高中物理（新人教必修二）：第六章 5《宇宙航行》

欢迎进入物理课堂 5 宇宙航行 1 第一宇宙速度 表达式为 或 大小为 它是卫星最大的环绕速度 也是卫星最小的发射速度 环绕速度 指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度 2 第二宇宙速度 也叫脱离速度 大小为 它表示当发射速度等于或大于此速度时 物体就会克服地球的引力 永远离开地球 16 7km s 3 第三宇宙速度 也叫逃逸速度 大小为 它表示当发射速度等于或大于此速度时 物体就会挣脱太阳引力的束缚 飞到太阳系外 7 9km s 11 2km s 4 通信卫星绕地球赤道运转 其周期与地球周期相同 这种卫星称为同步卫星 从地面上看 此卫星像是悬在高空中静止不 动 有关同步卫星的叙述 正确的是 D A 它的位置太高 不会受地球引力的作用 所以能悬在高空静止B 它受到太阳的引力恰好等于地球对它的引力C 它受到月亮的引力恰好等于地球对它的引力D 它受到地球的引力恰好等于它绕地球做匀速圆周运动的向心力解析 同步卫星在轨道内只受地球对它的万有引力作用 且用以提供它做圆周运动的向心力 D对 知识点1 宇宙速度 美国有部电影叫 光速侠 是说一个叫DanielLight的家伙在一次事故后 发现自己拥有了能以光速奔跑的能力 根据所学物理知识分析 如果光速侠要以光速从纽约跑到洛杉矶救人 可能实现吗 图6 5 1 提示 不可能实现 当人或物体以大于第一宇宙速度的速度在地表运动时 会脱离地表 到达外太空 即在地表运动的速度不能超过7 9km s 1 第一宇宙速度 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫做第一宇 宙速度 设地球的质量为M 半径为r 则其大小为v 7 9km s 它是地球人造卫星的最小发射速度和最大环绕速度 2 第二宇宙速度 当发射物体的速度等于或大于11 2km s时 物体会挣脱地球的引力 不再绕地球运行 我们把这个速度叫做第二宇宙速度 3 第三宇宙速度 发射速度达到第二宇宙速度的物体虽然挣脱了地球引力的束缚 但还受到太阳引力的作用 要使物体挣脱太阳引力的束缚 飞到太阳系外 必须使发射速度等于或大于16 7km s 这个速度叫做第三宇宙速度 例1 若取地球的第一宇宙速度为8km s 某行星的质量是地球的6倍 半径是地球的1 5倍 这行星的第一宇宙速 度约为 A 16km sB 32km sC 4km sD 2km s 答案 A 触类旁通 1 关于地球的第一宇宙速度 下列表述正确的是 A A 第一宇宙速度又叫环绕速度B 第一宇宙速度又叫脱离速度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 知识点2 人造地球卫星 探索宇宙的奥秘 奔向广阔的太空 是人类自古以来的梦想 人类是借助于火箭完成飞向太空的壮举的 我国首个空间实验室 天宫一号 于2011年9月29日发射升空 按计划与 神舟 八号 神舟 九号和 神舟 十号进行无人和人工对接 实现我国航天器空间对接技术 神舟 八号于2011年11月1日凌晨发射 这次发射的主要任务是与 天宫一号 对接 图6 5 2 图6 5 3 讨论 苏联 神舟 五号 杨利伟 1 1957年10月4日 发射了第一颗人造地球卫星 2 2003年10月15日 我国的 宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射 把我国第一位航天员 送入太空 成为继苏联 美国后 第三个依靠自己的力量将宇航员送上太空的国家 1 人造地球卫星的轨道 卫星绕地球做匀速圆周运动时 由地球对它的万有引力提供向心力 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所做圆周运动的圆心 因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合 这样就存在三类人造地球卫星轨道 如图6 5 4所示 1 赤道轨道 卫星的轨道在赤道平面上 卫星始终处于赤 道上方 2 极地轨道 卫星轨道平面与赤道平面垂直 