第三章 专题强化8 同步卫星及其综合问题-（配套课件）2023-2024学年高一新教材物理必修第二册 【步步高】学习笔记（粤教版）

DISANZHANG 第三章 专题强化8　同步卫星及其综合问题 1.掌握地球同步卫星的特点(重点)。 2.知道“赤道上的物体”“同步卫星”“近地卫星”的区别与联系(重难点)。 学习目标 2 内容索引 一、地球同步卫星 二、地球同步卫星、近地卫星、赤道上的物体的比较 专题强化练 3 一 地球同步卫星 4 地球上空分布着许多的地球同步卫星，其在地面上的人看来，始终静止不动。请思考： (1)这些同步卫星是否就真的静止不动呢？ 答案　这些同步卫星都在绕地心做匀速圆周运动，其周期等于地球自转的周期，故卫星相对于地球静止。 (2)这些同步卫星有什么共同的特点呢？ 答案　这些同步卫星都在赤道上空(轨道平面与赤道平面成0度角)，周期一定、高度一定、线速度大小和角速度一定。 1.地球同步卫星的四个“一定” 梳理与总结 周期、角速度一定 与地球自转周期、角速度相同，即T＝ h 高度一定 卫星离地面高度h＝3.6×104 km≈6R 速率一定 速度大小v＝ ＝3.1 km/s 加速度大小一定 由于卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此向心 加速度大小a＝ω2r＝ (R＋h)不变 24 2.主要用于 ，故也称通信卫星。 通信 　(2023·广东江门市高一期中)北斗问天，国之夙愿。我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星，其轨道半径约为地球半径的7倍。则该地球静止轨道卫星 A.其发射速度一定大于11.2 km/s B.在轨道上运动的线速度一定小于7.9 km/s C.它运行周期大于24 h D.它可以经过北京正上空，所以我国能利用它进行电视转播 例1 √ 发射地球卫星的最小速度是7.9 km/s，且不能超过11.2 km/s，A错误； 地球卫星的最大环绕速度是7.9 km/s，地球静止 轨道卫星在轨道上运动的线速度一定小于7.9 km/s，B正确； 地球静止轨道卫星，相对地球静止，与地球自转周期相同为24 h，C错误； 地球静止轨道卫星，处于赤道上空，不能经过北京上空，D错误。 二 地球同步卫星、近地卫星、赤道上的物体的比较 9 1.地球同步卫星和赤道上物体有什么相同点和不同点？ 答案　相同点：周期和角速度相同 不同点：向心力来源不同 因此要通过v＝ωr，a＝ω2r比较两者的线速度和向心加速度的大小。 2.地球同步卫星和近地卫星有什么相同点和不同点？ 答案　相同点：都是万有引力提供向心力 不同点：轨道半径不同。近地卫星的轨道半径约等于地球的半径，同步卫星的轨道半径约等于地球半径的7倍。 地球同步卫星、近地卫星、赤道上的物体的比较 梳理与总结   赤道上的物体 近地卫星 地球同步卫星 向心力来源 万有引力和支持力的_____ __________ 向心力方向 指向______ 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 合力 万有引力 地心 线速度 v1＝ω1R v1 v3 v2(v2为第一宇宙速度) 角速度 ω1＝ω自     ω1 ω3 ω2 向心加速度 a1＝ω12R   a1 a3 a2 < < ＝ < < < 　2023年5月，世界现役运输能力最大的货运飞船天舟六号，携带约5 800 kg的物资进入距离地面约400 km(小于地球同步卫星与地面的距离)的轨道，顺利对接中国空间站后近似做匀速圆周运动。对接后，这批物资 A.质量比静止在地面上时小 B.所受合力比静止在地面上时小 C.所受地球引力比静止在地面上时大 D.做圆周运动的角速度比地球自转角速度大 例2 √ 物资的质量不随位置而改变，选项A错误； 地球上物资与同步卫星角速度相同，由a＝ω2r可得a地<a同。对同步卫星和空间站进行比较，根据a＝ ，可得a空>a同，所以a空>a同>a地，由于F合＝ma，故物资在空间站所受合力大于在地面上所受合力，选项B错误； 根据F引＝ ，物资在空间站中离地球球心的距离大于在地面上时离球心的距离，则所受地球引力比静止在地面上时小，选项C错误； (2023·广东广州大学附属中学校联考期中)如图所示，卫星A是我国在2022年8月20日成功发射的“遥感三十五号”04组卫星，卫星B是地球同步卫星，它们均绕地球做匀速圆周运动，卫星P是地球赤道上还未发射的卫星，P、A、B三颗卫星的线速度大小分别为vP、vA、vB，角速度大小分别为ωP、ωA、ωB，下列判断正确的是 A.vA>vB>vP B.vA<vB<vP C.ωP＝ωA＝ωB D.ωP<ωA<ωB 例3 √ 对于卫星A、B，根据万有引力提供向心力，有 由题图可知rA<rB， 所以vA>vB，又因为v＝ωr，可得ωA>ωB，由于B 是地球同步卫星，P是地球赤道上还未发射的卫星，卫星P、B的角速度相等，则有ωA>ωB＝ωP，根据v＝ωr，ωP＝ωB，可知vB>vP，则有vA>vB>vP故选A。 (多选)同步卫星与地心的距离为r，运行速率为v1，向心加速度大小为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度大小为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则下列关系式正确的是 例4 √ √ 三 专题强化练 1.(多选)关于近地卫星、地球同步卫星、赤道上的物体，下列说法正确的是 A.都是万有引力等于向心力 B.赤道上的物体和地球同步卫星的周期、线速度大小、角速度都相等 C.赤道上的物体和近地卫星的线速度大小、周期均不同 D.地球同步卫星的周期大于近地卫星的周期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 基础强化练 √ √ 赤道上的物体是由万有引力的一个分力提供向心力，A项错误； 赤道上的物体和地球同步卫星有相同周期和角速度，但线速度大小不相等，B项错误； 赤道上的物体、近地卫星、地球同步卫星三者间的周期关系为T赤＝T同>T近，根据v＝ωr可知v赤<v同，则线速度大小关系为v赤<v同<v近，故C项正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2.(2021·江苏卷)我国航天人发扬“两弹一星”精神砥砺前行，从“东方红一号”到“北斗”不断创造奇迹。“北斗”第49颗卫星的发射迈出组网的关键一步。该卫星绕地球做圆周运动，运动周期与地球自转周期相同，轨道平面与地球赤道平面成一定夹角。该卫星 A.运动速度大于第一宇宙速度 B.运动速度小于第一宇宙速度 C.轨道半径大于“静止”在赤道上空的同步卫星 D.轨道半径小于“静止”在赤道上空的同步卫星 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 第一宇宙速度是指卫星绕地球表面做圆周运动的速度，是环绕地球做圆 周运动的所有卫星的最大环绕速度， 该卫星的轨道半径远大于地球的半径，可知运动速度小于第一宇宙速度，选项A错误，B正确； 球自转周期相同，等于“静止”在赤道上空的同步卫星的周期，可知该卫星的轨道半径等于“静止”在赤道上空的同步卫星的轨道半径，选项C、D错误。 3.(2023·广东惠州期末)我国发射的某卫星，其轨道平面与地面赤道在同一平面内，卫星距地面的高度约为500 km，而地球同步卫星的轨道高度约为36 000 km，已知地球半径约为6 400 km，关于该卫星，下列说法中正确的是 A.该卫星的线速度小于同步卫星的线速度 B.该卫星的加速度小于同步卫星的加速度 C.该卫星的周期小于同步卫星的周期 D.该卫星的发射速度小于第一宇宙速度 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 由开普勒第三定律知，该卫星的周期小于同步卫星的周期，故C正确。 第一宇宙速度是卫星最小的发射速度，知该卫星的发射速度大于第一宇宙速度，故D错误。 4.(2022·广东汕头金山中学高一期中)设地球的质量为M，半径为R，自转角速度为ω，引力常量为G，同步卫星离地心高度为r，地表重力加速度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A.① B.①② C.①②④ D.①②③④ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 同步卫星的角速度与地球自转的角速度相等，根据角速度与线速度的关系可得，同步卫星的速度v＝ωr，故①正确； 5.(2022·湖北卷)2022年5月，我国成功完成了天舟四号货运飞船与空间站的对接，形成的组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，周期约90分钟。下列说法正确的是 A.组合体中的货物处于超重状态 B.组合体的速度大小略大于第一宇宙速度 C.组合体的角速度大小比地球同步卫星的大 D.组合体的加速度大小比地球同步卫星的小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 组合体只受万有引力的作用，则组合体中的货物处于失重状态，A错误； 由题知组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，而第一宇宙速度为最大的环绕速度，则组合体的速度大小不可能大于第一宇宙速度，B错误； 已知地球同步卫星的周期为24 h，则根据角速度和周期的关系有ω＝ ，由于T同>T组合体，则组合体的角速度比地球同步卫星的大，C正确； 6.(多选)(2023·广东茂名市第一中学高一校考期中)我国新一代静止轨道卫星“风云四号”与上一代相比，“风云四号”的整星观察数据量提高了160倍，下列关于“风云四号”静止轨道卫星的说法正确的是 A.一定位于赤道正上空 B.