势能会增大 D.“拦截器”的加速度比“目标卫星”的加速度小,答案,解析,-8-,基础夯实,自我诊断,3.一宇宙飞船绕地球做匀速圆周运动,飞船原来的线速度是v1,周
5、期是T1,假设在某时刻它向后喷气做加速运动后,进入新轨道做匀速圆周运动,运动的线速度是v2,周期是T2,则( ) A.v1v2,T1T2 B.v1v2,T1T2 D.v1v2,T1T2,答案,解析,-9-,基础夯实,自我诊断,4.(2017全国卷)我国发射的天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室成功地完成了交会对接,对接形成的组合体仍沿天宫二号原来的轨道(可视为圆轨道)运行。与天宫二号单独运行时相比,组合体运行的( ) A.周期变大 B.速率变大 C.动能变大 D.向心加速度变大,答案,解析,-10-,考点一,考点二,考点三,宇宙速度的理解与应用(自主悟透) 1.第一宇宙速度的推导,第一宇宙速度
6、是发射地球人造卫星的最小速度,也是地球人造卫 星的最大环绕速度,此时它的运行周期最短,Tmin=2 =5 079 s85 min。,-11-,考点一,考点二,考点三,2.宇宙速度与运动轨迹的关系 (1)v发=7.9 km/s时,卫星绕地球做匀速圆周运动。 (2)7.9 km/sv发11.2 km/s,卫星绕地球运动的轨迹为椭圆。 (3)11.2 km/sv发16.7 km/s,卫星绕太阳做椭圆运动。 (4)v发16.7 km/s,卫星将挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系以外的空间。,-12-,考点一,考点二,考点三,突破训练 1.(多选)已知火星的质量约为地球质量的 ,火星的半径约为地球半径的 。
7、下列关于人类发射的关于火星探测器的说法正确的是( ) A.发射速度只要大于第一宇宙速度即可 B.发射速度只有达到第三宇宙速度才可以 C.发射速度应大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度 D.火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的,答案,解析,-13-,考点一,考点二,考点三,2.右图是在1687年出版的自然哲学的数学原理一书中一幅插图,牛顿曾设想,当抛出速度很大时,物体就不会落回地面。已知地球半径为R,月球绕地球公转的轨道半径为n2R,周期为T,不计空气阻力。为实现牛顿设想,抛出的速度至少为( ),答案,解析,-14-,考点一,考点二,考点三,规律总结宇宙速度问题的分析思路,-15-
8、,考点一,考点二,考点三,卫星运行参量的分析与计算(多维探究) 1.卫星的各物理量随轨道半径变化的规律,-16-,考点一,考点二,考点三,2.近地卫星、同步卫星和赤道上随地球自转的物体的运动参量比较,-17-,考点一,考点二,考点三,-18-,考点一,考点二,考点三,例1如图所示,某极地轨道卫星的运行轨道平面通过地球的南北两极,已知该卫星从北纬60的正上方按图示方向第一次运行到南纬60的正上方时所用时间为1 h,则下列说法正确的是 ( ) A.该卫星与同步卫星的运行半径之比为14 B.该卫星与同步卫星的运行速度之比为12 C.该卫星的运行速度一定大于7.9 km/s D.该卫星的机械能一定大于
9、同步卫星的机械能,答案,解析,-19-,考点一,考点二,考点三,思维点拨(1)极地卫星的运行周期为3 h 。 (2)卫星的运行周期与轨道半径的关系式为T 。 (3)卫星的机械能大小与哪些因素有关? 提示：卫星的质量,运行速度,距离地面的高度,-20-,考点一,考点二,考点三,例2(多选)如图所示,A表示地球同步卫星,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、所受到的万有引力和运行周期的比较,下列关系式正确的是( ) A.vBvAvC B.ABC C.FAFBFC D.TA=TCTB,答案,解析,-21-,考点一
10、,考点二,考点三,方法归纳人造卫星问题的解题技巧 1.卫星向心加速度的不同表述形式,2.解决力与运动的关系,还是要用动力学的思想,解决的桥梁是牛顿第二定律。 (1)卫星的an、v、T是相互联系的,其中一个量发生变化,其他各量也随之发生变化。 (2)an、v、T均与卫星的质量无关,只由轨道半径r和中心天体质量共同决定。,-22-,考点一,考点二,考点三,3.卫星运动中的机械能 (1)只在万有引力作用下,卫星绕中心天体做匀速圆周运动和沿椭圆轨道运动,机械能均守恒,这里的机械能包括卫星的动能和卫星(与中心天体)的重力势能。 (2)质量相同的卫星,圆轨道半径越大,动能越小,势能越大,机械能越大。,-2
