教科版(2019)必修第二冊-3.4人造衛(wèi)星-宇宙速度-課件(47張)

1、4.人造衛(wèi)星宇宙速度 必備知識自主學(xué)習(xí)一、從幻想到現(xiàn)實人造衛(wèi)星1.1895年,俄國_率先提出了制造并發(fā)射人造地球衛(wèi)星的設(shè)想。2.1957年10月4日,蘇聯(lián)將第一顆_送入環(huán)繞地球的軌道。齊奧爾科夫斯基人造衛(wèi)星二、宇宙速度【情境思考】牛頓說在高山上架起一門大炮,只要這門炮的威力足夠大,炮彈將不會落到地面,成為地球的一顆衛(wèi)星,是什么力使炮彈繞地球運動呢?提示:炮彈與地球之間的萬有引力。1.對第一宇宙速度的理解:第一宇宙速度是在地面上發(fā)射衛(wèi)星的_速度,等于衛(wèi)星圍繞_做勻速圓周運動的速度。2.第一宇宙速度數(shù)值推導(dǎo):物體繞地球運動可視作勻速圓周運動,萬有引力充當(dāng)做勻速圓周運動所需的向心力,即 (mE是地球

2、的質(zhì)量,r是物體做圓周運動的半徑)。r近似等于地球半徑,代入數(shù)據(jù)得 v= _ km/s。最小地球表面7.93.第二宇宙速度:v=_ km/s時,使飛行器掙脫地球束縛的最小地面發(fā)射速度,這個速度叫作第二宇宙速度。4.第三宇宙速度:v=_ km/s時,使飛行器掙脫太陽束縛的最小地面發(fā)射速度。這個速度叫作第三宇宙速度。11.216.7【易錯辨析】(1)第一宇宙速度是衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最小速度。( )(2)第一宇宙速度的大小與地球質(zhì)量有關(guān)。( )(3)月球的第一宇宙速度也是7.9 km/s。( )(4)若物體的速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度,則物體可繞太陽運行。( )(5)要發(fā)射一顆月

3、球衛(wèi)星,在地面的發(fā)射速度應(yīng)大于16.7 km/s。( )關(guān)鍵能力合作學(xué)習(xí)知識點一第一宇宙速度角度1 第一宇宙速度的定性分析1.第一宇宙速度:第一宇宙速度是衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運動所必須具備的速度,即近地環(huán)繞速度。2.決定因素:由公式v= 可得出第一宇宙速度數(shù)值由中心天體決定,大小取決于地球質(zhì)量mE和地球半徑r。3.“最小發(fā)射速度”:發(fā)射人造衛(wèi)星的速度如果低于第一宇宙速度,由于受到地球引力的作用,衛(wèi)星會落到地球上。所以第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度。提醒:發(fā)射速度是指衛(wèi)星與火箭分離時的速度。4.“最大環(huán)繞速度”:在所有的環(huán)繞地球做圓周運動的衛(wèi)星中,近地衛(wèi)星的軌道半徑最小,由公式 得v= ,軌

4、道半徑越小,線速度越大,所以第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度?！镜淅痉丁俊镜淅?】(多選)關(guān)于第一宇宙速度,以下敘述正確的是()A.它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B.它是近地圓軌道上人造衛(wèi)星的運行速度C.它是使衛(wèi)星進(jìn)入軌道的最小發(fā)射速度D.它是人造衛(wèi)星發(fā)射時的最大速度【解析】選B、C。第一宇宙速度是衛(wèi)星繞天體表面做勻速圓周運動的線速度。第一宇宙速度滿足關(guān)系式 ,由此得到v= ,由此式可得到第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度。衛(wèi)星發(fā)射得越高,需要的發(fā)射速度越大,故第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度。選項B、C正確。角度2 第一宇宙速度的定量計算1.根據(jù)星球表面的重力加速度計算它的第一宇宙速度,依據(jù) =m

5、g。2.根據(jù)星球近地衛(wèi)星做勻速圓周運動計算它的第一宇宙速度,依據(jù) 【典例示范】【典例2】(多選)已知火星的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的 ,火星的半徑約為地球半徑的 。下列關(guān)于火星探測器的說法中正確的是()A.發(fā)射速度只要大于第一宇宙速度即可B.發(fā)射速度只有達(dá)到第三宇宙速度才可以C.發(fā)射速度應(yīng)大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度D.火星探測器環(huán)繞火星運行的最大速度為地球第一宇宙速度的 【解析】選C、D。根據(jù)三個宇宙速度的意義,可知選項A、B錯誤,選項C正確;已知 【素養(yǎng)訓(xùn)練】(2020鹽城高一檢測)如圖所示,在地面上發(fā)射一個飛行器,進(jìn)入橢圓軌道并繞地球運行,其發(fā)射速度v應(yīng)滿足() A.v7.9 km/sB.

