高三物理人造衛(wèi)星和宇宙速度

人造衛(wèi)星宇宙速度高考物理專題一.命題趨向與考點(diǎn)

衛(wèi)星問題貼近科技前沿，且與物理知識（如萬有引力定律、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、牛頓運(yùn)動(dòng)定律等）及地理知識有十分密切的相關(guān)性，以此為背景的高考命題立意高、情景新、綜合性強(qiáng)，對考生的理解能力、綜合分析能力、信息提煉處理能力及空間想象能力提出了極高的要求，是新高考突出學(xué)科內(nèi)及跨學(xué)科間綜合創(chuàng)新能力考查的命題熱點(diǎn)，亦是考生備考應(yīng)試的難點(diǎn).二.知識概要與方法

用M、m分別表示地球和衛(wèi)星的質(zhì)量，用R表示地球半徑，r表示人造衛(wèi)星的軌道半徑，可以得到：由此得出三個(gè)重要的結(jié)論：即衛(wèi)星離地心越遠(yuǎn)，它運(yùn)行的角速度越小。即衛(wèi)星離地心越遠(yuǎn)，它運(yùn)行的周期越長。即衛(wèi)星離地心越遠(yuǎn)，它運(yùn)行的速度越小。

在地球表面上的物體所受的萬有引力大小可以認(rèn)為和重力大小相等（萬有引力的另一個(gè)分力是使物體隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力，最多只占萬有引力的0.3%，計(jì)算中可以忽略）。因此有：

一、第一宇宙速度

人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的最小發(fā)射速度，叫做第一宇宙速度。當(dāng)v<v1時(shí)，物體落回地面；當(dāng)v>v1時(shí)，成為衛(wèi)星,軌道不再是圓。二、兩種最常見的衛(wèi)星（1）近地衛(wèi)星軌道半徑近似地可認(rèn)為等于地球半徑，速率v=7.9km/s，周期T=85min。在所有繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星中是線速度最大，周期最短。神舟六號飛船的運(yùn)行軌道離地面的高度為345km，線速度約7.6km/s，周期約90min。（2）同步衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星是相對地球表面靜止的穩(wěn)定運(yùn)行衛(wèi)星.(1)同步衛(wèi)星一定位于赤道的正上方，非同步人造地球衛(wèi)星其軌道平面可與地軸有任意夾角.(2)同步衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同.即T=24h;(3)軌道半徑為r=4.24×104km.其離地面高度h=5.6R=3.6×104km一定的.(4)線速度大小為v=ω0r=3.08×103m/s為定值，繞行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同即由西向東.

三顆同步衛(wèi)星反射信號可以覆蓋整個(gè)赤道

為了衛(wèi)星之間不互相干擾，大約30左右才能放置1顆，這樣地球的同步衛(wèi)星只能有120顆?？梢?，空間位置也是一種資源。同步衛(wèi)星:三、不同高度的衛(wèi)星由式

可知,在所有繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星中，離地面越高的衛(wèi)星，軌道半徑越大、線速度越小、周期越大。四、關(guān)于第二、第三宇宙速度

當(dāng)物體的速度大于或等于11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的吸引，不再繞地球運(yùn)行。把這個(gè)速度叫第二宇宙速度。達(dá)到第二宇宙速度的還受到太陽的引力。

V1=7.9km/s地球11.2km/s>v>7.9km/sV2=11.2km/sV3=16.7km/s如果物體的速度等于或大于16.7km/s，物體就擺脫了太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙空間去。這個(gè)速度叫第三宇宙速度?！昂诙础爆F(xiàn)象

任何星球都有這樣的“第二宇宙速度”,若某星球的第二宇宙速度超過光速c，則任何物體都無法擺脫該星球的引力，從宇宙的其他部分看來，它就象是消失了一樣，這就是所謂的“黑洞”。例1

這是我國發(fā)射的繞月運(yùn)行的探月衛(wèi)星“嫦娥1號”。設(shè)該衛(wèi)星的軌道是圓形的，且貼近月球表面。己知月球的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的1/81。月球的半徑約為地球半徑的1/4，地球上的第一宇宙速度約為7.9km/s,則該探月衛(wèi)星繞月運(yùn)行的速率約為（）A.0.4km/sB.1.8km/sC.11km/sD.36km/sB專題訓(xùn)練例21990年4月7日中國首次成功發(fā)射商用衛(wèi)星“亞洲一號”，關(guān)于“亞洲一號”地球同步通訊衛(wèi)星的說法，正確的是()A．若其質(zhì)量加倍，則軌道半徑也要加倍B．它在北京上空運(yùn)行，故可用于我國的電視廣播C．它以第一宇宙速度運(yùn)行D．它運(yùn)行的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同A、D專題訓(xùn)練例3己知一顆近地衛(wèi)星的周期為5100s,今要發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星,它的離地高度為地球半徑的多少倍?解析:對于己知的近地衛(wèi)星,依據(jù)萬有引力提供的向心力,有

而對于地球的同步衛(wèi)星,由于其周期等于地球自轉(zhuǎn)周期,有

①②兩式相除有,即代數(shù)據(jù),T1=5100s,T2=24ⅹ3600s,得

即地球同步衛(wèi)星距地面高度是地球半徑的5.6倍.①②專題訓(xùn)練

例4

已知物體從地球上的逃逸速度(第二宇宙速度)v2=其中G、m、R分別是引力常量、地球的質(zhì)量和半徑.已知G=6.67×10-11N·m2/kg2,c=2.9979×108m/s.

