2024届高考物理一轮复习讲义：7.4宇宙航行

7.4 宇宙航行 一.三个宇宙速度 1.三个宇宙速度 第一宇宙速度： 是最小的发射速度，是近地卫星的环绕速度，是最大的环绕速度，其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径，其运行线速度约为v===7.9 km/s. 第二宇宙速度(脱离速度) ： 使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度，其数值为11.2 km/s. 第三宇宙速度(逃逸速度) ： 使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，其数值为16.7 km/s. 2. 宇宙速度与运动轨迹的关系 ① v发<7.9 km/s时，物体抛出后会再落地面 ②v发＝7.9 km/s时，卫星绕地球表面做匀速圆周运动． ③7.9 km/s<v发<11.2 km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆． ④11.2 km/s≤v发<16.7 km/s，卫星绕太阳做椭圆运动． ⑤v发≥16.7 km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间 二．天体环绕问题，运行参量比较 1.解决天体运动问题的基本思路 一般行星或卫星的运动可看做匀速圆周运动，所需要的向心力都由中心天体对它的万有引力提供，所以研究天体时可建立基本关系式，利用基本关系式来求解各个运行参量的大小。 F＝mg=ma＝G＝m＝mrω2＝mr2 2.天体运动的动力学特征 G＝高轨低速大周期:随着r 理解记忆: 一定则四定，越高越慢： ①v、ω、an、r、T这五个量中，任意一个量确定，则其他四个量都是确定的． ②高轨指轨道半径越大，w， v越小；an，T越大。 三．人造卫星及3种特殊卫星 1.三种特殊卫星 1.近地卫星 在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径 v＝7.9 km/s；T≈85 min. 2.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。 3.同步卫星 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，又叫通讯卫星，静止卫星． 同步卫星的特点六个“一定”： ( G ＝ m (R ＋ h) h ＝ － R ≈ 3.58 × 10 4 km ≈ 6R. 地球半径 R =6400km ) 2.特殊卫星的动力学比较 同步卫星、近地卫星、一般卫星及赤道上的物体的运动比较： 1.同步卫星与赤道上的物体角速度相等； 2.同步卫星与近地卫星同属卫星模型； 3.近地卫星与赤道上的物体的轨道半径相等； 4.比较赤道上的物体与一般卫星的速度加速度关系时，需要将同步卫星补充进来作为一个比较的桥梁； 5.赤道上的物体的运动不能用万有引力提供向心力来分析. 比较内容 赤道表面的物体 近地卫星 同步卫星 向心力来源 万有引力的分力 万有引力 向心力方向 指向地心 重力与万有引力的关系 重力略小于万有引力 重力等于万有引力 线速度 v1＝ω1R v2＝ = v3＝ω3(R＋h)＝ v1＜v3＜v2(v2为第一宇宙速度) 角速度 ω1＝ω自 ω2＝ ω3＝ω自＝ ω1＝ω3＜ω2 向心加速度 a1＝ωR a2＝ωR＝ a3＝ω(R＋h) ＝ a1＜a3＜a2 四.卫星的运行与发射变轨问题 1.卫星稳定运行的轨道及绕行特点 1.卫星轨道 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． 地球对卫星的万有引力提供卫星的向心力，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。 2.卫星的发射与变轨问题 1.卫星的发射过程 1.牛顿设想 如图所示，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． 2.发射过程简介及变轨原理 如图所示，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． 5.卫星变轨原理 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．G＝m，v＝. 速度突然增加时，，万有引力不足以提供向心力，做离心运动，半径变大。 速度突然减小时，，万有引力大于所需的向心力，做向心运动，半径变小。 由此，要想使卫星进入更高一级轨道，就要加速；反之要减速。 2.人造卫星的超重与失重问题 1.人造卫星在发射过程中，有一段加速运动处于超重状态 2. 人造卫星在返回过程中，有一段减速运动处于失重状态 3.人造卫星沿圆形轨道运行过程中，万有引力提供向心力，处于完全失重状态。 3.卫星发射和变轨过程的动力学分析 航天飞机与宇宙空间站的“对接”： 本质仍是卫