2019届二轮复习　人造卫星　宇宙速度课件（37张） 37页

　人造卫星　宇宙速度 [ 考纲下载 ] 1. 知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度 . 2 . 认识同步卫星的特点 . 3 . 了解人造卫星的相关知识和我国卫星发射的情况以及人类对太空的探索历程 . 一、人造卫星 1. 卫星：自然的或人工的在太空 中 的 物体 . 2. 第一颗人造卫星： 1957 年 10 月 4 日，由苏联送入 环绕 的 轨道的卫星 . 绕行星运动 地球 二 、宇宙速度   数值 意义 第一宇宙速度 km/s 卫星在 地球 绕 地球 做 ____________ 的 速度 第二宇宙速度 km/s 使卫星 挣脱 引力 束缚永远离开地球的最小地面发射速度 第三宇宙速度 km/s 使卫星 挣脱 引力 束缚飞到太阳系外 的 地面 发射速度 7.9 11.2 16.7 表面附近 匀速圆周运动 地球 太阳 最小 判断下列说法的正误 . (1) 在地面上发射人造卫星的最小速度是 7.9 km/s.( 　　 ) (2) 人造地球卫星的最小绕行速度是 7.9 km/s.( 　　 ) (3) 在地面上发射火星探测器的速度应为 11.2 km/s < v < 16.7 km/s.( 　　 ) (4) 要发射离开太阳系进入银河系的探测器，所需发射速度至少为 16.7 km/s . ( 　　 ) (5) 要发射一颗月球卫星，在地面的发射速度应大于 16.7 km/s.( 　　 ) 即 学即 用 　 √ √ × × 答案 √ 重点探究 一、三个宇宙速度 1. 不同天体的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的决定因素是什么 ？ 2 . 把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小 ？ 导学探究 答案 答案 　 越大 . 向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力 . 1. 第一宇宙速度 (1) 定义：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的绕行速度 . (2) 推导：对于近地人造卫星，轨道半径 r 近似等于地球半径 R ＝ 6 400 km ，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，取 g ＝ 9.8 m/s 2 ，则 知识深化 2. 第二宇宙速度 在地面附近发射飞行器，使之能够脱离地球的引力作用，永远离开地球所必需的最小发射速度，称为第二宇宙速度，其大小为 11.2 km/s. 7.9 km/s < v 0 < 11.2 km/s 时，物体绕地球运动的轨道为椭圆轨道，且在轨道不同点速度大小一般不同 . 3. 第三宇宙速度 在地面附近发射飞行器，使之能够脱离太阳的引力束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间的最小发射速度，称为第三宇宙速度，其大小为 16.7 km/s. 例 1 　我国发射了一颗绕月运行的探月卫星 “ 嫦娥一号 ”. 设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面 . 已知月球的质量约为地球质量 的 月球 的 半径约为地球半径 的 地球 上的第一宇宙速度约为 7.9 km/s ，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为 A.0.4 km/s B.1.8 km/s C.11 km/s D.36 km/s 解析 √ 答案 解析 　 卫星所需的向心力由万有引力提供， 因此 B 项正确 . “ 最小发射速度 ” 与 “ 最大绕行速度 ” 1. “ 最小发射速度 ” ：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力 . 所以近地轨道的发射速度 ( 第一宇宙速度 ) 是发射人造卫星的最小速度 . 规律总结 例 2 　某人在一星球上以速率 v 竖直上抛一物体，经时间 t 后，物体以速率 v 落回手中 . 已知该星球的半径为 R ，求该星球的第一宇宙速度 .( 物体只受星球的引力 ) 解析 答案 1. 人造地球卫星的轨道特点 卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道 . (1) 卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一 个 焦点 ，卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律 . (2) 卫星绕地球沿圆轨道运动时，因为地球对卫星的 万有 引力 提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力 指向 地心 ，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心 . (3) 卫星的轨道平面可以在赤道平面内 ( 如同步卫星 ) ，可以通过两极上空 ( 极地轨道卫星 ) ，也可以和赤道平面成任一角度，如图 1 所示 . 二、人造地球卫星 图 1 2. 地球同步卫星 地球同步卫星位于地球赤道上方，相对于地面静止不动，它的角速度跟地球的自转角速度相同，广泛应用于通信，又叫同步通信卫星 . 地球同步卫星的特点见下表： 周期一定 与地球自转周期相同，即 T ＝ 24 h ＝ 86 400 s 角速度一定 与地球自转的角速度相同 高度一定 卫星离地面高度 h ＝ r － R ≈ 6 R ( 为恒量 ) ≈ 3.6 × 10 4 km 速度大小一定 v ＝ ＝ 3.07 km/s( 为恒量 ) ，环绕方向与地球自转方向相同 向心加速度大小一定 a ＝ 0.23 m/s 2 轨道平面一定 轨道平面与赤道平面共面 例 3 　 ( 多选 ) “ 静止 ” 在赤道上空的地球同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面，为天气预报提供准确、全面和及时的气象资料 . 设地球同步卫星的轨道半径是地球半径的 n 倍，下列说法中正确的是 A. 同步卫星距地面的高度是地球半径的 ( n － 1) 倍 B. 同步卫星运行速度是第一宇宙速度的 C. 同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转获得的速度的 D. 同步卫星的向心加速度是地球表面重力加速度 的 ( 忽略地球的自转 效应 ) 答案 解析 √ √ 解析 　 地球同步卫星的轨道半径是地球半径的 n 倍，所以同步卫星距地面的高度是地球半径的 ( n － 1) 倍， A 正确 . 同步卫星与地球赤道上的物体具有相同的角速度，根据 v ＝ rω 知，同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转的速度的 n 倍， C 错误 . 