第12讲 宇宙航行-【寒假自学课】2022年高一物理寒假精品课（人教版2019 必修第二册）

第12讲 宇宙航行 【学习目标】 1.知道三个宇宙速度的含义和数值，会计算第一宇宙速度． 2.掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系． 3.理解近地卫星、同步卫星的区别． 4.掌握卫星的变轨问题． 【基础知识】 知识点一、宇宙速度 1．近地卫星的速度 (1)原理：飞行器绕地球做匀速圆周运动，运动所需的向心力由万有引力提供，所以m. ，解得：v＝＝G (2)结果：用地球半径R代表近地卫星到地心的距离r，可算出：v＝ m/s＝7.9 km/s. 2．宇宙速度 数值 意义 第一宇宙速度 7.9 km/s 卫星在地球表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 使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度 第三宇宙速度 16.7 km/s 使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度 3.对第一宇宙速度的理解 (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．近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度． (2)“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由G，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，第一宇宙速度是所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星的最大环绕速度． 可得v＝＝m 知识点二、人造地球卫星 1．人造地球卫星的发射及原理 (1)牛顿设想： 如图甲所示，当物体被抛出的速度足够大时，它将围绕地球旋转而不再落回地面，成为一颗人造地球卫星． 甲　　　　　　　　　乙 (2)发射过程简介： 如图乙所示，发射人造地球卫星，一般使用三级火箭，最后一级火箭脱离时，卫星的速度称为发射速度，使卫星进入地球轨道的过程也大致为三个阶段． 2．动力学特点 一般情况下可认为人造卫星绕地球做匀速圆周运动，其向心力由地球对它的万有引力提供． 3．卫星环绕地球运动的规律 由G. 可得v＝＝m 4．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≈6R(为恒量)≈3.6×104 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 an＝0.23 m/s2 轨道平面一定 轨道平面与赤道平面共面 5.卫星变轨问题 卫星在运动中的“变轨”有两种情况：离心运动和向心运动．当万有引力恰好提供卫星所需的向心力，即G时，卫星做匀速圆周运动；当某时刻速度发生突变，所需的向心力也会发生突变，而突变瞬间万有引力不变． ＝m 1．制动变轨：卫星的速率变小时，使得万有引力大于所需向心力，即G，卫星做近心运动，轨道半径将变小．所以要使卫星的轨道半径变小，需开动反冲发动机使卫星做减速运动． >m 2．加速变轨：卫星的速率变大时，使得万有引力小于所需向心力，即G，卫星做离心运动，轨道半径将变大．所以要使卫星的轨道半径变大，需开动反冲发动机使卫星做加速运动． <m 【考点剖析】 例1．如图所示，A、B 为两颗在不同的轨道上绕地球做匀速圆周运动的卫星，A 的轨道半径大于 B 的轨道半径。用 vA、vB 分别表示 A、B 的线速度大小，用 TA、TB 分别表示 A、B 的周期，则 （　　） A．vA = vB B．vA > vB C．TA > TB D．TA < TB 【答案】C 【解析】AB．根据 ，解得 ， ，所以 ，AB错误； CD．根据 解得 ， ，所以 ，故选C。 例2．关于地球同步卫星的说法正确的是(　　) A．所有地球同步卫星一定在赤道上空 B．不同的地球同步卫星，离地高度不同 C．不同的地球同步卫星的向心加速度大小不相等 D．所有地球同步卫星受到的向心力大小一定相等 【答案】A 【解析】地球同步卫星一定位于赤道上方，周期一定，离地面高度一定，向心加速度大小一定，所以A项正确，B、C项错误；由于F＝G，所以不同的卫星质量不同，其向心力也不同，D项错误． 例3.肩负着“落月”和“勘察”重任的“嫦娥三号”沿地月转移轨道直奔月球，如图所示，在距月球表面100 km的P点进行第一次制动后被月球捕获，进入椭圆轨道Ⅰ绕月飞行，之后，卫星在P点又经过第二次“刹车制动”，进入距月球表面100 km的圆形工作轨道Ⅱ，绕月球做匀速圆周运动，在经过P点时会再一次“刹车制动”进入近月点距月球表面15km的椭圆轨道Ⅲ，然后择机在近月点下降进行软着陆，则下列