第4節(jié) 人造衛(wèi)星 宇宙速度

第4節(jié)人造衛(wèi)星宇宙速度核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)

物理觀念(1)知道三個(gè)宇宙速度的含義。(2)知道同步衛(wèi)星和其他衛(wèi)星的區(qū)別。(3)了解發(fā)射速度與環(huán)繞速度的區(qū)別和聯(lián)系?？茖W(xué)思維(1)會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。(2)會(huì)分析人造地球衛(wèi)星的受力和運(yùn)動(dòng)情況，并能解決涉及人造地球衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任了解宇宙航行的歷程和進(jìn)展，感受人類(lèi)對(duì)客觀世界不斷探究的精神和情感。一、從幻想到現(xiàn)實(shí)——人造衛(wèi)星1．1895年，俄國(guó)宇航先驅(qū)

率先提出了制造并發(fā)射人造地球衛(wèi)星的設(shè)想。2．1957年10月4日，蘇聯(lián)將第一顆

送入環(huán)繞地球的軌道。二、宇宙速度1．對(duì)第一宇宙速度的理解：

第一宇宙速度是在地面上發(fā)射衛(wèi)星的

速度，等于衛(wèi)星圍繞

做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度。齊奧爾科夫斯基人造衛(wèi)星最小地球表面7.911.216.71.牛頓設(shè)想，如圖所示把物體從高山上水平拋出，當(dāng)速度足夠大時(shí)

物體不再落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。請(qǐng)對(duì)以下結(jié)論作出判斷：(1)若物體的初速度v＝7.9km/s時(shí)，物體將繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

()(2)若物體的初速度v＞11.2km/s，物體將繞地球做橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。

()(3)若物體的初速度v＞16.7km/s，物體將掙脫地球的束縛。

()(4)若物體的初速度滿(mǎn)足7.9km/s＜v＜11.2km/s，物體將繞地球做橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。

()(5)發(fā)射同步衛(wèi)星的最小發(fā)射速度為7.9km/s。

()√××√×2.我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射的第45顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星屬地球靜止軌道衛(wèi)星。請(qǐng)對(duì)以下結(jié)論作出判斷：(1)該衛(wèi)星可以定點(diǎn)在北京市的正上方。

()(2)該衛(wèi)星運(yùn)行的速度小于第一宇宙速度。

()(3)該衛(wèi)星只能定點(diǎn)在赤道平面內(nèi)。

()(4)該衛(wèi)星的運(yùn)行周期為24h。

()(5)該衛(wèi)星與同軌道上的其他衛(wèi)星具有相同的質(zhì)量。

()×√√√×(2)意義：①第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度。

②第一宇宙速度也是人造衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大環(huán)繞速度。(3)對(duì)“最小發(fā)射速度”與“最大環(huán)繞速度”的理解

①“最小發(fā)射速度”：向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，因?yàn)榘l(fā)射衛(wèi)星要克服地球?qū)λ囊?。近地軌道是人造衛(wèi)星的最低運(yùn)行軌道，而近地軌道的發(fā)射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度。[針對(duì)訓(xùn)練]1．若取地球的第一宇宙速度為8km/s，某行星質(zhì)量是地球的6倍，半徑是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度為 (

)A．16km/s

B．32km/sC．4km/sD．2km/s3．我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)一號(hào)”。已知火星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的10%，半徑約為地球半徑的50%，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．火星探測(cè)器的發(fā)射速度應(yīng)大于地球的第二宇宙速度B．火星探測(cè)器的發(fā)射速度應(yīng)介于地球的第一和第二宇宙速度之間C．火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度D．火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度新知學(xué)習(xí)(二)|人造地球衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)分析[重點(diǎn)釋解]1．人造地球衛(wèi)星的軌道

由于衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有

引力提供，故衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心必與地心重合，

其運(yùn)行軌道可分為如下三類(lèi)(如圖所示)：(1)赤道軌道：衛(wèi)星的軌道與赤道共面，衛(wèi)星始終處于赤道正上方。(2)極地軌道：衛(wèi)星的軌道與赤道平面垂直，衛(wèi)星經(jīng)過(guò)兩極上空。(3)任意軌道：衛(wèi)星的軌道與赤道平面成某一角度θ(0＜θ＜90°)。[典例體驗(yàn)][典例1]

(多選)如圖所示的三顆人造地球衛(wèi)星，則下列說(shuō)法正確的是(

)A．衛(wèi)星可能的軌道為a、b、cB．衛(wèi)星可能的軌道為a、cC．靜止軌道衛(wèi)星可能的軌道為a、cD．靜止軌道衛(wèi)星可能的軌道為a[解析]

衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)，也可以和赤道平面垂直，還可以和赤道平面成任一角度。但是由于地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力提供了衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的向心力，所以，地心必須是衛(wèi)星圓軌道的圓心，因此衛(wèi)星可能的軌道一定不會(huì)是b。靜止軌道衛(wèi)星只能位于赤道的正上方，所以靜止軌道衛(wèi)星可能的軌道為a。[答案]

BD/方法技巧/地球靜止軌道衛(wèi)星的六個(gè)“一定”[針對(duì)訓(xùn)練]1．(多選)如圖中的四種虛線(xiàn)軌跡，可能是人造地球衛(wèi)星軌道的是