11、3-,考点一,考点二,考点三,突破训练 3.(2016全国卷)利用三颗位置适当的地球同步卫星,可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通信。目前,地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍。假设地球的自转周期变小,若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的,则地球自转周期的最小值约为( ) A.1 h B.4 h C.8 h D.16 h,答案,解析,-24-,考点一,考点二,考点三,4.(多选)如图所示,a为静止在地球赤道上的一个物体,b为绕地球做匀速圆周运动的近地卫星,c为地球的同步卫星,其轨道半径为r,设地球半径为R,下列说法正确的是( ),答案,解析,-25-,考点一,考点二,考点三,卫星的变轨
12、与追及(多维探究) 1.卫星发射及变轨过程概述 人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道。如图所示,发射卫星的过程大致有以下几个步骤: (1)为了节省能量,在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道上。 (2)在A处点火加速,由于速度变大,进入椭圆轨道。 (3)在B处(远地点)再次点火加速进入圆形轨道。,-26-,考点一,考点二,考点三,2.卫星变轨的实质,-27-,考点一,考点二,考点三,例3(多选)某载人飞船运行的轨道示意图如图所示,飞船先沿椭圆轨道1运行,近地点为Q,远地点为P。当飞船经过点P时点火加速,使飞船由椭圆轨道1转移到圆轨道2上运行,在圆轨道2上飞船运行周期约为90 mi
13、n。关于飞船的运行过程,下列说法中正确的是( ) A.飞船在轨道1和轨道2上运动时 的机械能相等 B.飞船在轨道1上运行经过P点的 速度小于经过Q点的速度 C.轨道2的半径小于地球同步卫星 的轨道半径 D.飞船在轨道1上运行经过P点的加 速度等于在轨道2上运行经过P点的加速度,答案,解析,-28-,考点一,考点二,考点三,思维点拨(1)根据功能关系比较机械能大小; (2)根据开普勒第二定律比较vP,vQ; (3)根据周期关系比较轨道半径; (4)根据牛顿第二定律比较加速度。,-29-,考点一,考点二,考点三,例4如图所示,宇宙飞船A在低轨道上飞行,为了给更高轨道的宇宙空间站B输送物质,需要与B
14、对接,它可以采用喷气的方法改变速度,从而达到改变轨道的目的,则以下说法正确的是 ( ) A.它应沿运行速度方向喷气,与B对接 后周期比低轨道时的小 B.它应沿运行速度的反方向喷气,与B 对接后周期比低轨道时的大 C.它应沿运行速度方向喷气,与B对接 后周期比低轨道时的大 D.它应沿运行速度的反方向喷气,与B对接后周期比低轨道时的小,答案,解析,-30-,考点一,考点二,考点三,规律总结1.变轨的两种情况,2.相关物理量的比较 (1)两个不同轨道的“切点”处线速度v不相等,图中vvB,vAv。,-31-,考点一,考点二,考点三,(2)同一个椭圆轨道上近地点和远地点线速度大小不相等,从远地点到近地
15、点万有引力对卫星做正功,动能增大(引力势能减小),图中vAvB,EkAEkB,EpAv。 3.卫星的对接 载人飞船与空间实验室的对接实际上就是两个做匀速圆周运动的物体追赶问题,本质仍然是卫星的变轨运行问题。,-32-,考点一,考点二,考点三,突破训练 5.世界首颗量子科学实验卫星墨子号在圆满完成4个月的在轨测试任务后,正式交付用户单位使用。右图为墨子号变轨示意图,轨道A与轨道B相切于P点,轨道B与轨道C相切于Q点,以下说法正确的是( ) A.墨子号在轨道B上由P向Q运动的过程 中速率越来越大 B.墨子号在轨道C上经过Q点的速率大于 在轨道A上经过P点的速率 C.墨子号在轨道B上经过P点时的向心加 速度大于在轨道A上经过P点时的向心加速度 D.墨子号在轨道B上经过Q点时受到的地球的引力小于经过P点时受到的地球的引力,答案,解析,