2019年高中物理 第三章 万有引力定律 宇宙航行知识梳理学案 教科版必修2.doc

1宇宙航行宇宙航行【学习目标学习目标】 1.会推导第一宇宙速度 2.掌握地球（或天体）的卫星各物理量的关系 3.理解同步卫星的特点，了解三种宇宙速度 4.了解卫星的变轨问题 【要点梳理要点梳理】 要点一、天体问题的处理方法 要点诠释：要点诠释： （1）建立一种模型 天体的运动可抽象为一个质点绕另一个质点做匀速圆周运动的模型 （2）抓住两条思路 天体问题实际上是万有引力定律、牛顿第二定律、匀速圆周运动规律的综合应用，解决问题的基本 思路有两条： 利用在天体中心体表面或附近，万有引力近似等于重力即2RMmGmg （g 为天体表面的重力加速度）利用万有引力提供向心力。由此得到一个基本的方程2GMmmar，式中 a 表示向心加速度，而向心加速度又有2var、2ar、224raT、ag这样几种表达式，要根据具体问题，把这几种表达式代入方程，讨论相关问题。 要点二、人造卫星 要点诠释：要点诠释： 1人造卫星 将物体以水平速度从某一高度抛出，当速度增加时，水平射程增大，速度增大到某一值时，物体就 会绕地球做圆周运动，则此物体就成为地球的卫星，人造地球卫星的向心力是由地球对卫星的万有引力 来充当的(1)人造卫星的分类：卫星主要有侦察卫星、通讯卫星、导航卫星、气象卫星、地球资源勘测卫星、 科学研究卫星、预警卫星和测地卫星等种类(2)人造卫星的两个速度：发射速度：将人造卫星送入预定轨道运行所必须具有的速度环绕速 度：卫星在轨道上绕地球做匀速圆周运动所具有的速度由于发射过程中要克服地球的引力做功，所以发射速度越大，卫星离地面越高，实际绕地球运行的 速度越小向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难得多2卫星的轨道卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道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 卫星绕地球沿圆轨道运动时，由于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，地心必须是卫星圆轨道的圆心卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)， 也可以和赤道平面垂直，还可以和赤道平面成任一角度，如图所示2要点三、宇宙速度 要点诠释：要点诠释： 1.第一宇宙速度（环绕速度） 指人造卫星近地环绕速度，它是人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，是人造卫星的最小发射速度，其大小为17.9/vkm s说明：说明： （1）由于在人造卫星的发射过程中，火箭要克服地球的引力做功，所以将卫星发射到离地球越远的 轨道，在地面上所需的发射速度就越大，故人造卫星的最小发射速度对应将卫星发射到近地表面运行， 此时发射时的动能全部转化为绕行的动能而不需要转化为重力势能。 （2）第一宇宙速度的推导根据万有引力提供向心力可得：22MmvGmRR所以7.9/GMvkm sR若已知地球表面的重力加速度，则由万有引力和重力近似相等有2vmgmR所以7.9/vgRkm s2.第二宇宙速度（逃逸速度） 在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳运动的人造卫星或飞到其他行星上去所必须的最小发射速度，其大小为211.2/vkm s3.第三宇宙速度 在地面上发射物体，使之能够脱离太阳的引力范围，飞到太阳系以外的宇宙空间所必须的最小发射速度，其大小为316.7/vkm s要点四、同步卫星 要点诠释：要点诠释： 1.概念 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星，又叫通讯卫星 2.