第4章 素养提升课(四) 天体运动中的三类典型问题-【金版新学案】2023-2024学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书(鲁科版2019)

2024-05-16
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内容正文:

[学习目标] 1.掌握解决天体运动问题的模型及思路。 2.会分析地球同步卫星、卫星变轨及双星问题。 一 同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较 1.地球同步卫星 地球同步卫星位于地球赤道上方,相对于地面静止不动,其角速度跟地球自转角速度相同。同步卫星广泛应用于通信,又叫同步通信卫星。地球同步卫星的特点见下表: 周期一定 与地球自转周期相同,即T=24 h=86 400 s 角速度一定 与地球自转的角速度相同 高度一定 卫星离地面高度h=r-R≈5.6R(为恒量)≈3.6×104 km 速度大小一定 v=≈3.1 km/s (为恒量),环绕方向与地球自转方向相同 向心加速度大小一定 a≈0.23 m/s2 轨道平面一定 轨道平面与赤道平面共面 2.同步卫星、近地卫星、赤道上物体物理量的比较 (1)同步卫星和近地卫星 相同点:都是万有引力提供向心力,即都满足G=m=mrω2=mr=ma。 由上式比较各运动量的大小关系,即r越大,v、ω、a越小,T越大。 (2)同步卫星和赤道上物体 相同点:周期和角速度相同 不同点:向心力来源不同 对于同步卫星,有G=ma=mrω2, 对于赤道上物体,有G=mg+mrω2, 因此要通过v=rω,a=rω2比较两者的线速度和向心加速度的大小。 学生用书第102页 (多选)(2022·广东汕头高一期中)如图所示,甲是地球赤道上的一个物体,乙是“神舟十号”宇宙飞船(绕地运行周期为90 min),丙是地球的同步卫星,它们运行的轨道示意图如图所示,它们都绕地心做匀速圆周运动。下列说法正确的是(  ) A.它们运动的周期大小关系是T甲=T丙>T乙 B.它们运动的向心加速度大小关系是a乙>a丙>a甲 C.卫星乙的运行速度大于地球的第一宇宙速度 D.已知乙运动的周期T乙及轨道半径r乙,可计算出地球质量M= ABD [根据万有引力提供向心力G=mr=man=m,T=2π,an=,据题知,同步卫星丙的周期为24 h,大于乙的周期,丙的周期等于甲的周期,则T甲=T丙>T乙。根据加速度与轨道半径的关系,知a乙>a丙,又因为甲与丙的角速度相等,根据an=rω2,可得a丙>a甲,即a乙>a丙>a甲,选项A、B正确;根据v=,卫星乙的运行速度小于地球的第一宇宙速度,选项C错误;对于乙,根据G=m乙r乙,解得地球质量M=,故D正确。] 针对练1.关于我国发射的“亚洲一号”地球同步通讯卫星的说法,正确的是(  ) A.若其质量加倍,则轨道半径也要加倍 B.它在北京上空运行,故可用于我国的电视广播 C.它以第一宇宙速度运行 D.它运行的角速度与地球自转角速度相同 D [由G=m得r=,可知轨道半径与卫星质量无关,A错误;同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合,即在赤道上空运行,不能在北京上空运行,B错误;第一宇宙速度是卫星在最低圆轨道上运行的速度,而同步卫星在高轨道上运行,其运行速度小于第一宇宙速度,C错误;所谓“同步”就是卫星保持与地面赤道上某一点相对静止,所以同步卫星的角速度与地球自转角速度相同,D正确。] 针对练2.地球赤道上有一物体随地球的自转而做圆周运动,向心力为F1,向心加速度为a1,线速度为v1,角速度为ω1;绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星(高度忽略)的向心力为F2,向心加速度为a2,线速度为v2,角速度为ω2;地球同步卫星的向心力为F3,向心加速度为a3,线速度为v3,角速度为ω3。地球表面重力加速度为g,第一宇宙速度为v,假设三者质量相等,则(  ) A.F1=F2>F3 B.a1=a2=g>a3 C.v1=v2=v>v3 D.ω1=ω3<ω2 D [赤道上物体随地球自转的向心力为万有引力与支持力的合力,近地卫星的向心力等于万有引力,同步卫星的向心力为同步卫星所在处的万有引力,故有F1<F2,F2>F3,加速度a1<a2,a2=g,a3<a2;线速度v1=ω1R,v3=ω3(R+h),其中ω1=ω3,因此v1<v3,而v2>v3;角速度ω=,故有ω1=ω3<ω2,故D正确。] 二 卫星变轨问题 卫星在运动中的“变轨”有两种情况:离心运动和向心运动。当万有引力恰好提供卫星所需的向心力,即G=m时,卫星做匀速圆周运动;当某时刻速度发生突变,所需的向心力也会发生突变,而突变瞬间万有引力不变。 (1)制动变轨:卫星的速率变小时,使得万有引力大于所需向心力,即G>m,卫星做近心运动,轨道半径将变小。所以要使卫星的轨道半径变小,需开动反冲发动机使卫星做减速运动。 (2)加速变轨:卫星的速率变大时,使得万有引力小于所需向心力,即G<m,卫星做离心运动,轨道半径将变大。所以要使卫星的轨道半径变大,需开动反冲发动机使卫星做加速运动。 (2022·昆明高一期中)发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨

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