高一物理第三章 第四节 人造卫星、宇宙速度教科版 知识精讲.docVIP

高一物理第三章 第四节 人造卫星、宇宙速度教科版 【本讲教育信息】 一. 教学内容： 第三章 第四节 人造卫星、宇宙速度 二. 知识复习： 知识点1：宇宙速度 （1）第一宇宙速度 ①数值：。 ②意义：是地球卫星的最小发射速度，也是地球卫星在近地轨道上运动时的速度。 ③第一宇宙速度的推导 方法一：当卫星在地球表面附近运动时，（R为地球半径）由，得。 方法二：当卫星在地球表面附近运动时，， 由，得。 （2）第二宇宙速度 ①数值：。 ②意义：物体脱离地球引力束缚所必需的最小发射速度。 （3）第三宇宙速度 ①数值：。 ②意义：物体脱离太阳引力的束缚，跑到太阳系以外的空间，所需的最小发射速度。 三. 重、难点分析： 1. 卫星运行的轨道与速度 不同卫星的运行轨道各不一样，有的卫星轨道是圆，有的卫星轨道是椭圆；有的近地运行，有的远地运行；有的卫星的运行速度大小是变化的，有的卫星的运行速度大小是不变的。下面分别说明： （1）轨道是椭圆的卫星，其运行速度大小是变化的，近地点速度大，远地点速度小（可由开普勒第二定律推出）。 （2）轨道是圆的卫星，其运行速度大小是不变的。由知，速度。 （3）若轨道是圆，当运行半径不同时，则运行速度也不同，由知，近地卫星速度大，远地卫星速度小。 2. 近地卫星、同步卫星和在赤道上随地球的自转做匀速圆周运动的物体三个匀速圆周运动的比较 （1）近地卫星：所谓近地卫星指的是卫星的半径等于地球的半径，卫星做匀速圆周运动的向心力是万有引力。 它的运行速度为第一宇宙速度，也是卫星的最大绕行速度。 （2）同步卫星：指在赤道平面内，以和地球自转角速度相同的角速度绕地球运动的卫星，同步卫星又叫通讯卫星，同步卫星有以下几个特点： ①周期一定：同步卫星在赤道上空相对地球静止，它绕地球的运动与地球自转同步，它的运动周期就等于地球自转的周期，即T=24h。 ②角速度一定：同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度。 ③轨道一定：由于同步卫星绕地球的运动与地球的自转同步，这就决定了同步卫星的轨道平面应与赤道平面平行。又由于同步卫星绕地球运动的向心力是地球对卫星的万有引力，这又决定了同步卫星做圆周运动的圆心为地心。所以，所有同步卫星的轨道必在赤道平面内。由于所有同步卫星的周期都相同，由知，所有同步卫星的轨道半径都相同，即同步卫星都在同一轨道上绕地球做匀速圆周运动，其轨道离地面的高度约为。 ④环绕速度大小一定：所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的，都是。 ⑤向心加速度大小一定：所有同步卫星由于到地心的距离相同，所以，它们绕地球运动的向心加速度大小都相同，约为。 （3）在赤道上随地球的自转做圆周运动的物体：在赤道上随地球的自转做匀速圆周运动的物体是地球的一部分，它不是地球的卫星，因此充当向心力的力是物体所受万有引力与重力之差。 总之，它们的角速度与地球自转的角速度相同为，运动半径等于地球的半径，线速度，向心加速度。三个匀速圆周运动的轨迹不是同一个圆，在处理过程中要仔细认真地加以区别。 3. 卫星的轨道 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，这类问题在中学物理中很少讨论。卫星绕地球沿圆轨道运动时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以，地心必然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。 4. 卫星中的超重与失重 （1）超重：发射时加速上升过程，再返回大气层时减速降落过程。 （2）失重：卫星进入轨道后，卫星本身和其中的人、物都处于完全失重状态。 （3）卫星中失效的物理仪器：凡工作条件或原理与重力有关的仪器都不能使用。 例如：天平、杆秤、密度计、水银气压计、摆钟等。 5. 卫星、飞船的变轨问题 在卫星的发射和回收时，都要对卫星或飞船的轨道进行调整，卫星在轨道上长时间运转，由于受到稀薄空气的阻力，轨道会发生微小的变化，为了提高卫星的稳定性，也需要调整卫星的轨道。变轨的方法是改变卫星或飞船的运行速率，即改变卫星的向心力，做万有引力不等于向心力，卫星就不再做匀速圆周运动。当万有引力大于向心力时，万有引力做正功，卫星做向心运动，卫星线速度增大，当万有引力小于向心力时，万有引力做负功，卫星线速度减小，卫星做离心运动。 【典型例题】 例1. 如图所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运动的三颗卫星，a和b的质量相等且小于c的质量，则（ ） A、b所需向心力最小 B、b、c的周期相同且大于a的周期 C、b、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度 D、b、c的线速度大小相等，且小于a