基本特征(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且 T24 h(3)同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度(4)要与地球同步，卫星的轨道平面必须与赤道平面平行，又由于向心力是万有引力提供的，万有引3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，即所有的同步卫星都在赤道的正上 方不可能定点在我国某地上空(5)同步卫星高度固定小变所有同步卫星的周期 T、轨道半径 r、环绕速度 v、角速度 及向心加速度 a 的大小均相同由222GMmmrrT，知3224GMTr，由于 T 一定，所以 r 不变，而 rR+h，h 为离地面的高度，3224GMThR，又2GMgR，代入数据 T24h86400 s，g9.8 m/s2，R6400 km，得h3.6×104km也就是说，同步卫星必须定位于赤道的正上方，离地面的高度约为 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22()MmvGmRhRh，则2GMgRvRhRh62679.8 (6.4 10 )m/s6.4 103.6 10323.1 10 m/s(7)三颗同步卫星作为通讯卫星，则可覆盖全球(两极有部分盲区)要点五、地球同步卫星与赤道上随地球做圆周运动的物体以及人造卫星的区别与联系 要点诠释：要点诠释： （1）地球同步卫星与赤道上随地球做圆周运动的物体相当于同轴转动的物体，它们的角速度相同，周期 相同，线速度关系遵循vr的关系； （2）地球同步卫星与人造卫星同属于地球卫星，它们之间的关系遵循天体运动所需的向心力由万有引力 提供，符合的公式是：2GMar，r 越大 a 越小； GMvr， r 越大 v 越小3GM r ，r 越大越小； 234rTGM，r 越大 T 越大要点六、卫星的稳定运行与变轨问题 要点诠释：要点诠释：当卫星的速度突然增加时，2mvFr，即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大，但卫星一旦进入新的轨道运行，由GMvr知，其运行速度要减小。当卫星的速度突然减小时，2mvFr，即万有引力大于卫星所需的向心力，卫星将做向心运动，4脱离原来的圆轨道，轨道半径变小，但卫星一旦进入新的轨道运行，由GMvr知，其运行速度要增加。由此，要想使卫星进入更高一级轨道，就要加速；反之要减速。 【典型例题典型例题】 类型一、卫星运行的规律 例例 1 1、可以发射一颗这样的人造卫星，使其圆轨道（ ）A与地球表面上某一纬线(非赤道)是共面的同心圆B与地球表面上某一经线所决定的圆是共面的同心圆C与地球表面上赤道线是共面的同心圆，且卫星相对地球表面是静止的D与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，但卫星相对地球是运动的【答案】C、D 【解析】人造地球卫星飞行时，由于地球对卫星的引力作为它做圆周运动的向心力，而这个力的方向 必定指向圆心，即指向地心，即所有无动力的卫星其轨道圆的圆心一定要和地球的中心重合，不能是地 轴上(除地心外)的某一点，故 A 是不对的由于地球同时绕着地轴在自转，所以卫星的轨道平面也不可能和经线所决定的平面共面，所以 B 也 是不对的相对地球表面静止的就是同步卫星，它必须在赤道线平面内，且距地面有确定的高度，这个高度约 为三万六千公里，而低于或高于该高度的人造卫星也是可以在赤道平面内运动的，不过由于它们自转的 周期和地球自转的周期不相同，就会相对于地面运动【总结升华】(1)人造地球卫星的轨道一般有三种：赤道轨道、极地轨道和一般轨道共同特点是轨 道中心必须和地心重合(2)没有跟某一经度重合的轨道，也没有跟某一纬度重合的轨道(除赤道平面)事实上大约三万六千 公里高空的赤道轨道上只有和地球自转方向相同的卫星才能称之为同步卫星，如果转向正好与地球自转 方向相反，就不能称其为地球同步卫星了(3)发射到赤道轨道上的同步卫星为了节省动力，发射场所选地点应尽可能靠近赤道，且要借助地球 自转的线速度 【变式】火星有两颗卫星，分别是火卫一和火卫二，它们的轨道近似为圆已知火卫一的周期为 7 小时 39 分火卫二的周期为 30 小时 18 