新課標2018高考物理一輪復習第五章萬有引力與航天第2講人造衛(wèi)星與宇宙航行課件

1、物理課標版第2講人造衛(wèi)星與宇宙航行考點一人造衛(wèi)星運行特征分析考點一人造衛(wèi)星運行特征分析1.人造衛(wèi)星的動力學特征萬有引力提供向心力,即G=m=mr2=m()2r2.人造衛(wèi)星的運動學特征(1)線速度v:由G=m得v=,隨著軌道半徑的增加,衛(wèi)星的線速度減小。(2)角速度:由G=m2r得=,隨著軌道半徑的增加,衛(wèi)星的角2Mmr2vr2T2Mmr2vrGMr2Mmr3GMr速度減小。(3)周期T:由G=mr,得T=2,隨著軌道半徑的增加,衛(wèi)星的周期增大。2Mmr224T3rGM1.衛(wèi)星的環(huán)繞半徑r與相應軌道上的線速度 v、角速度 、周期T、向心加速度a存在一一對應關(guān)系,一旦r確定,則 v、T、a皆確定,

2、與衛(wèi)星的質(zhì)量m無關(guān)。2.對于環(huán)繞地球運動的衛(wèi)星,若半徑r增大,其周期T變大,線速度v、角速度、向心加速度a變小;若半徑r減小,其周期T變小,線速度v、角速度、向心加速度a變大。3.同一顆衛(wèi)星,軌道半徑越大,動能越小,勢能越大,機械能越大。1-1 (2016四川理綜,3,6分)國務院批復,自2016年起將4月24日設(shè)立為“中國航天日”。1970年4月24日我國首次成功發(fā)射的人造衛(wèi)星東方紅一號,目前仍然在橢圓軌道上運行,其軌道近地點高度約為440 km,遠地點高度約為2 060 km;1984年4月8日成功發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星運行在赤道上空35 786 km的地球同步軌道上。設(shè)東方紅一號在遠地點的

3、加速度為a1,東方紅二號的加速度為a2,固定在地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的加速度為a3,則a1、a2、a3的大小關(guān)系為()A.a2a1a3 B.a3a2a1C.a3a1a2 D.a1a2a3答案答案 D對于東方紅一號與東方紅二號,由G=ma得:a=,由此式可知半徑r越大,加速度a越小,則a1a2。對于地球同步衛(wèi)星東方紅二號和地球赤道上的物體,由a=2r=r可知周期相同時,半徑r越大,加2Mmr2GMr22T速度a越大,則a2a3。綜上可見,a1a2a3,故D正確。1-2 (2016江蘇單科,7,4分)(多選)如圖所示,兩質(zhì)量相等的衛(wèi)星A、B繞地球做勻速圓周運動,用R、T、Ek、S分別表示衛(wèi)星的

4、軌道半徑、周期、動能、與地心連線在單位時間內(nèi)掃過的面積。下列關(guān)系式正確的有()A.TATB B.EkAEkBC.SA=SB D. =32AART32BBRT答案答案 AD衛(wèi)星做勻速圓周運動時有=m=mR2=mR,則T=2,故TATB,=,A、D皆正確;Ek=mv2=,故EkAa3a1 B.a2a1a3C.a3a1a2 D.a3a2a1答案答案 D地球同步衛(wèi)星受月球引力可以忽略不計,表明地球同步衛(wèi)星距離月球要比空間站距離月球更遠,則地球同步衛(wèi)星軌道半徑r3、空間站軌道半徑r1、月球軌道半徑r2之間的關(guān)系為r2r1r3,由=ma知,a3=,a2=,所以a3a2;由題意知空間站與月球周期相等,由ma

5、=m()2r知,a1=r1,a2=r2,所以a2a1。因此a3a2a1,D正確。2GMmr23GMr22GMr2T22T22T2-3 (2016江西南昌一模,18)火星被認為是太陽系中最有可能存在地外生命的行星,對人類來說充滿著神奇,為了更進一步探究火星,發(fā)射一顆火星的同步衛(wèi)星。已知火星的質(zhì)量為地球質(zhì)量的p倍,火星自轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同均為T,地球表面的重力加速度為g,地球的半徑為R,則火星的同步衛(wèi)星距球心的距離為()A.r= B.r=C.r= D.r=答案答案 C由黃金代換式有GM地=gR2,又知M火=pM地,則GM火=pgR2,對火星的同步衛(wèi)星有=mr,解得r=,C項正確。22324g