6、7.9 km/sv11.2 km/sC.11.2 km/sv16.7 km/s【解析】選B。7.9 km/s,即第一宇宙速度,是發(fā)射衛(wèi)星的最小發(fā)射速度,故A錯誤;11.2 km/s,即第二宇宙速度,是衛(wèi)星脫離地球引力的最小發(fā)射速度,故進(jìn)入橢圓軌道并繞地球運行的衛(wèi)星,其發(fā)射速度v應(yīng)滿足7.9 km/sv11.2 km/s,故B正確;發(fā)射速度大于11.2 km/s,即第二宇宙速度,衛(wèi)星將脫離地球引力,成為太陽的一顆衛(wèi)星,故C錯誤;16.7 km/s,即第三宇宙速度,是衛(wèi)星逃離太陽系的最小發(fā)射速度,發(fā)射速度大于16.7 km/s,衛(wèi)星將逃離太陽系,故D錯誤。知識點二人造地球衛(wèi)星角度1 人造地球衛(wèi)星軌

7、道特點 1.衛(wèi)星運動遵循的規(guī)律:衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運動時,地心在橢圓的一個焦點上,衛(wèi)星的周期和半長軸的關(guān)系遵循開普勒第三定律。2.衛(wèi)星軌道的圓心:衛(wèi)星繞地球沿圓形軌道運動時,因為地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球運動的向心力,而萬有引力指向地心,所以地心是衛(wèi)星圓軌道的圓心。3.衛(wèi)星的軌道:衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)(如同步衛(wèi)星),可以通過兩極上空(極地衛(wèi)星),也可以和赤道平面成任意角度?！締栴}探究】地球的周圍,有許多的衛(wèi)星在不同的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動,這些衛(wèi)星運動所需的向心力都是什么力提供的? 提示:地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供向心力?！镜淅痉丁俊镜淅?】(多選)關(guān)于如圖所示的三顆人造地球衛(wèi)

8、星,下列說法正確的是() A.衛(wèi)星可能的軌道為a、b、cB.衛(wèi)星可能的軌道為a、cC.同步衛(wèi)星可能的軌道為a、cD.同步衛(wèi)星可能的軌道為a【解析】選B、D。衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi),也可以和赤道平面垂直,還可以和赤道平面成任一角度。但是由于地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球運動的向心力,所以,地心必須是衛(wèi)星圓軌道的圓心,因此衛(wèi)星可能的軌道一定不會是b。同步衛(wèi)星只能位于赤道的正上方,所以同步衛(wèi)星可能的軌道為a。角度2 地球同步衛(wèi)星1.地球同步衛(wèi)星:位于地球赤道上空,相對于地面靜止不動,它的角速度跟地球的自轉(zhuǎn)角速度相同,廣泛應(yīng)用于通信,又叫作同步通信衛(wèi)星。2.地球同步通信衛(wèi)星的特點:特點內(nèi)

9、容周期一定與地球自轉(zhuǎn)周期相同,即T=24 h=86 400 s角速度一定與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同高度一定衛(wèi)星離地面高度h=r-R6R(為恒量)向心加速度大小一定a=0.23 m/s2軌道平面一定軌道平面與赤道平面共面【典例示范】【典例2】(多選)(2020鄭州高一檢測)2019年11月5日01時43分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭,成功發(fā)射了第49顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。該衛(wèi)星屬傾斜地球同步軌道衛(wèi)星,標(biāo)志著北斗三號系統(tǒng)3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星全部發(fā)射完畢。傾斜地球同步軌道衛(wèi)星是運轉(zhuǎn)軌道面與地球赤道面有夾角的軌道衛(wèi)星, 它的運行周期與“同步衛(wèi)星”相同(T=24 h),運動軌跡如圖所示。關(guān)于該