为了避免相撞，应该与其他国家的静止轨道卫星在不同的轨道上运行 C.运行速度小于7.9 km/s D.绕地球运行的周期比月球绕地球的周期大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 “风云四号”卫星为静止轨道卫星，定点在地球赤道上空某处，距地面的高度相同，与其他国家的静止轨道卫星都应该在同一轨道上运行，A正确，B错误； 近地卫星的绕行速度为第一宇宙速度(7.9 km/s)，根据高轨低速可知，“风云四号”运行速度小于第一宇宙速度(7.9 km/s)，C正确； 静止轨道卫星绕地球运行的周期为1天，月球绕地球运行的周期为30天，D错误。 7.(2023·广东深圳中学高一校考期中)如图所示，a是在赤道平面上相对地球静止的物体，随地球一起做匀速圆周运动。b是在地球表面附近做匀速圆周运动的人造卫星，轨道半径约等于地球半径。c是地球同步卫星，已知地球表面的重力加速度为g，下列关于a、b、c的说法正确的是 A.a的向心加速度等于c的向心加速度 B.a、b、c做匀速圆周运动的向心加速度最大的是c C.a、b、c做匀速圆周运动的速率最大的是b D.a、b、c做匀速圆周运动的周期最小的是a √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 b为近地卫星，根据 由于b的轨道半径约等于地球半径，则b的加速度等于g，且b的向心加速度大于c的向心加速度，同步卫星的 b的轨道半径小于c的轨道半径，所以b、c的线速度大小关系为vb>vc，对a、c，根据v＝rω可知vc>va，故C正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 8.(2022·北京清华附中高一期末)研究表明，地球自转在逐渐变慢，3亿年前地球自转的周期约为22小时。假设这种趋势会持续下去，地球的其他条件都不变，未来人类发射的地球同步卫星与现在相比 A.距地球的高度变大 B.向心加速度变大 C.线速度变大 D.角速度变大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 由题意可知，未来地球自转的周期将进一步变长，所以未来发射的地球同步卫星的周期也将变长。设地球质量为M，同步卫星的质量为m， 速度和角速度都将变小，B、C、D错误。 9.(2023·广东深圳红岭中学高一校考期中)设地球同步卫星的轨道半径为R，我国“天宫”空间站的轨道半径为r。航天员王亚平在“天宫”空间站授课时说，在空间站上一天可以观察到16次日出，由此可以推算出 等于 A.1.5 　　　 B.2.25 　　　C.16 　　　 D.256 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 10.(2023·广东江门市期中)2021年10月，中国发射了首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”，用于实现太阳Hα波段光谱成像的空间探测。该卫星轨道为圆轨道，通过地球南北两极上方，离地高度约为517 km，如图所示a为羲和号，b为地球同步卫星，c为赤道上随地球一起转动的物体。下列说法正确的是 A.卫星a运行的速度大于第一宇宙速度 B.b的运行周期小于c的运行周期 C.a的向心加速度大于b的向心加速度 D.a的角速度小于c的角速度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 地球做匀速圆周运动的速度，“羲和号”的轨道半径比地球半径大，所以其运行速度小于第一宇宙速度，故A错误； b卫星的轨道半径大于a卫星的轨道半径，由ω＝　　 ，可知a的角速度大于b的角速度，又因b的角速度等于c的角速度，所以a的角速度大于c的角速度，故D错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 b为地球同步卫星，b的运行周期等于c的运行周期，B错误； 11.(多选)(2023·广州市真光中学校考期中)“天链一号04星”是我国发射的第4颗地球静止轨道数据中继卫星，它与“天链一号02星”、“天链一号03星”在圆形轨道2上实现组网运行，可为在近地圆形轨道1上运行的天宫二号提供数据中继与测控支持。下列说法正确的是 A.“天链一号04星”的最小发射速度是11.2 km/s B.“天链一号04星”与其他同步卫星的质量不一 定相等 C.为了便于测控，“天链一号04星”相对于地面 静止于西昌发射中心正上方 D.“天链一号04星”的向心加速度大于静止在赤道上物体的向心加速度 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 “天链一号04星”是地球的同步卫星，其发射速度应大于7.9 km/s，小于11.2 km/s，A错误； 轨道半径相同，不同质量的卫星都可以在这 个轨道上做匀速圆周运动，B正确； “天链一号04星”只能定点于赤道上空，C错误； “天链一号04星”轨道半径大于赤道上物体自转半径，而角速度相同，根据公式a＝ω2r可知，“天链一号04星”的向心加速度大于静止在赤道上物体的向心加速度，D正确。 