6、R Tp2324gRT p22324pgR T2324gRTp2GM mr火22T22324pgR T方法指導方法指導地球赤道上的物體與近地圓軌道衛(wèi)星的軌道半徑相同,受力不同;赤道上的物體與同步軌道衛(wèi)星周期相同,軌道半徑不同,受力不同;近地圓軌道衛(wèi)星與同步軌道衛(wèi)星受力性質(zhì)相同,半徑不同。在此基礎(chǔ)上要理解并記住以下結(jié)論:1.軌道半徑:近地衛(wèi)星與赤道上物體的軌道半徑近似相同,同步衛(wèi)星的軌道半徑較大。r同r近=r赤。2.運行周期:同步衛(wèi)星與赤道上物體的運行周期相同。由T=2可知,近地衛(wèi)星的周期要小于同步衛(wèi)星的周期。T近a同a赤。4.動力學規(guī)律:近地衛(wèi)星和同步衛(wèi)星都只受到萬有引力作用,由萬有引力充當向

7、心力。滿足萬有引力充當向心力所決定的天體運行規(guī)律。赤道上的物體由萬有引力和地面支持力的合力充當向心力(或說成萬有引3rGM2Mmr2GMr22T力的分力充當向心力),它的運動規(guī)律不同于衛(wèi)星的運動規(guī)律?？键c三衛(wèi)星考點三衛(wèi)星( (飛船、探測器飛船、探測器) )的發(fā)射宇宙速度的發(fā)射宇宙速度三個宇宙速度(1)第一宇宙速度(環(huán)繞速度):v1=7.9 km/s,是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度,也是人造地球衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度。(2)第二宇宙速度(脫離速度):v2=11.2 km/s,是物體掙脫地球的引力束縛需要的最小發(fā)射速度。(3)第三宇宙速度(逃逸速度):v3=16.7 km/s,是物體掙脫太陽的引力束縛需

8、要的最小發(fā)射速度。(1)第一宇宙速度是地球人造衛(wèi)星最小的環(huán)繞速度。()(2)每顆星球的第一宇宙速度都是相同的。()(3)“嫦娥三號”探測器的發(fā)射速度要大于第二宇宙速度。()(4)火星探測器“好奇號”的發(fā)射速度要大于第二宇宙速度。()答案答案(1)(2)(3)(4)1.運行速度與發(fā)射速度的區(qū)別對于人造地球衛(wèi)星,由G=m,得v=,該速度指的是人造地球衛(wèi)星在軌道上的運行速度,其大小隨軌道半徑的增大而減小。但由于人造地球衛(wèi)星發(fā)射過程中要克服地球引力做功,增大勢能,且衛(wèi)星在半徑較大的軌道與在半徑較小的軌道上正常運行時相比,增大的勢能大于減小的動能,所以衛(wèi)星在半徑較大的軌道上運行時具有的機械能較大,所以將

9、衛(wèi)星發(fā)射到離地球越遠的軌道上,在地面所需要的發(fā)射速度越大。2Mmr2vrGMr2.宇宙速度的理解(1)第一宇宙速度(環(huán)繞速度):人造地球衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動必須具有的速度叫第一宇宙速度,又稱環(huán)繞速度。mg=G=m(R為地球半徑),所以v1=或v1=7.9 km/s,是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度,也是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最大速度。(2)第二宇宙速度(脫離速度):v2=11.2 km/s,使物體掙脫地球引力束縛的最小發(fā)射速度。2MmR21vRGMRgR(3)第三宇宙速度(逃逸速度):v3=16.7 km/s,使物體掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度。(4)平常說的三個宇宙速度

10、都是相對地球而言的,其他星球的宇宙速度數(shù)值與地球的不相同,但可進行類比分析和計算。3-1 (2015四川理綜,5,6分)登上火星是人類的夢想,“嫦娥之父”歐陽自遠透露:中國計劃于2020年登陸火星。地球和火星公轉(zhuǎn)視為勻速圓周運動,忽略行星自轉(zhuǎn)影響。根據(jù)下表,火星和地球相比()行星半徑/m質(zhì)量/kg軌道半徑/m地球6.41066.010241.51011火星3.41066.410232.31011A.火星的公轉(zhuǎn)周期較小B.火星做圓周運動的加速度較小C.火星表面的重力加速度較大D.火星的第一宇宙速度較大答案答案 B設(shè)太陽質(zhì)量為M,行星質(zhì)量為m,太陽對行星的引力提供行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力,