10、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星說法正確的是()A.該衛(wèi)星與地球上某一位置始終相對靜止B.該衛(wèi)星的高度與“同步衛(wèi)星”的高度相等C.該衛(wèi)星運行速度大于第一宇宙速度D.該衛(wèi)星在一個周期內(nèi)有2次經(jīng)過赤道【解析】選B、D。同步衛(wèi)星相對于地球靜止,必須為地球赤道面上的同步衛(wèi)星,因為此衛(wèi)星為傾斜軌道,因此不能與地球保持相對靜止,A錯誤;由公式h= -R可得,因為兩個衛(wèi)星的周期是一樣的,其他常量都相同,所以高度相同,B正確;地球的第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度,該衛(wèi)星比近地衛(wèi)星軌道半徑大,所以速度小于第一宇宙速度,C錯誤;此衛(wèi)星的軌道為傾斜軌道,因此當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)一周時,兩次通過赤道,D正確。【素養(yǎng)訓(xùn)練】1.用m表示地球同步衛(wèi)星的質(zhì)量

11、,h表示它離地面的高度,R表示地球的半徑,g表示地球表面處的重力加速度,表示地球自轉(zhuǎn)的角速度,則()A.運行中的同步衛(wèi)星不受重力B.同步衛(wèi)星的軌道可以隨國家的不同而不同C.地球?qū)ν叫l(wèi)星的萬有引力大小為 D.同步衛(wèi)星的向心力大小為 【解析】選D。同步衛(wèi)星做勻速圓周運動,衛(wèi)星處于完全失重狀態(tài),不是不受重力,故A錯誤;同步衛(wèi)星具有相同的軌道和固定的速度,所有國家的同步衛(wèi)星都相同,選項B錯誤;在地球表面,由重力等于萬有引力得:mg= 地球?qū)ν叫l(wèi)星萬有引力大小等于向心力,大小為F= 選項C錯誤,D正確。2.(2020全國卷)若一均勻球形星體的密度為,引力常量為G,則在該星體表面附近沿圓軌道繞其運動的

12、衛(wèi)星的周期是()【解析】選A。對衛(wèi)星,由萬有引力定律得 又知= 聯(lián)立解得T= ,故A正確,B、C、D錯誤?！炯庸逃?xùn)練】1.下列關(guān)于地球同步通信衛(wèi)星的說法中,正確的是()A.為避免通信衛(wèi)星在軌道上相撞,應(yīng)使它們運行在不同的軌道上B.通信衛(wèi)星定點在地球上空某處,各個通信衛(wèi)星的角速度相同,但線速度可以不同C.通信衛(wèi)星只能運行在赤道上空某一恒定高度上D.不同國家發(fā)射通信衛(wèi)星的地點不同,這些衛(wèi)星軌道不一定在同一平面內(nèi)【解析】選C。同步衛(wèi)星運行軌道位于地球赤道平面上空圓形軌道,軌道固定不變,故A、D錯誤;通信衛(wèi)星定點在地球上空某處,各個通信衛(wèi)星的角速度相同,線速度也相等,B錯誤;不同國家發(fā)射通信衛(wèi)星的地點

13、不同,但通信衛(wèi)星是同步衛(wèi)星,軌道固定不變,所以這些衛(wèi)星軌道一定在同一平面內(nèi),故C正確。2.如圖所示,a、b、c為三顆人造地球衛(wèi)星,其中a為地球同步衛(wèi)星,b、c在同一軌道上,三顆衛(wèi)星的軌道均可視為圓軌道。以下判斷正確的是() A.衛(wèi)星a的運行周期大于衛(wèi)星b的運行周期B.衛(wèi)星b的運行速度可能大于7.9 km/sC.衛(wèi)星b加速即可追上前面的衛(wèi)星cD.衛(wèi)星a在運行時有可能經(jīng)過宜昌市的正上方【解析】選A。根據(jù)萬有引力提供向心力,則有 軌道半徑越大,周期越大,可知a的運行周期大于衛(wèi)星b的運行周期,故選項A正確;根據(jù) 軌道半徑越小,速度越大,當(dāng)軌道半徑等于地球半徑時,速度最大等于第一宇宙速度,故b的速度小于

