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  • 2021-06-02 发布

高中物理人教版必修二第六章第五节宇宙航行导学案

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5.宇宙航行 问题导学 一、人造地球卫星的运行规律 活动与探究 1[来源:学科网] 1.人造地球卫星的运行轨道是怎样的? 2.设地球质量为 M,卫星质量为 m,轨道半径为 r。试根据动力学规律和圆周运动的 公式推导人造卫星的线速度、角速度和周期,并说明这些物理量与轨道半径有什么关系。 3.什么是地球同步卫星?地球同 步卫星运行有什么特点?[来源:Zxxk.Com] 迁移与应用 1 甲、乙为两颗地球卫星,其中甲为地球同步卫星,乙的运行高度低于甲的运行高度,两 卫星轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是( ) A.甲的周期大于乙的周期 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.甲在运行时能经过北极的正上方 1.在讨论有关卫星的运动规律时,关键要明确向心力、轨道半径、线速度、角速度、 周期和向心加速度彼此影响、互相联系,只要其中一个量确定了,其他的量也就不变了;只 要一个量发生了变化,其他的量也随之变化,不管是定性分析还是定量计算,必须抓住卫星 运动的特点,万有引力提供卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力,由 GMm r2 =mv2 r =mω2r= m4π2 T2 r=man 求出相应物理量的表达式即可讨论或求解,需要注意的是 a、v、ω、T、an 均与 卫星质量无关。 2.发射人造卫星要克服地球的引力做功,发射得越高,克服地球的引力做功越多,发 射越困难。所以在发射同步卫星时先让它进入一个较低的近地轨道(停泊轨道),然后通过 点火加速,使之做离心运动,进入一个椭圆轨道(转 移轨道),当卫星到达椭圆轨道的远地 点时,再次通过点火加速使其做离心运动,进入同步轨道。 3.近地卫星是轨道半径近似等于地球半径的卫星,卫星做匀速圆周运动的向心力由万 有引力提供。同步卫星是在赤道平面内,定点在某一特定高度的卫星,其做匀速圆周运动的 向心力由万有引力提供。在赤道上随地球自转做匀速圆周运动的物体是地球的一部分,它不 是地球的卫星,充当向心力的是物体所受万有引力与重力之差。 二、宇宙速度 活动与探究 2 1.三个宇宙速度各是什么?有何物理意义? 2.当人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动时,其周期约为 84.8 分钟,那么能 否发射一颗绕地球做匀速圆周运动,运行周期为 80 分钟的人造地球卫星呢?[来源:Zxxk.Com] 迁移与应用 2 我国成功发射“嫦娥”二号探月卫星,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 1 81 ,月球半径约为地球半径的1 4 ,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速率约为( ) A.0.4 km/s B.1.8 km/s C.11 km/s D.36 km/s 1.第一宇宙速度是人造卫星的最大环绕速度,也是最小发射速度。 2.三个宇宙速度分别为三种不同情况下在地面附近的最小发射速度。 3.运行速度为人造卫星做匀速圆周运动的环绕速度,其不同于发射速度。 答案: 【问题导学】 活动与探究 1: 1.答案:(1)卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆轨道。 (2)卫星绕地球沿椭圆轨道运动时,地心是椭圆的一个焦点,其周期和半长轴的关系 遵循开普勒第三定律,这类问题在中学物理中很少讨论。 (3)卫星绕地球做匀速圆周运动时由地球对它的万有引力充当向心力,地球对卫星的 万有引力指向地心。而做匀速圆周运动的物体的向心力时刻指向它做圆周运动的圆心。因此 卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合,而这样的轨道有多种,其中比较特殊的有 与赤道共面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道。当然也应存在着与赤道平面成某一角 度的圆轨道,只要圆心在地心,就可能是卫星绕地球运行的圆轨道。如图所示。 [来源:学§科§网 Z§X§X§K] 2.答案:卫星运动所需的向心力是由万有引力提供的,则: (1)由 GMm r2 =m v2 r 得 v= GM r ,可以看出,卫星距地心越远,它运行的速度越小, 即离地面越高的卫星运行速度越小。 (2)由 GMm r2 =mrω2 得ω= GM r3 ,可以看出,卫星距地心越远,它的角速度越小。 (3)由 GMm r2 =mr(2π T )2 得 T= 4π2r3 GM ,可以看出,卫星距地心越远,它的运转周期 越大。 3.答案:地球同步卫星,是指相对于地面静止、运行周期与地球自转周期相同的卫星, 这种卫星一般用于通信,又叫同步通信卫星。其运行特点如下: (1)同步卫星的运行方向与地球自转方向一致。 (2)同步卫星的运转周期与地球自转周期相同,T=24 h。 (3)同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度。 (4)同步卫星的轨道平面均在赤道平面上,即所有的同步卫星都在赤道的正上方。 (5)同步卫星高度固定不变。 由GMm r2 =mr(2π T )2 知 r=3 GMT2 4π2 。由于 T 一定,故 r 一定,而 r=R+h,h 为同步卫 星离地面的高度,h=3 GMT2 4π2 -R。又因为 GM=gR2,代 入数据 T=24 h=86 400 s,g 取 9.8 m/s2,R=6 400 km,得 h=3.6×104 km。 (6)同步卫星的环绕速度大小一定:设其运行速度为 v,由于 G Mm (R+h)2 =m v2 R+h , 所以 v= GM R+h = gR2 R+h = 9.8×(6.4×106)2 6.4×106+3.6×107m/s =3.1×103 m/s。 说明:①所有同步卫星的周期 T、轨道半径 r、环绕速度 v、角速度ω及向心加速度 a 的 大小均相同。 ②所有国家发射的同步卫星的轨道都与赤道为同心圆,它们都在同一轨道上运动且都相 对静止。 迁移与应用 1:AC 解析:地球对卫星的万有引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力, 有GMm r2 =mv2 r =m4π2r T2 =ma,可知,r 越大,v、a 越小,T 越大。由题意可知, 甲卫星的轨 道半径较大,则其周期较大,加速度较小,选项 A、C 正确;第一宇宙速度等于近地卫星的 速度,是所有卫星环绕速度的最大值,选项 B 错误;甲卫星为地球同步卫星,轨道位于赤 道平面内,运行时不能经过北极的正上方,选项 D 错误。 活动与探究 2: 1.答案:第一宇宙速度 7.9 km/s,又叫环绕速度,是物体在地面附近绕地球做匀速圆 周运动的速度。 第二宇宙速度 11.2 km/s,又叫脱离速度,是物体克服地球引力绕太阳公转的速度。 第三宇宙速度 16.7 km/s,又叫逃逸速度,是物体挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系外 的速度。[来源:Z,xx,k.Com] 2.答案:不能。由 T=2π r3 GM 可知人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动时, 轨道半径最小,周期最短,所以绕地球运行的卫星的周期的最小值为 84.8 分钟。 迁移与应用 2:B 解析:对于环绕地球或月球的人造卫星,其所受万有引力即为它们做圆 周运动所需向心力,即 GMm r2 =mv2 r ,所以 v= GM r ,第一宇宙速度指的是最小发射速度, 同时也是近地卫星的环绕速度,对于近地卫星来说,其轨道半径近似等于地球半径,所以v 月 v 地 = M 月 M 地 ·r 地 r 月 = 4 81 =2 9 ,所以 v 月=2 9v 地=2 9 ×7.9 km/s≈1.8 km/s。故正确选项为 B。