11、=m()2r,解得T=2,由于r火r地,所以T火T地,A錯誤;由=ma得行星繞太陽做勻速圓周運動的加速度a=,a火g火,第一宇宙速度v=,代入數(shù)據(jù),v地v火,C、D錯誤。2GMmr2T3rGM2GMmr2GMr2GmRGmR3-2 (2016陜西安康二調(diào),16)某行星的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的,半徑約為地球半徑的,那么在此行星上的“第一宇宙速度”與地球上的第一宇宙速度之比為()A.2 1 B.1 2C.1 4 D.4 1答案答案 A設(shè)地球質(zhì)量為M,地球半徑為R,由=m,可知地球上的第一宇宙速度v地=,同理,得行星上的第一宇宙速度v行=2,所以v行 v地=2 1,則A正確,B、C、D錯誤。12182G

12、MmR2vRGMR1218GMRGMR考點四衛(wèi)星考點四衛(wèi)星( (飛船、探測器飛船、探測器) )的變軌、對接、回收的變軌、對接、回收人造地球衛(wèi)星發(fā)射過程要經(jīng)過多次變軌,如圖所示,我們從以下幾個方面討論。1.圓軌道上的穩(wěn)定運行G=m=mr2=mr()22Mmr2vr2T2.變軌原理及過程(1)為了節(jié)省能量,在赤道上順著地球自轉(zhuǎn)方向發(fā)射衛(wèi)星到圓軌道上。(2)在A點點火加速,由于速度變大,萬有引力不足以提供衛(wèi)星在軌道 上做圓周運動的向心力,衛(wèi)星做離心運動進入橢圓軌道 。(3)在B點(遠地點)再次點火加速進入圓軌道。變軌運行分析(1)當衛(wèi)星的速度突然增大時,所需向心力F=m增大,則萬有引力不足以提供所需

13、的向心力,衛(wèi)星將做離心運動,脫離原來的圓軌道,軌道半徑2vr變大,但衛(wèi)星一旦進入新的軌道運行,由v=知其運行速度要減小,但重力勢能、機械能均增加。(2)當衛(wèi)星的速度突然減小時,所需向心力F=減小,則萬有引力大于衛(wèi)星所需的向心力,因此衛(wèi)星將做向心運動,同樣會脫離原來的圓軌道,軌道半徑變小,進入新軌道運行時,由v=知運行速度將增大,但重力勢能、機械能均減少。衛(wèi)星(飛船、探測器)的發(fā)射、對接和回收就是利用了上述原理。GMr2mvrGMr4-1 (2016天津理綜,3,6分)我國即將發(fā)射“天宮二號”空間實驗室,之后發(fā)射“神舟十一號”飛船與“天宮二號”對接。假設(shè)“天宮二號”與“神舟十一號”都圍繞地球做勻

14、速圓周運動,為了實現(xiàn)飛船與空間實驗室的對接,下列措施可行的是()A.使飛船與空間實驗室在同一軌道上運行,然后飛船加速追上空間實驗室實現(xiàn)對接B.使飛船與空間實驗室在同一軌道上運行,然后空間實驗室減速等待飛船實現(xiàn)對接C.飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上加速,加速后飛船逐漸靠近空間實驗室,兩者速度接近時實現(xiàn)對接D.飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上減速,減速后飛船逐漸靠近空間實驗室,兩者速度接近時實現(xiàn)對接答案答案 C對于繞地球做圓周運動的人造天體,由=m,有v=,可見v與r是一一對應的。在同一軌道上運行速度相同,不能對接;而從同一軌道上加速或減速時由于發(fā)生變軌,二者不能處于同一軌道上,亦不能對接,