(

)解析：人造地球衛(wèi)星靠地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力提供向心力而繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力方向指向地心，所以人造地球衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心是地心，否則不能做穩(wěn)定的圓周運(yùn)動(dòng)，故A、C、D正確，B錯(cuò)誤。答案：ACD

2．北斗問(wèn)天，國(guó)之夙愿。我國(guó)北斗三號(hào)系統(tǒng)的收官之星是地球靜止軌道衛(wèi)星，其軌道半徑約為地球半徑的7倍。與近地軌道衛(wèi)星相比，地球靜止軌道衛(wèi)星

(

)A．周期大 B．線(xiàn)速度大C．角速度大 D．加速度大新知學(xué)習(xí)(三)|衛(wèi)星變軌問(wèn)題[典例體驗(yàn)][典例]

(2023·海南高考)(多選)如圖所示，1、2軌道分別是天宮二號(hào)飛船在變軌前、后的軌道，下列說(shuō)法正確的是(

)A．飛船從1軌道變到2軌道要點(diǎn)火加速B．飛船在1軌道的周期大于2軌道的C．飛船在1軌道的速度大于2軌道的D．飛船在1軌道的加速度大于2軌道的[答案]

ACD[針對(duì)訓(xùn)練]1. 新型“長(zhǎng)征”運(yùn)載火箭，將重達(dá)8.4t的“神舟”號(hào)飛船向

上送至近地軌道1(如圖所示)。飛船與火箭分離后，在軌

道1上以速度7.2km/s繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則

(

)A．飛船在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率B．飛船在軌道3上的角速度大于在軌道1上的角速度C．飛船在軌道1上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)的加速度D．飛船從軌道1進(jìn)入軌道2必須要加速2.(多選)繼“天宮一號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室之后，我國(guó)又發(fā)射“神舟八號(hào)”

無(wú)人飛船，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示。假設(shè)“天宮一號(hào)”繞地球

做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為r，周期為T(mén)，萬(wàn)有引力常量為G。則下

列說(shuō)法正確的是

(

)A．在遠(yuǎn)地點(diǎn)P處，“神舟八號(hào)”的加速度與“天宮一號(hào)”的加速度大小相等B．根據(jù)題中條件可以計(jì)算出地球的質(zhì)量C．根據(jù)題中條件可以計(jì)算出地球?qū)Α疤鞂m一號(hào)”的引力大小D．要實(shí)現(xiàn)“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”在遠(yuǎn)地點(diǎn)P處對(duì)接，“神舟八號(hào)”需

在靠近P處點(diǎn)火減速一、好素材分享

——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——人造衛(wèi)星1．(選自魯科版新教材“科學(xué)書(shū)屋”)人造衛(wèi)星是人類(lèi)的“千里眼”和“順風(fēng)耳”。人造衛(wèi)星種類(lèi)很多、用途各異，有科學(xué)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星(右圖)、地球資源衛(wèi)星、環(huán)境檢測(cè)衛(wèi)星和照相偵察衛(wèi)星等，衛(wèi)星上的照相機(jī)和雷達(dá)等設(shè)備可以幫助人們看得更遠(yuǎn)、更深入。衛(wèi)星上的接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器可以幫助人們接收和轉(zhuǎn)發(fā)信息。例如，通信衛(wèi)星可以把相距遙遠(yuǎn)的兩地連接起來(lái)，即使是邊遠(yuǎn)地區(qū)也可以進(jìn)入通信網(wǎng)絡(luò)。尤其是靜止通信衛(wèi)星(也叫地球同步衛(wèi)星)，為人類(lèi)通信帶來(lái)了極大方便。靜止通信衛(wèi)星繞地球運(yùn)行一周的時(shí)間和地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間相同，在地球上觀察，赤道上方與地球同步運(yùn)行的通信衛(wèi)星總是靜止不動(dòng)的。從理論上來(lái)說(shuō)，發(fā)射三顆等距分布在地球同步軌道上的靜止通信衛(wèi)星就幾乎可以實(shí)現(xiàn)全球通信了。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，運(yùn)用物理學(xué)知識(shí)，寫(xiě)出該同學(xué)可能會(huì)質(zhì)疑的內(nèi)容與推導(dǎo)判斷過(guò)程。二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1．(2022·湖北高考)2022年5月，我國(guó)成功完成了天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站的對(duì)接，形成的組合體在地球引力作用下繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，周期約90分鐘。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．組合體中的貨物處于超重狀態(tài)B．組合體的速度大小略大于第一宇宙速度C．組合體的角速度大小比地球同步衛(wèi)星的大D．組合體的加速度大小比地球同步衛(wèi)星的小答案：C2. 我國(guó)發(fā)射的“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室繞地球運(yùn)行軌道比“天宮一號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室繞地球運(yùn)行軌道高約50km，假設(shè)“天宮二號(hào)”和“天宮一號(hào)”均繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。則

(

)A．“天宮二號(hào)”繞地球運(yùn)行的線(xiàn)速度比“天宮一號(hào)”繞地球運(yùn)行