7.4 宇宙航行 学案 -2022-2023学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

2023高一物理 第4节 宇宙航行 宇宙航行基础知识回顾 轨道参数的规律 线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道高度的关系； G＝ 总结： ， ． 三大特殊卫星：轨道圆心是 0. 近地卫星：绕地球表面飞行的卫星，理论上存在． 由得，即，运动平面任意； 在所有卫星中，线速度、角速度都 ，周期 ，． 同步卫星：和地面相对静止的卫星． 条件有3个：轨道平面重合于 、 转、周期等于24小时． 由得，即R=6.6R地，卫星离地高度5.6R地，； 由于轨道非常高，所以发射难度非常大．由于卫星不可能绝对相对地球静止，会有误差，所以国际规定相邻同步卫星之间至少要相隔3度，但随着科技的进步，目前已经存在的同步卫星至少有338颗，其中中国有14颗． 极地卫星：又叫极轨卫星，是经过两极上空的卫星．由于地球的自传，此类卫星可以实现对地球的全面覆盖． 卫星发射及变轨、对接问题 0. 卫星发射及变轨 人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如图所示． 为了节省能量，在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道Ⅰ上． 在A点点火加速，由于速度变大，万有引力不足以提供向心力，卫星做 运动进入椭圆轨道Ⅱ．（卫星在A点线速度可能大于、也可能小于） 在B点（远地点）再次点火加速，进入圆形轨道Ⅲ． 变轨分类：依靠自身动力变轨即瞬间变轨、卫星遇到稀薄空气阻力减速导致的降轨． 对接：一般是后面的航天器从低轨道加速（做离心运动），追上高轨道的航天器（高轨道线速度小），即：减速 （动能增加），加速 （动能减小），越高越慢． 卫星变轨中的参数比较 0. 速度：设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3，在轨道Ⅱ上过A点和B点速率分别为、．在A点加速，则 ，在B点加速，则 ，又因v1＞v3，故有＞＞＞． 加速度：因为万有引力提供合力，根据公式可知，只要距离r相同，则加速度大小就相等，不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A点，卫星的加速度都相同，即，同理，． 周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上运行周期分别为T1、T2、T3，轨道半径分别为r1、r2(半长轴)、r3，由开普勒第三定律＝k可知T1＜T2＜T3． 三大宇宙速度 0. 第一宇宙速度：又叫环绕速度，即卫星绕地表飞行的速度． 由 得，即； ，是最小的发射速度和最大的环绕速度． 第二宇宙速度：又叫脱离速度，即卫星脱离地球引力的速度． 由得 ，即． 第三宇宙速度：又叫逃逸速度，即卫星脱离太阳引力的速度． 由，即． 范围分析 时，卫星绕地球做匀速圆周运动． 当时，卫星绕地球沿椭圆轨道飞行． 当时，卫星将脱离地球绕太阳沿椭圆轨道飞行． 当时，卫星将脱离太阳引力，脱离太阳系 拓展：黑洞问题：第一宇宙速度超过光速． 恒星的演化，恒星、红巨星、中子星、白矮星，塌缩成黑洞． 天文常识 1. 张角等于遮光角 绕地球运行的空间站中水银气压计、天平不可用，没有浮力，弹簧测力计可以用。 机械能：轨道升高，动能减小、重力势能增大，且重力势能增大的多，所以需要开发动机对卫星做正功；动能和重力势能加起来的机械能增大．高轨高能． 典型例题方法总结 1. 近地卫星、同步卫星、赤道上随地球做圆周运动的物体之间运动参数的比较 0. 联系和区别 区别：地球赤道上的物体随地球自转的向心力由万有引力与支持力的合力提供，而地球表面附近做匀速圆周运动的卫星和同步卫星由万有引力提供向心力； 联系：近地卫星和同步卫星都是完全失重，满足轨道参数规律，满足高轨低速大周期，赤道上的物体和同步卫星，角速度相等． 0. 思路：两两比较，参数传递： 宇宙速度的计算 0. 第一宇宙的计算：用和来计算； 0. 其他宇宙速度的计算：结合题中给出的与第一宇宙速度的关系或利用能量守恒，进行计算． 2 1 学科网（北京）股份有限公司 $