求下列問題:（1）逃逸速度大于真空中光速的天體叫作黑洞，設(shè)某黑洞的質(zhì)量等于太陽的質(zhì)量m=1.98×1030kg，求它的可能最大半徑；（2）在目前天文觀測范圍內(nèi)，物質(zhì)的平均密度為10-27kg/m3，如果認(rèn)為我們的宇宙是這樣一個(gè)均勻大球體，其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的速度c，因此任何物體都不能脫離宇宙，問宇宙的半徑至少多大？專題訓(xùn)練解:（1）任何天體均存在其所對應(yīng)的逃逸速度其中m、R為天體的質(zhì)量和半徑.對于黑洞模型來說，其逃逸速度大于真空中的光速，即v2＞c，所以（2）把宇宙視為普通天體，則其質(zhì)量m=ρ·V=ρ·4πR3/3其中R

為宇宙的半徑，ρ為宇宙的密度，則宇宙的逃逸速度為由于宇宙密度使得其逃逸速度大于光速c，即v2＞c,則由以上三式可得專題訓(xùn)練五、小結(jié):

衛(wèi)星環(huán)繞運(yùn)動(dòng)問題，是牛頓運(yùn)動(dòng)定律在圓周運(yùn)動(dòng)上的應(yīng)用是高考熱點(diǎn).

高考除了考查對它們的基本理解和應(yīng)用外,還著重考查公式的變形能力.考生應(yīng)試失誤的原因主要表現(xiàn)在：（1）對衛(wèi)星運(yùn)行的過程及遵循的規(guī)律認(rèn)識不清，理解不透，難以建立清晰的物理情景.（2）對衛(wèi)星運(yùn)行中力與運(yùn)動(dòng)量間，能量轉(zhuǎn)化間的關(guān)系難以明晰，對諸多公式含義模糊不清.謝謝優(yōu)游總代

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杏彩總代vag60wdv拿出來耿老爹托他帶的書信，說：“耿兄弟托俺捎書信回來。他和娃娃們都很好，叫你放心！”郭氏剛接過書信，耿蘭和妞兒就喘著氣跑回來了。劉氏提著半籃子水果，裴氏抱著一顆西瓜也緊跟著進(jìn)了堂屋。郭氏說：“俺這里西瓜和水果多著呢！你們看俺，都不曉得怎么招待這位張大哥了！”郭氏說著，把書信放在桌子上就要去切西瓜洗水果。耿蘭趕快踮起腳，伸出小手把書信摸到了手里。只見她把書信拿下來之后，先是雙手捧在面前仔細(xì)地看了看，然后又努起小嘴兒親一親，讓張老鄉(xiāng)看著眼眶直發(fā)熱。他伸手?jǐn)r住準(zhǔn)備切西瓜洗水果的郭氏，說：“弟妹別忙，你聽俺說話。這個(gè)女娃就是耿蘭了？和她姐姐長得可真像哇！”“你見著她姐姐和哥哥們了？”“見著了，都見著了。這樣吧，耿兄弟還惦念著他的老岳父和老岳母呢！要不咱們?nèi)ダ先思夷抢镌偌?xì)說？”“好好好，咱們?nèi)?，咱們?nèi)?。俺爹娘也老在念叨他們呢！”大家出來，郭氏鎖了院門兒。耿蘭拿著爹爹捎回來的書信，蹦蹦跳跳往姥娘家去了。郭氏回頭對劉氏和裴氏說：“那俺們先去俺娘家啦！”妞兒也要跟著去，被劉氏拉住了，說：“俺們和你爹，你哥哥他們一會(huì)兒再去！”劉氏和裴氏站在路邊高興地?fù)]手道別。劉氏說：“俺們大家一會(huì)子都過去和這位張大哥敘話??！”裴氏說：“你們快去哇，俺們大家伙兒吃罷飯?jiān)偃⒃?！這位張大哥，真是辛苦了呢！”很快就到郭氏娘家了。耿蘭一跑進(jìn)姥娘家的院門兒就高舉著爹爹捎回來的書信喊起來：“姥娘姥爺，俺爹捎書信回來啦！”兩位老人正在院子里翻曬糧食，猛然間聽到耿蘭高興的喊叫聲，倒不知道說什么好了。倆老人都愣愣地停下手來，幾乎同時(shí)脫口問道：“什么？你爹捎書信回來啦？”耿蘭把書信舉到姥爺?shù)拿媲?，撒著嬌說：“姥爺，你快讀給俺聽嘛！”郭氏和張老鄉(xiāng)也進(jìn)來了。郭氏強(qiáng)忍著激動(dòng)，聲音顫抖地說：“爹，娘，這位張大哥捎回書信來了！”張老鄉(xiāng)趕忙拱手施禮，說：“大伯大嬸好！耿兄弟在外，很惦念二位老人家呢?！贝蠹颐Σ坏匕褟埨相l(xiāng)讓到屋里坐下。郭氏娘高興地有些語無倫次了，嘴里直說：“哎呀，這，這，真辛苦這位大侄子了快，鍋里有新熬的綠豆湯，俺給你盛一碗喝哇。別看這，已經(jīng)中秋時(shí)節(jié)了，但