14、第一宇宙速度7.9 km/s,故選項B錯誤;衛(wèi)星b加速后需要的向心力增大,大于萬有引力,所以衛(wèi)星b將做離心運動,所以不能追上前面的衛(wèi)星c,故選項C錯誤;a為地球同步衛(wèi)星,在赤道的正上方,不可能經(jīng)過宜昌市的正上方,故選項D錯誤?！就卣估}】考查內(nèi)容:三個處于不同位置的做圓周運動物體的比較【典例】(多選)如圖所示,赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體A、赤道上空的近地衛(wèi)星B、地球同步衛(wèi)星C,它們的運動都可視為勻速圓周運動,比較三個物體的運動情況,以下判斷正確的是()A.三者的周期關(guān)系為TATBaBaCC.三者角速度的大小關(guān)系為A=CBD.三者線速度的大小關(guān)系為vAvCvB【解析】選C、D。因為同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)動周期與

15、地球自轉(zhuǎn)周期相同,故TA=TC,故A錯誤;因為同步衛(wèi)星的周期和地球自轉(zhuǎn)周期相同,故A=C,根據(jù)a=r2知,A和C的向心加速度大小關(guān)系為aAaC,故B錯誤;因為A、C的角速度相同,B、C由萬有引力提供圓周運動向心力有: =mr2可得角速度= ,所以C的半徑大,角速度小于B即:A=CB,C正確;B、C比較: 得線速度v= 知vCvB,A、C間比較:v=r,知C半徑大線速度大,故有vAvCvB,D正確。三大宇宙速度第三宇宙速度：v=16.7km/s離開太陽奔向遠(yuǎn)方第一宇宙速度：v=7.9km/s近地環(huán)繞的線速度最小發(fā)射速度最大環(huán)繞速度第二宇宙速度：v=11.2km/s離開地球奔向太陽同步衛(wèi)星周期一定

16、：T=24h軌道平面一定：與赤道平面共面高度一定：離地面高度h6R【科技情境】我國的“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng),在交通運輸、公共安全、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。該系統(tǒng)有5顆靜止軌道衛(wèi)星,27顆中軌道衛(wèi)星(離地高度約21 000 km),以及其他軌道衛(wèi)星共35顆。探究:(1)靜止軌道衛(wèi)星能定位在北京上空嗎?(2)中軌道衛(wèi)星與同步衛(wèi)星誰的線速度大?情境模型素養(yǎng)【解析】(1)靜止衛(wèi)星即地球同步衛(wèi)星,只能在赤道上空。(2)中軌道衛(wèi)星離地面高度小于同步軌道衛(wèi)星高度,所以中軌道衛(wèi)星的線速度大。答案:見解析【科技情境】我國的空間站有望在2022年投入運轉(zhuǎn),支持在軌實施空間天文、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微

17、重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)研究與應(yīng)用項目。探究:(1)為什么宇宙飛船與空間站對接前不在同一軌道?(2)宇宙飛船與空間站對接后,空間站的周期會變化嗎?【解析】(1)由關(guān)系式 得v= ,飛船在較低軌道上加速,需要的向心力變大,但此高度萬有引力不變故做離心運動,飛到較高的軌道與空間站對接。(2)由關(guān)系式 得T=2 ,則運行周期和軌道半徑、中心天體質(zhì)量有關(guān)與空間站質(zhì)量無關(guān),故空間站周期不變。答案:見解析課堂檢測素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.(2020鎮(zhèn)江高一檢測)“天琴計劃”需要從地面發(fā)射三顆衛(wèi)星,若發(fā)射時要先將衛(wèi)星送入繞地球的橢圓軌道。則衛(wèi)星發(fā)射速度()A.等于第一宇宙速度B.等于第二宇宙速度C.介于

18、第一宇宙速度和第二宇宙速度之間D.介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之間【解析】選C。發(fā)射近地衛(wèi)星的速度,即為第一宇宙速度7.9 km/s,衛(wèi)星上升的高度越高,需要的能量越大,需要的發(fā)射速度越大,故發(fā)射速度應(yīng)大于7.9 km/s。發(fā)射速度如果大于第二宇宙速度11.2 km/s,衛(wèi)星將要脫離地球束縛,繞太陽運動,故發(fā)射速度應(yīng)小于11.2 km/s。故衛(wèi)星發(fā)射速度v大小的范圍是7.9 km/sv11.2 km/s,故C正確,A、B、D錯誤。2.如圖所示,人造衛(wèi)星M、N分別繞地球做勻速圓周運動,關(guān)于它們的線速度、角速度、向心加速度和周期的大小的比較,下列說法正確的是() A.衛(wèi)星M的線速度小于衛(wèi)星N的線速度B.衛(wèi)星M的向心加速度小于衛(wèi)星N的向心加速度C.衛(wèi)