第二十一天：宇宙航行-【寒假自学课】2024年高一物理寒假提升学与练（人教版2019）

第二十一天：宇宙航行 宇宙航行的内容的考点： 1、第一宇宙速度的意义及推论； 2、发射速度和环绕速度； 3、类比地球求解其它星球的宇宙速速； 4、第二宇宙速度； 5、第三宇宙速度； 6、同步卫星的运行中哪些量相同； 7、地球同步卫星与其他卫星的对比； 8、近地卫星与黄金代换； 9、同步卫星、近地卫星与赤道上物体的比较； 10、卫星的各个物理量计算； 11、不同轨道上的卫星各物理量的比较； 12、理解双星系统的特征； 13、计算双星问题的线速度、角速度与引力； 14、计算双星问题中的总质量； 15、多星运动问题。 知识点1：宇宙航行 一、三个宇宙速度 1、第一宇宙速度的推导 解决思路：卫星环绕地球运动时所需的向心力等于地球对卫星的万有引力。 解决方法：根据万有引力公式和圆周运动的知识可得：G＝m。 得到的结论：v＝＝ m/s＝7.9×103 m/s。 2、三个宇宙速度 宇宙速度 数值(km/s) 意义 第一宇宙速度 (环绕速度) 7.9 是人造地球卫星的最小发射速度，也是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度。 第二宇宙速度 (脱离速度) 11.2 使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度。 第三宇宙速度 (逃逸速度) 16.7 使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。 3、对宇宙速度的理解 发射速度为v，第一宇宙速度为v1，第二宇宙速度为v2，第三宇宙速度为v3，发射物体的运动情况跟宇宙速度息息相关，它们的关系如下表所示： v＜v1 发射物体无法进入外太空，最终仍将落回地面； v1≤v＜v2 发射物体进入外太空，环绕地球运动； v2≤v＜v3 发射物体脱离地球引力束缚，环绕太阳运动； v≥v3 发射物体脱离太阳系的引力束缚，逃离太阳系中。 二、人造卫星 1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功。为我国航天事业作出特殊贡献的科学家钱学森被誉为“中国航天之父”。 三种卫星： 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，其运行线速度约为7.9 km/s。 ②地球同步卫星（轨道平面、周期、角速度、高度、速率、绕行方向、向心加速度都是一定的） 轨道平面一定（只能位于赤道上空，轨道平面和赤道平面重合） 周期一定（与地球自转周期相同，大小为T=24h＝8.64×104s。） 角速度一定（与地球自转的角速度相同） 高度一定（根据得）=3.6×107m） 线速度一定（根据线速度的定义，可得=3.08km/s，小于第一宇宙速度）。 向心加速度一定（根据=man，可得an＝＝gh＝0.23 m/s2） 绕行方向一定（与地球自转的方向一致）。 ③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。 航天器（卫星）变轨问题分析： 离心运动： 当v增大时，所需向心力增大，卫星将做离心运动，轨道半径变大，由v＝ 知其运行速度要减小，此时重力势能、机械能均增加。同一卫星在不同轨道上运行时机械能不同，轨道半径(半长轴)越大，机械能越大。 向心运动：当v减小时，所需向心力减小，因此卫星将做向心运动，轨道半径变小，由v＝知其运行速度将增大，此时重力势能、机械能均减少。情景分析，如下图所示： 先将卫星发送到近地轨道Ⅰ；使其绕地球做匀速圆周运动，速率为v1，变轨时在P点处点火加速，短时间内将速率由v1增加到v2，使卫星进入椭圆形的转移轨道Ⅱ；卫星运行到远地点Q时的速率为v3，此时进行第二次点火加速，在短时间内将速率由v3增加到v4，使卫星进入同步轨道Ⅲ，绕地球做匀速圆周运动。注意：卫星在不同轨道相交的同一点处加速度相等，但是外轨道的速度大于内轨道的速度。中心天体相同，但是轨道不同（不同圆轨道或椭圆轨道），其周期均满足开普勒第三定律。 变轨过程物体的分析如下： 速度 根据以上分析可得：v4> v3>v2>v1 加速度 在P点，卫星只受到万有引力作用，所以卫星当从轨道Ⅰ或者轨道Ⅱ上经过P点时，卫星的加速度是一样的；同理在Q点也一样。 周期 根据开普勒第三定律＝k可得T1<T2<T3。 机械能 卫星在一个确定的轨道上（圆或者椭圆）运动时机械能是守恒的，若卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E1、E2、E3，则E1<E2<E3。 说明：根据以上分析可得当增大卫星的轨道半径时必须加速。 三、载人航天与太空探索 1、1961年苏联航天员加加林进入东方一号载人飞船，铸就了人类首次进入太空的丰碑。 2、1969年，美国阿波罗11号飞船发射升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。 3、2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空，截至