针对训练 1 　如图 2 所示，中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统 . 其中有静止轨道同步卫星 ( 轨道高度约为 36 000 km) 和中地球轨道卫星 . 已知中地球轨道卫星的轨道高度在 5 000 ～ 15 000 km ，则下列说法正确的是 A. 中地球轨道卫星的线速度小于静止轨道同步卫星的 线 速度 B. 上述两种卫星的运行速度可能大于 7.9 km/s C. 中地球轨道卫星绕地球一圈时间大于 24 小时 D. 静止轨道同步卫星的周期大于中地球轨道卫星的周期 答案 √ 图 2 例 4 　如图 3 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 v A 、 v B 、 v C ，角速度大小分别为 ω A 、 ω B 、 ω C ，周期 分别为 T A 、 T B 、 T C ，向心加速度大小分别为 a A 、 a B 、 a C ，则 A. ω A ＝ ω C < ω B B. T A ＝ T C < T B C. v A ＝ v C < v B D. a A ＝ a C > a B 图 3 解析 √ 答案 三、 “ 赤道上物体 ”“ 同步卫星 ” 和 “ 近地卫星 ” 的比较 解析 　 同步卫星与地球自转同步，故 T A ＝ T C ， ω A ＝ ω C ， 由 v ＝ ωr 及 a ＝ ω 2 r 得 v C > v A ， a C > a A 故可知 v B > v C > v A ， ω B > ω C ＝ ω A ， T B < T C ＝ T A ， a B > a C > a A ，选项 A 正确， B 、 C 、 D 错误 . 同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较 1. 同步卫星和近地 卫星 相同点：都是万有引力提供 向心力 由上式比较各运动量的大小关系，即 r 越大， v 、 ω 、 a 越小， T 越大 . 总结提升 2. 同步卫星和赤道上物体 相同点：周期和角速度相同 不同点：向心力来源 不同 因此 要通过 v ＝ ωr ， a ＝ ω 2 r 比较两者的线速度和向心加速度的大小 . 针对训练 2 　 ( 多选 ) 关于近地卫星、同步卫星、赤道上的物体，以下说法正确的是 A. 都是万有引力等于向心力 B. 赤道上的物体和同步卫星的周期、线速度、角速度都相等 C. 赤道上的物体和近地卫星的线速度、周期不同 D. 同步卫星的周期大于近地卫星的周期 答案 解析 √ √ 解析 　 赤道上的物体是由万有引力的一个分力提供向心力， A 项错误； 赤道上的物体和同步卫星有相同周期和角速度，但线速度不同， B 项错误； 赤道上物体、近地卫星、同步卫星三者间的周期关系为 T 赤 ＝ T 同 > T 近 ，根据 v ＝ ωr 可知 v 赤 < v 同 ，则线速度关系为 v 赤 < v 同 < v 近 ， C 项正确 . 达标检测 1. ( 对宇宙速度的理解 ) ( 多选 ) 下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是 A. 第一宇宙速度 v 1 ＝ 7.9 km/s ，第二宇宙速度 v 2 ＝ 11.2 km/s ，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于 v 1 、小于 v 2 B. 美国发射的 “ 凤凰号 ” 火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度 C. 第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕 太 阳 运行的人造行星的最小发射速度 D. 第一宇宙速度 7.9 km/s 是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大 运行 速度 √ 答案 解析 √ 1 2 3 4 5 实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项 A 错误； 美国发射的 “ 凤凰号 ” 火星探测卫星，仍在太阳系内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选项 B 错误； 第二宇宙速度是使物体挣脱地球引力束缚而成为太阳的一颗人造行星的最小发射速度，选项 C 正确 . 1 2 3 4 5 2. ( 对同步卫星的认识 ) ( 多选 ) 据报道，我国数据中继卫星 “ 天链一号 01 星 ” 于 2008 年 4 月 25 日在西昌卫星发射中心发射升空，经过 4 次变轨控制后，于 5 月 1 日成功定点在东经 77° 赤道上空的同步轨道 . 关于成功定点的 “ 天链一号 01 星 ” ，下列说法中正确的是 A. 运行速度大于 7.9 km/s B. 离地面高度一定，相对地面静止 C. 绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大 D. 向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等 √ 答案 解析 √ 1 2 3 4 5 由于 “ 天链一号 01 星 ” 的运行周期 T 是一定的，所以轨道半径 r 一定，离地面的高度一定， B 正确 . 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 3. ( “ 同步卫星 ” 与 “ 赤道上物体 ” 及近地卫星的比较 ) ( 多选 ) 如图 4 所示，同步卫星与地心的距离为 r ，运行速率为 v 1 ，向心加速度为 a 1 ，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为 a 2 ，第一宇宙速度为 v 2 ，地球半径为 R ，则下列比值正确的是 √ 答案 解析 √ 图 4 1 2 3 4 5 解析 　 地球同步卫星：轨道半径为 r ，运行速率为 v 1 ，向心加速度为 a 1 ； 地球赤道上的物体：轨道半径为 R ，随地球自转的向心加速度为 a 2 ； 以第一宇宙速度运行的卫星为近地卫星 . 对于卫星，其共同特点是万有引力提供向心力， 1 2 3 4 5 4. ( 第一宇宙速度的计算 ) 若取地球的第一宇宙速度为 8 km/s ，某行星的质量是地球质量的 6 倍，半径是地球半径的 1.5 倍，此行星的第一宇宙速度约为 A.16 km/s B.32 km/s C.4 km/s D.2 km/s √ 答案 1 2 3 4 5 5. ( 第一宇宙速度的计算 ) 某星球的半径为 R ，在其表面上方高度为 aR 的位置，以初速度 v 0 水平抛出一个金属小球，水平射程为 bR ， a 、 b 均为数值极小的常数，则这个星球的第一宇宙速度为 答案 √ 解析 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5