12.(多选)a、b、c、d四颗地球卫星，a还未发射，在地球赤道上随地球表面一起转动，向心加速度大小为a1，b处于地面附近近地轨道上，运行速度大小为v1，c是地球静止卫星，离地心距离为r，运行速度大小为v2，向心加速度大小为a2，d是高空探测卫星，各卫星排列位置如图所示，地球的半径为R，则有 A.a的向心加速度等于重力加速度g B.d的运动周期有可能是20 h √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 地球静止卫星c与地球自转的角速度和周期相同，则知a与c的角速度相同，根据a＝ω2r，知c的向心加速度大，由 地球静止卫星的向心加速度小于b的向心加速度，而b的向心加速度约为g，故知a的向心加速度小于重力加速度g，故A错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 13.(多选)土星外层有一个环，为了判断它是土星的一部分还是土星的卫星群，可以测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系，则下列判断正确的是 A.若v2∝R，则该层是土星的卫星群 B.若v∝R，则该层是土星的一部分 C.若v∝ ，则该层是土星的一部分 D.若v2∝ ，则该层是土星的卫星群 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 尖子生选练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 若外层的环是土星的一部分，则它们各部分转动的角速度ω相等，由v＝ωR知v∝R，B正确，C错误； BENKEJIESHU 本课结束 更多精彩内容请登录：www.xinjiaoyu.com 对于同步卫星，万有引力全部提供向心力，有＝ma＝mω2r 对于赤道上物体，万有引力的一个分力提供向心力，有＝mg＋mω2r， 即都满足＝m＝mω2r＝mr＝ma。 v2＝ a3＝ω32(R＋h)＝ a2＝ω22R＝ ω3＝ω自＝ ω2＝ v3＝ω3(R＋h)＝ 根据＝mω2r，解得ω＝，由于r空<r同，故ω空>ω同，可得ω空>ω地，选项D正确。 G＝m，解得v＝， A.＝ B.＝()2 C.＝ D.＝ 以第一宇宙速度运行的卫星为近地卫星。对于卫星，其共同特点是万有引力提供向心力，则G＝m，故＝，C错误，D正确； 对于同步卫星和地球赤道上的物体，其共同特点是角速度相等，根据a＝ω2r，有＝，A正确，B错误。 地球同步卫星和近地卫星有相同的中心天体，根据＝m＝mr，得v＝，T＝2π，由于r同>r近，故v同<v近，T同>T近，D项正确； 根据G＝mr，可知r＝，因为该卫星的运动周期与地 由G＝m，可知v＝， 根据v＝可知，该卫星的线速度大于同步卫星的线速度，故A错误。 根据a＝知该卫星的加速度大于同步卫星的加速度，故B错误。 为g，则同步卫星的速度v：①v＝ωr；②v＝；③v＝；④v＝R，其中正确的是 根据万有引力提供向心力有＝m，解得v＝，故②正确； 根据①可得r＝，根据②可得v2＝，联立解得v＝，故③正确； 根据万有引力等于重力有＝mg，根据万有引力提供向心力有＝m，联立解得v＝R，故④正确，故选D。 由G＝mr，可得T＝2π，由于T同>T组合体，则r同>r组合体，又由G＝ma，则有a同<a组合体，D错误。 周期和地球自转周期相同，则由a＝r，可知a的向心加速度小于c的向心加速度，故A、B错误； ＝ma，解得a＝， 卫星绕地球做匀速圆周运动时，有＝m，解得v＝，因为 a的周期等于c的周期，根据＝mr，解得T ＝，可知b的周期最小，故D错误。 轨道半径为r，运行周期为T，万有引力提供向心力，有G＝m()2r，可得T＝2π，要增大同步卫星的运行周期，需增大同步卫星的轨道半径，则同步卫星距地球的高度将变大，A正确； 由a＝，v＝及ω＝可知，同步卫星的向心加速度、线 由题意可知，同步卫星与“天宫”空间站做圆周运动的周期之比为16∶1，根据万有引力提供向心力得：R03＝，得＝＝256，故选D。 卫星绕地球做匀速度圆周运动时，万有引力提供向心力G＝m＝mω2r＝ma，解得v＝，ω＝，a＝，第一宇宙速度是卫星在地球附近绕 b卫星的轨道半径大于a卫星的轨道半径，由a＝可知a的向心加速度大于b的向心加速度，故C正确。 根据＝可得v＝ C.＝ D.＝ ma＝G，得a＝，卫星的轨道半径越大，向心加速度越小，则 由G＝mr得T＝2π，所以卫星的轨道半径越大，周期越大，所以d的运动周期大于c的运动周期，即大于24 h，故B错误； a、c的角速度相同，由a＝ω2r知＝，故C正确； 根据G＝m，解得v＝，则＝，故D正确。 若是土星的卫星群，则由G＝m，得v2∝，故A错误，D正确。 $$