高中物理教科版必修二：3.4《人造卫星 宇宙速度》课件

欢迎进入物理课堂 4人造卫星宇宙速度 1 了解人造卫星的发射与运行原理 知道三个宇宙速度的含义 会推导第一宇宙速度 2 通过了解人造卫星的运行原理 认为万有引力定律对科学发展所起的作用 培养学生科学服务于人类的意识 一 人造卫星1 卫星 一些自然的或人工的在太空中运动的物体 2 人造卫星 人类应用结合各种先进技术 使用于通信 导航 收集气象数据和其他许多领域内的科学研究的绕地球运动的仪器 绕行星 火箭技术 第二宇宙速度 使人造卫星脱离地球的引力束缚 不再绕地球运行 从地面发射所需要的最小速度 v2 km s 3 第三宇宙速度 使物体脱离太阳的束缚而飞离太阳系 从地球表面发射所需的最小速度 v3 km s 环绕 最小发射 7 9km s 11 2 16 7 一 第一宇宙速度的理解和计算宇宙速度是在地球上满足不同要求的发射速度 不能理解成卫星的运行速度 特别提醒 第一宇宙速度是最大运行速度 也是最小发射速度 第二宇宙速度和第三宇宙速度 当发射速度7 9km s v 11 2km s时 卫星绕地球运转的轨道是椭圆 地球位于椭圆的一个焦点上 当11 2km s v 16 7km s时 卫星将脱离地球的束缚成为太阳系的一颗 小行星 当v 16 7km s时 卫星将脱离太阳引力的束缚跑到太阳系以外的空间去 所以第二宇宙速度指在地面上发射物体 使之能够脱离地球的引力作用 成为太阳系的 小行星 所需的最小发射速度 其值为v 11 2km s 第三宇宙速度指在地面上发射物体 使之脱离太阳的引力束缚的最小发射速度 其值为v 16 7km s 由此可见 人造地球卫星运行时的v T由地球质量和轨道半径决定 而与人造地球卫星的质量无关 在同一轨道的不同卫星应具有相同的线速度 周期和角速度 三 近地卫星 同步卫星和赤道上随地球自转的物体三种匀速圆周运动的异同 同步卫星同步卫星由于相对地面静止 所以它有如下特点 1 同步卫星的运行方向与地球自转方向一致 2 同步卫星的运行周期与地球自转周期相同 T 24h 同步卫星运行的角速度等于地球自转的角速度 3 要与地球同步 同步卫星的轨道平面必须与赤道平面共面 由于向心力是由万有引力提供的 万有引力必须在轨道平面上 所以同步卫星的轨道平面均在赤道平面上 即所有同步卫星都在赤道的正上方 又GM gR2 代入数据T 24h 86400s g 9 8m s2 R 6400km 得h 3 6 104km 也就是说 同步卫星必须位于赤道的正上方 离地面的高度约为3 6 104km 轨道半径 近地卫星与赤道上物体的轨道半径相同 同步卫星的轨道半径较大 r同 r近 r物 动力学规律 近地卫星和同步卫星都只受万有引力作用 满足万有引力充当向心力所决定的天体运行规律 赤道上的物体由万有引力和地面支持力的合力充当向心力 或说成万有引力的分力充当向心力 它的运动规律不同于卫星的运动规律 宇宙速度 答案B 变式1 第一宇宙速度是物体在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的速度 则有 A 被发射的物体质量越大 第一宇宙速度越大B 被发射的物体质量越小 第一宇宙速度越大C 第一宇宙速度与被发射物体的质量无关D 第一宇宙速度与地球的质量有关 答案CD 典例2 如图3 4 1所示 a b c是大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星 a b质量相同且小于c的质量 下面说法中正确的是 A b c的线速度大小相等且大于a的线速度B b c的向心加速度相等且大于a的向心加速度C b c的周期相等且大于a的周期D b c的向心力相等且大于a的向心力 人造地球卫星 图3 4 1 答案C 借题发挥虽然线速度大小相等 若卫星质量不同 向心力也就不同 变式2 现有两颗绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星A和B 它们的轨道半径分别为rA和rB 如果rA rB 则 A 卫星A的运动周期比卫星B的运动周期大B 卫星A的线速度比卫星B的线速度大C 卫星A的角速度比卫星B的角速度大D 卫星A的加速度比卫星B的加速度大 答案A 典例3 下列关于同步通信卫星的说法中不正确的是 A 同步通信卫星和地球自转同步卫星的高度和速率都是确定的B 同步通信卫星的角速度虽已被确定 但高度和速率可以选择 高度增加 速率增大 高度降低 速率减小 仍同步 同步卫星 C 我国发射第一颗人造地球卫星的周期是114min 比同步通信卫星的周期短 所以第一颗人造卫星离地面的高度比同步卫星低D 同步通信卫星的运行速率比我国发射的第一颗人造卫星的运行速率小 答案B 答案AD 同步卫星的发射问题同步卫星的发射有两种方法 一是直接发射到同步轨道 二是先发射到近地轨道 然后再加速进入椭圆轨道 再加速进入地球的同步轨道 发射人造卫星要克服地球的引力做功 发射的越高 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 A 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 B 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C A 卫星在轨道B上由P向Q运动的过程中速率越来越小B 卫星在轨道C上经过Q点的速率大于在轨道A上经过P点的速率C 卫星在轨道B上经过P点时的向心加速度与在轨道A上经过P点的向心加速度是相等的D 卫星在轨道B上经过Q点时受到地球的引力小于经过P点时受到地球的引力 典例4 如图3 4 2所示 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 图3 4 2 答案ACD 宇宙速度1 关于地球的第一宇宙速度 下列表述正确的是 A 第一宇宙速度又叫脱离速度B 第一宇宙速度又叫环绕速度C 第一宇宙速度跟地球的质量无关D 第一宇宙速度跟地球的半径无关 解析由于对第一宇宙速度与环绕速度两个概念识记不准 造成误解 其实第一宇宙速度是指最大的环绕速度 答案B 2 金星的半径是地球的0 95倍 质量为地球的0 82倍 那么 g取10m s2 1 金星表面的自由落体加速度是多大 2 金星的第一宇宙速度是多大 地球的第一宇宙速度为7 9km s 答案 1 9 09m s2 2 7 34km s 人造地球卫星3 探测器绕月球做匀速圆周运动 变轨后在周期较小的轨道上仍做匀速圆周运动 则变轨后与变轨前相比 A 轨道半径变小B 向心加速度变小C 线速度变小D 角速度变小 答案A 答案A 图3 4 3 答案B 单击此处进入活页规范训练 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全