卫星通过两 极上空 3 一般轨道 卫星轨道和赤道成一定的角度 图6 5 4 2 人造地球卫星的最小周期 人造地球卫星的周期与轨道半径的关系为T 2 由 此可知 卫星的轨道半径r越大 周期T越大 显然 卫星以第一宇宙速度在地球表面附近绕地球运动时的周期最小 最小周期约为84 8min 3 人造地球卫星的运行速度和发射速度的区别 度指的是人造地球卫星在轨道上运行时的速度 其大小随轨道半径的增大而减小 所以卫星的运行速度v 7 9km s 但由于人造地球卫星在发射过程中要克服地球引力做功 势能增大 所以将卫星发射到离地球越远的轨道上 在地面所需要的发射速度越大 卫星的最小发射速度为7 9km s 4 人造地球卫星的超重与失重 1 发射和回收阶段 卫星发射加速上升的过程和卫星回收进入大气层减速下降的过程中 都具有向上的加速度 这时发生超重现象 2 沿圆轨道正常运行 卫星进入圆轨道正常运行以后 只受重力 向心加速度为g 卫星及卫星上的任何物体都处于完全失重状态 凡是应用重力原理制成的仪器 天平 水银气压计等 在卫星中都不能正常使用 凡是与重力有关的实验在卫星中都无法进行 5 地球同步卫星 1 同步卫星 与地球同步转动 又称静止卫星 相对于地球 表面静止不动 或通信卫星 2 同步卫星的特点 周期T 角速度 与地球自转的周期和角速度相同 T 24h 轨道确定 因为 T与地球自转的 T相同 又在做匀速圆周运动 所以只能在赤道面上同地球自转同步 R h m2 R h 式中的 如图6 5 5所示 假设卫星在轨道B跟着地球的自转同步地做匀速圆周运动 卫星运动的向心力由地球对它的引力F 引 的一个分力F1提供 由于另一个分力F2的作用将使卫星靠向 赤道 故只有在赤道上空 同步卫星才可能在稳定的轨道上运行 因此 所有的同步卫星只能在赤道的正上方 且在一定高度处 因为 GMm 2 4 2T R为地球半径 h为卫星离地面的高度 经计算得h 3 6 104km 图6 5 5 例2 双选 下列关于地球同步卫星的说法 正确的是 A 为避免通信卫星在轨道上相撞 应使它们运行在不同的轨道上B 通信卫星定点在地球赤道上空某处 所有通信卫星的周期都等于地球的自转周期C 不同国家发射通信卫星的地点不同 这些卫星的轨道不一定在同一平面上D 不同通信卫星运行的线速度大小是相同的 加速度的大小也是相同的 解析 通信卫星为同步卫星 地球同步卫星都在同一轨道上 且相对静止 A错误 D正确 同步卫星的运行周期与地球的自转周期一致 B正确 C错误 答案 BD 例3 在天体演变的过程中 红巨星发生 超新星爆炸 后 可以形成中子星 电子被迫同原子核中的质子相结合而形成中子 中子星具有极高的密度 若已知某中子星的密度为1017kg m3 该中子星的卫星绕它做圆轨道运动 试求该中子星的卫 星运行的最小周期 引力常量G 6 67 10 11 N m2 kg2 触类旁通 2 人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动 其速率 A 一定等于7 9km s B B 等于或小于7 9km sC 一定大于7 9km sD 介于7 9km s和11 2km s之间解析 第一宇宙速度为7 9km s 是卫星绕地球做匀速圆周运动的最大运行速度 3 地球的半径为R0 地球表面的重力加速度为g 一个质量为m的人造卫星 在离地面高度为h R0的圆形轨道上绕地 球运行 则 答案 A 卫星的线速度 角速度 周期与轨道半径的关系 例4 人造地球卫星在运行中 由于受到稀薄大气的阻力作用 其运动轨道半径会逐渐减小 在此过程中 以下说法 错误的是 A 卫星的速率将增大B 卫星的周期将增大C 卫星的向心加速度将增大D 卫星的角速度将增大 答案 B 触类旁通 4 双选 如图6 5 6所示 T代表 天宫一号 飞行器 S代表 神舟 八号飞船 它们都绕地球做匀速圆周运动 则 图6 5 6 AD A T的周期大于S的周期B T的线速度大于S的线速度C T的向心加速度大于S的向心加速度D S和T的速度都小于环绕速度7 9km s 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