15、A、B皆錯誤。飛船處于半徑較小的軌道上,要實現(xiàn)2GMmr2vrGMr1r對接,需增大飛船的軌道半徑,飛船加速,飛船所需的向心力大于萬有引力做離心運動,則軌道半徑變大,飛船逐漸靠近空間實驗室,兩者速度接近時進行對接,C正確,D錯誤。4-2 (2015課標,21,6分)(多選)我國發(fā)射的“嫦娥三號”登月探測器靠近月球后,先在月球表面附近的近似圓軌道上繞月運行;然后經(jīng)過一系列過程,在離月面4 m高處做一次懸停(可認為是相對于月球靜止);最后關(guān)閉發(fā)動機,探測器自由下落。已知探測器的質(zhì)量約為1.3103 kg,地球質(zhì)量約為月球的81倍,地球半徑約為月球的3.7倍,地球表面的重力加速度大小約為9.8 m/

16、s2。則此探測器()A.在著陸前的瞬間,速度大小約為8.9 m/sB.懸停時受到的反沖作用力約為2103 NC.從離開近月圓軌道到著陸這段時間內(nèi),機械能守恒D.在近月圓軌道上運行的線速度小于人造衛(wèi)星在近地圓軌道上運行的線速度答案答案 BD月球表面重力加速度大小g月=G=G=g地=1.66 m/s2,則探測器在月球表面著陸前的速度大小vt=3.6 m/s,A項錯;懸停時受到的反沖作用力F=mg月=2103 N,B項正確;從離開近月圓軌道到著陸過程中,有發(fā)動機工作階段,故機械能不守恒,C項錯;在近月圓軌道上運行的線速度v月=v1,在B點加速,則v3vB,又因v1v3,故有vAv1v3vB。(2)加

17、速度:因為在A點,衛(wèi)星只受到萬有引力作用,故不論從軌道還是軌道上經(jīng)過A點,衛(wèi)星的加速度都相同,同理,經(jīng)過B點加速度也相同。(3)周期:設(shè)衛(wèi)星在、軌道上運行周期分別為T1、T2、T3,軌道半徑分別為r1、r2(半長軸)、r3,r1r2r3,由開普勒第三定律=k可知T1T2T3。32rT考點五衛(wèi)星考點五衛(wèi)星( (飛船、探測器飛船、探測器) )的超重、失重的超重、失重1.“超重”:衛(wèi)星進入軌道前的加速過程,衛(wèi)星上物體“超重”,此種情況與“升降機”中物體超重相同。2.“失重”:衛(wèi)星進入軌道后,正常運轉(zhuǎn),衛(wèi)星上物體完全“失重”,因此,在衛(wèi)星上的儀器,凡是制造原理與重力有關(guān)的均不能使用。衛(wèi)星進入軌道后其所

18、受“重力”(萬有引力)完全提供向心力,衛(wèi)星處于完全失重狀態(tài)。5-1下列說法正確的是()A.繞地球做勻速圓周運動的宇宙飛船,其速度可能大于 7.9 km/sB.在繞地球做勻速圓周運動的宇宙飛船中,一細線一端固定,另一端系一小球,小球可以在以固定點為圓心的平面內(nèi)做勻速圓周運動C.人造地球衛(wèi)星返回地球并安全著陸的過程中一直處于失重狀態(tài)D.嫦娥三號在月球上著陸的過程中可以用降落傘減速答案答案 B地球的第一宇宙速度也是近地衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度,故繞地球做勻速圓周運動的宇宙飛船的速度不可能大于7.9 km/s,A項錯;在繞地球做勻速圓周運動的飛船中,小球處于完全失重狀態(tài),當拉力提供小球做圓周運動的向心力時,拉力只改變速度方向,不改變速度大小,小球可以做勻速圓周運動,B項正確;人造地球衛(wèi)星返回地球并安全著陸過程中有一段時間做減速運動,加速度方向向上,處于超重狀態(tài),C項錯;在月球上沒有空氣,故不可以用降落傘減速,D項錯。5-2(多選)2012年6月18日,神舟九號飛船與天宮一號目標飛行器在離地面343 km的近圓形軌道上成功進行了我國首次載人空間交會對接。對接軌道所處的空間存在極其稀薄的大氣。下列說法正確的是( )A.為實現(xiàn)對接,兩者運行速度的大小都應介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之間B.如不加干預,在運行一段時間后,天宮一號的動能可能會增加C.如不加干預,天宮一號的軌道高度將緩慢降低D.