第三章 第4节 人造卫星宇宙（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册（教科版2019）

第4节　人造卫星　宇宙速度 课程内容要求 核心素养提炼 1．知道人造卫星的发射和运行，会分析一般卫星和同步卫星的运行问题． 2．知道第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度． 3．了解我国航天事业的发展历程和重要成果． 1．物理观念：宇宙速度、同步卫星． 2．科学思维：人造卫星、航天器的发射和运行问题． 3．科学态度与责任：了解我国在载人航天和太空探索领域的成就． [对应学生用书P50] 1．1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功． 2．地球同步卫星 (1)位于赤道上方，离地面的高度约为36_000_km． (2)相对地面静止，周期与地球自转的自转周期相同． [思考] 如图所示，两颗卫星绕地球做圆周运动，O是地球中心，N是近地卫星，M是地球同步卫星，两颗卫星绕地球的周期哪一个更大？ 提示　根据开普勒第三定律可知，M的周期更大． 数值 意义 第一宇宙速度 7.9 km/s (1)卫星环绕地球表面运行的速度，也是绕地球做匀速圆周运动的最大速度 (2)使卫星绕地球做匀速圆周运动的最小地面发射速度 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 [思考] 某个近地卫星绕地球做匀速圆周运动，已知重力加速度为g，地球半径为R，怎样计算第一宇宙速度？ 提示　根据重力提供向心力，由mg＝m解得 v＝. [对应学生用书P50] 探究点一　宇宙速度的推导和理解 甲　　　　　　　　　　　乙 图甲是正在发射的火箭，图乙是三个宇宙速度．思考以下问题： (1)如何推导第一宇宙速度？ 提示　G＝m得v＝ ，又GM＝gR2，故v＝.代入数据可得地球的第一宇宙速度v＝7.9 km/s. (2)怎样理解第一宇宙速度的意义？ 提示　第一宇宙速度是最大环绕速度，也是发射卫星的最小速度． (3)当人造卫星的发射速度7.9 km/s<v<11.2 km/s时，卫星怎样绕地球运动？ 提示　卫星绕地球在椭圆轨道上运动． 1．发射速度 发射速度是指卫星直接从地面离开发射装置时的速度，并且一旦发射后就无能量补充，卫星靠自己的初动能克服地球引力进入运动轨道． 2．运行速度 人造卫星在高空沿着圆轨道或椭圆轨道稳定运行时的速度．若沿圆轨道运行，此时F向＝F引，即m＝G，可得v＝，式中M为地球质量，r为卫星与地心之间的距离，v就是卫星绕地球运行的速率．此式适用于所有沿圆轨道运行的行星，当r＝R地时，v＝v1，即第一宇宙速度是轨道速度的特例；当r>R地时，v<v1.因此轨道速度总小于或等于第一宇宙速度． 星球上的物体脱离星球引力所需的最小速度称为第二宇宙速度．星球的第二宇宙速度v2与第一宇宙速度v1的关系是v2＝v1.已知某星球的半径为r，它表面的重力加速度为地球表面重力加速度g的，不计其他星球的影响，则该星球的第二宇宙速度为(　　) A．　　　　　　　　　 B. C. D．gr C　[由题意得v1＝＝ ，v2＝v1＝ ，所以C正确．] [题后总结]　 (1)第一宇宙速度等于星球表面卫星(或其他航天器)的环绕速度． (2)物体绕星球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力． [训练1]　(多选)已知地球半径为R，质量为M，自转角速度为ω，地面重力加速度为g，万有引力常量为G，地球同步卫星的运行速度为v，则第一宇宙速度为(　　) A．　　　B. 　　　C. 　　　D．ωR ABC　[第一宇宙速度等于近地卫星运行的速度，由mg＝G＝m，解得第一宇宙速度v1＝＝ ，故A、C正确；对同步卫星，设轨道半径为r，由v＝ωr，G＝m，结合G＝m得v1＝ ＝ω，故B正确，D错误．] 探究点二　人造卫星的运行规律 在地球的周围，有许多的人造卫星在不同的轨道上绕地球转动(如图所示).若轨迹为圆，请思考： (1)这些人造卫星的轨道圆心有什么特点？ 提示　因卫星绕地球运行时万有引力提供向心力，万有引力指向地心，所以地心是卫星圆轨道的圆心． (2)这些人造卫星的线速度、角速度、周期跟什么因素有关呢？ 提示　根据G＝m＝mω2r＝m()2r，得T＝2π ，v＝ ，ω＝ .由此可知v、ω、T仅跟地球的质量和轨道半径有关． 卫星各物理量和轨道半径的关系 设卫星的轨道半径为r，线速度大小为v，角速度大小为ω，周期为T，向心加速度大小为a. G＝⇒ 注意：上述规律适用于卫星在固定圆轨道运动的情况，不适用于变轨时的情况． 如图所示，设行星绕太阳的运动是匀速圆周运动，金星自身的半径是火星的n倍，质量为火星的k倍，不考虑行星自转的影响，则(　　) A．金星表面的重力加速度是火星的倍 B．金星的“第一宇宙速度”是火星的 倍 C．金星绕太阳运动的加速度比火星小 D．金星绕