专题11 人造卫星　宇宙速度-【全攻略】备战2023年高考物理一轮重难点复习

专题11 人造卫星　宇宙速度 1.会比较卫星运行的各物理量之间的关系. 2.理解三种宇宙速度，并会求解第一宇宙速度的大小. 3.会分析天体的“追及”问题． 考点一　卫星运行参量的分析 1．天体(卫星)运行问题分析 将天体或卫星的运动看成匀速圆周运动，其所需向心力由万有引力提供． 2．物理量随轨道半径变化的规律 G＝ 即r越大，v、ω、a越小，T越大．(越高越慢) 3．人造卫星 卫星运行的轨道平面一定通过地心，一般分为赤道轨道、极地轨道和其他轨道，同步卫星的轨道是赤道轨道． (1)极地卫星运行时每圈都经过南北两极，由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖． (2)同步卫星 ①轨道平面与赤道平面共面，且与地球自转的方向相同． ②周期与地球自转周期相等，T＝24 h. ③高度固定不变，h＝3.6×107 m. ④运行速率均为v＝3.1 km/s. (3)近地卫星：轨道在地球表面附近的卫星，其轨道半径r＝R(地球半径)，运行速度等于第一宇宙速度v＝7.9 km/s(人造地球卫星的最大圆轨道运行速度)，T＝85 min(人造地球卫星的最小周期)． 注意：近地卫星可能为极地卫星，也可能为赤道卫星． 1．公式中r指轨道半径，是卫星到中心天体球心的距离，R通常指中心天体的半径，有r＝R＋h. 2．同一中心天体，各行星v、ω、a、T等物理量只与r有关；不同中心天体，各行星v、ω、a、T等物理量与中心天体质量M和r有关． 3.同步卫星、近地卫星及赤道上物体的比较 如图所示，a为近地卫星，轨道半径为r1；b为地球同步卫星，轨道半径为r2；c为赤道上随地球自转的物体，轨道半径为r3. 比较项目 近地卫星 (r1、ω1、v1、a1) 同步卫星 (r2、ω2、v2、a2) 赤道上随地球自转的物体 (r3、ω3、v3、a3) 向心力 万有引力 万有引力 万有引力的一个分力 轨道半径 r2>r1＝r3 角速度 ω1>ω2＝ω3 线速度 v1>v2>v3 向心加速度 a1>a2>a3 【典例1】（2022·青海·海东市第一中学二模）目前，我国处于空间站任务的关键技术验证阶段，将正式进入空间站建造阶段。预计2022年底转入空间站运营阶段，航天员轮换期间将会最多有6名航天员同时在轨。空间站核心舱绕地球运行的轨道可视为圆轨道，轨道离地面的高度约为地球半径的（低于同步卫星轨道高度）。下列说法正确的是（　　） A．核心舱在轨道上运行的速度大于7.9km/s B．核心舱在轨道上运行的周期小于24h C．核心舱进入轨道后运行的加速度小于月球绕地球运行时的加速度 D．后续加挂实验舱后，由于空间站质量增大，其轨道半径将变小 【答案】B 【解析】A．核心舱在轨道上运行，根据 可得 可知第一宇宙速度是最大的环绕速度，因此核心舱在轨道上运行的速度小于7.9km/s，A项错误； B．根据 可得 轨道半径越大，运行周期越大，核心舱的轨道半径小于同步卫星的轨道半径，故其周期小于24h，B项正确； C．根据万有引力定律有 得 月球离地球更远，故月球绕地球运行的加速度小于核心舱运行的加速度，C项错误； D．卫星做圆周运动时万有引力提供向心力，有 解得 则卫星的环绕速度与卫星的质量无关，所以核心舱的质量增大时，其轨道半径不变，D项错误。 故选B。 【典例2】（2022·辽宁·鞍山一中模拟预测）“北斗”卫星导航定位系统由5颗静止轨道卫星（同步卫星）和30颗非静止轨道卫星组成，30颗非静止轨道卫星中有27颗是中轨道卫星，中轨道卫星的高度约为21500km，同步卫星的高度约为36000km，下列说法中正确的是（　　） A．同步卫星和中轨道卫星的线速度均小于第一宇宙速度 B．同步卫星的向心加速度大于中轨道卫星的向心加速度 C．中轨道卫星的角速度小于同步卫星的角速度 D．赤道上随地球自转物体的向心加速度大于同步卫星的向心加速度 【答案】A 【解析】A．卫星在轨运行时，万有引力提供向心力 化简得到 第一宇宙速度为最小发射速度，也是近地卫星的线速度。由上式线速度关系可知，轨道半径越大，线速度越小，所以同步卫星和中轨道卫星的线速度均小于第一宇宙速度，A正确； B．万有引力提供向心力，则 得到 所以同步卫星的向心加速度小于中轨道卫星的向心加速度，B错误； C．角速度与线速度的关系为 根据A选项的计算可知，中轨道卫星的线速度大，半径更小，所以角速度更大，C错误； D．赤道上随地球自转物体与同步卫星的周期相同，向心加速度为 同步轨道卫星的运行半径更大，所以向心加速度更大，D错误； 故选A。 考点二　宇宙速度 第一宇宙速度(环绕速度) v1＝7.9 km/s，是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的最大环绕速度，也是人造地球