分，则两颗卫星相比（ ） A火卫一距火星表面较近 B火卫二的角速度较大 C火卫一的运动速度较大 D火卫二的向心加速度较大 【答案】AC 类型二、第一宇宙速度的应用 例例 2 2、已知地球的半径为 R，地球表面的重力加速度为 g，不考虑地球自转的影响(1)推导第一宇宙速度 v1的表达式；(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动，运行轨道距离地面的高度为 h，求卫星的运行周期 T【解析】(1)设卫星的质量为 m，地球的质量为 M，地球表面处物体的质量为 m，在地球表面附近满足2MmGm gR，则 GMR2g， 卫星受到的万有引力提供做圆周运动的向心力，则2 1 2vMmGmRR，5将式代入式，得到1vRg(2)结合式卫星受到的万有引力为222()()MmmgRFGRhRh，由万有引力提供向心力得224()FmRhT， 两式联立解得32()RhTRg【总结升华】第一宇宙速度是在天体表面发射卫星的最小发射速度，也是卫星近“地”最大绕行速度，不同天体的第一宇宙速度一般不同求解第一宇宙速度常用2GMm R或2mvmgR在 G 未知时除非估算类问题，一般不能把 G 作为已知量，而通常用黄金代换或比较法消去 G 求解【变式变式】某星球直径为 d，宇航员在该星球表面以初速度0v竖直上抛一个物体，物体上升的最大高度为 h，若物体只受该星球引力作用，则该星球的第一宇宙速度为（ ）.2ovA .2odB vh.2ovhCd.2ovdDh【答案】D【思路点拨】以初速度0v竖直上抛一物体，物体在重力作用下做匀减速直线运动，当物体速度减为0 时，物体上升到最大高度，已知初速度末速度和位移，根据匀变速直线运动的速度位移关系可以求出该星球表面的重力加速度 g，再根据万有引力提供向心力，求出该星球的第一宇宙速度【解析】在该星球表面以初速度 v0竖直上抛出一物体，则该物体上升的最大高度为 H由ghv22 0，得：hvg22 0，根据Rvmmg2 0，而2dR ，得该星球的第一宇宙速度为：hdvgRv20，故 D 正确，ABC 错误；类型三、同步卫星的规律 例例 3 3、用 m 表示地球通信卫星(同步卫星)的质量，h 表示它离地面的高度，R0表示地球的半径，g0表示地 球表面处的重力加程度，0表示地球自转的角速度，则通信卫星所受到的地球对它的万有引力的大小是 （ ）A等于 0 B等于2 00 2 0()mR g RhC等于243 000m R g D以上结果均不对【答案】B、C【解析】根据万有引力定律，有2 0()MmFGRh，6又因为2 00GMR g，所以2 00 2 0()mR gFRh，地球对通信卫星的万有引力提供卫星的向心力，所以2 002 0()()MmGmRhRh，23 00()GMRh又因2 00GMR g，所以有23 00 02 0R gRh，因而23 224003 00002 0R gFmm R g【总结升华】所有地球同步卫星的周期都相同，为 24 h，根据22 2 224MmvGmmrrrrT可知，所有同步卫星的轨道半径和线速度、角速度的大小都相同 【变式】如图所示，A是地球的同步卫星另一卫星B的圆形轨道位于赤道平面内，离地面高度为 h已知地球半径为R，地球自转角速度为o，地球表面的重力加速度为g，O为地球中心 （1）求卫星B的运行周期 （2）如卫星B绕行方向与地球自转方向相同，某时刻A、B两卫星相距最近（O、B、A在同一直线上） ， 则至少经过多长时间，它们再一次相距最近？【答案】 （1）3B2()2RhTgR（2 2） 2032()t gR Rh例例 4 4、地球赤道上有一物体随地球的自转而做圆周运动，所受的向心力为1F，向心加速度为1a，线速度为1v，角速度为1；绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星（高度忽略）所受的向心力为2F，向心加速度为2a，线速度为2v，角速度为2；地球同步卫星所受的向心力为3F，向心加速度为3a，线速度为3v，角速度为3，地球表面重力加速度为g，第一宇宙速度为v，假设三者质量相等，则（ ）A321FFF B321agaa C321vvvv D2317【思路点拨思路点拨】比较同步卫星和随地球自转的物体的 Fav、时，要抓住二者的周期或角速度相同这 一桥梁。 【答案答案】D 【解析解析】赤道上的物体随地球自转的向心力为万有引力在垂直地轴方向上的分力，近地卫星的向心力等于万有引力，同步卫星的向心力为同步卫星所在处的万有引力，故12FF，23FF，加速度：1232,aa aa，选项 A、B 错误；同步卫星和随地球自转的物体角速度相同，因此13，又3GM r，故有132，选项D 正确；线速度13,()vR vhR，因此13vv，而23vvv，选项 C 错误。类型四、卫星的变轨运动 例例 5、如图所示是嫦娥三号奔月过程中某阶段的运动示意图，嫦娥三号沿椭圆轨道运动到近月点P处变轨进入圆轨道，嫦娥三号在圆轨道做圆周运动的轨道半径为r，周期为T，已知引力常量为G，下列说法中正确的是（ ）A由题中（含图中）信息可求得月球的质量B由题中（含图中）信息可求得月球第一宇宙速度C嫦娥三号在P处变轨时必须点火加速D嫦娥三号沿椭圈轨道运动到 P 处时的加速度大于沿圆轨道运动到P处时的加速度【答案】A【解析】A、万有引力提供向心力：2224MmGmrrT，得：2324rMGT，既根据轨道半径为r，周期为T，万有引力常量为G，计算出月球的质量，故 A 正确；B、万有引力提供向心力：22MmvGmrr，得：GMvr，此处的 r 指的是月球的半径，而不是嫦娥三号运行的轨道半径，所以由于不知道月球半径，所以不能计算月球第一宇宙速度，故 B 错误；C、椭圆轨道和圆轨道是不同的轨道，航天飞机不可能自主改变轨道，只有在减速后，做近心运动，才能进入圆轨道，故 C 错误；D、嫦娥三号沿椭圈轨道运动到 P 处时和沿圆轨道运动到P处时，所受万有引力大小相等，所以加速度大小也相等，故 D 错误。8【总结升华】注意在求解月球的“第一宇宙速度时” ，GMvr ，r 指的是月球的半径，而不是嫦娥三号运行的轨道半径。类型五、有关航天问题的分析 例例 6 6、我国执行首次载人航天飞行的神州五号飞船于 2003 年 10 月 15 日在中国酒泉卫星发射中心发 射升空飞船由长征-2F 运载火箭先送入近地点为 A、远地点为 B 的椭圆轨道，在 B 点实施变轨后，再进 入预定圆轨道，如图所示。已知飞船在预定圆轨道上飞行 n 圈所用时间为 t，近地点 A 距地面高度为 h1， 地球表面重力加速度为 g，地球半径为 R，求： （1）飞船在近地点 A 的加速度 aA为多大？ （2）远地点 B 距地面的高度 h2为多少？【解析解析】 （1）设地球质量为 M，飞船的质量为 m飞船在 A 点受到的地球引力为 21MmFG Rh 地球表面的重力加速度 2MgGR 由牛顿第二定律得 22211AFGMgRamRhRh （2）飞船在预定圆轨道飞行的周期 tTn 由牛顿运动定律得 22222MmGmRhTRh 解得2 2 32224gR thRn 例例 7 7、侦察卫星在通过地球两极上空的圆轨道上运行，它的运行轨道距地面高度为 h，要使卫星在一 天的时间内将地面上赤道上在日照条件下的地方全都摄下来，卫星在通过赤道上空时，卫星上的摄像机 至少应拍摄地面上赤道圆周的弧长是多少?设地球半径为 R，地面上的重力加速度为 g，地球自转周期为 T【解析】侦察卫星环绕地球一周，通过有日照的赤道一次，在卫星一个周期时间(设为 T1)内地球自 转的角度为 ，只要 角所对应的赤道弧长能被拍摄下来，则一天时间内，地面上赤道上在日照条件下 的地方都能被拍摄下来设侦察卫星的周期为 T1，地球对卫星的万有引力为卫星做圆周运动的向心力，卫星的轨道半径 rR+h，根据牛顿第二定律，则222 14()()MmGm RhRhT， 在地球表面的物体重力近似等于地球的万有引力，即BA预定圆轨道地球92MmmgGR 联立解得侦察卫星的周期为312()RhTRg，已知地球自转周期为 T，则卫星绕行一周，地球自转的角度为12T T，摄像机应拍摄赤道圆周的弧长为 角所对应的圆周孤长，应为12TsRT32322()4()RRhRh TRgTg【总结升华】侦察卫星实际上是极地卫星，也被称为间谍卫星，它的轨道平面与赤道平面相垂直， 所以该卫星可拍摄到地球上任何地点