宇宙航行之五大專題課件高一下學(xué)期物理人教版

7.4.2宇宙航行

之五大專題復(fù)習(xí)回顧：1、第一宇宙速度是多大？如何計算第一宇宙速度?2、第二宇宙速度是多大？3、第三宇宙速度是多大？4、人造衛(wèi)星對軌道有什么要求？5、什么是近地衛(wèi)星？近地衛(wèi)星的線速度和周期分別是多少？6、什么是同步衛(wèi)星？它有哪些特點？7、幾顆同步衛(wèi)星可以覆蓋全球？專題一、衛(wèi)星的追及相遇問題在天體運動的問題中，我們常遇到一些這樣的問題。比如，A、B兩天體都繞同一中心天體做圓周運動，某時刻A、B相距最近，問A、B下一次相距最近或最遠需要多少時間？或“至少”需要多少時間等。AB當(dāng)A、B與中心天體O連成一條直線時：ABAB【模型講解】

②A、B異側(cè)，則相距最遠①A、B同側(cè)，則相距最近（相遇）OO1:相距最近如圖，兩天體的運轉(zhuǎn)方向相同，且位于和中心連線半徑的同側(cè)，此時兩天體相距最近。求經(jīng)過多長時間t二者會再次相距最近？AB設(shè)處于內(nèi)軌道的A天體周期為T1，處于外軌道的B天體周期為T2，當(dāng)t滿足下列式子時二者相距最近：或2:相距最遠如圖，兩天體的運轉(zhuǎn)方向相同，且位于和中心連線半徑的同側(cè)，此時兩天體相距最近。求經(jīng)過多長時間t二者會再次相距最遠？AB設(shè)處于內(nèi)軌道的A天體周期為T1，處于外軌道的B天體周期為T2，當(dāng)t滿足下列式子時二者相距最遠：或【例1】如圖4所示，有A、B兩顆行星繞同一顆恒星O做圓周運動，旋轉(zhuǎn)方向相同。A行星的周期為T1，B行星的周期為T2，在某一時刻兩行星相距最近，則：（）A.經(jīng)過時間t=T1+T2，兩行星再次相距最近B.經(jīng)過時間，兩行星再次相距最近C.經(jīng)過時間，兩行星相距最遠D.經(jīng)過時間，兩行星相距最遠BD例2、如圖所示，我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中，衛(wèi)星A與衛(wèi)星B在同一軌道平面內(nèi)均繞地心O做逆時針方向的勻速圓周運動。若衛(wèi)星A的運動周期為T，衛(wèi)星B的軌道半徑為衛(wèi)星A軌道半徑的2倍。從某次衛(wèi)星A、B距離最近時開始計時，求：（1）衛(wèi)星B的運動周期；（2）經(jīng)歷多長時間，A、B第一次相距最遠；（3）O、A、B三者間第一次直角三角形經(jīng)歷的時間。（1）根據(jù)開普勒第三定律有解得，衛(wèi)星B的運動周期為（2）設(shè)經(jīng)過t時間，A、B第一次相距最遠，則有解得（3）由題意可知，當(dāng)

時，O、A、B三者第一次構(gòu)成直角三角形，此時，如下圖所示設(shè)經(jīng)過的時間為，則有解得BA★人造地球衛(wèi)星的超重與失重：

（1）發(fā)射和回收階段：衛(wèi)星發(fā)射加速上升的過程和衛(wèi)星回收進入大氣層減速下降的過程中，都具有向上的加速度，這時發(fā)生超重現(xiàn)象。發(fā)射加速上升超重回收減速下降超重

（2）沿圓軌道正常運行：衛(wèi)星進入圓軌道正常運行以后，只受重力，向心加速度為g，衛(wèi)星及衛(wèi)星上的任何物體都處于完全失重狀態(tài)。凡是應(yīng)用重力原理制成的儀器（天平、水銀氣壓計等）在衛(wèi)星中都不能正常使用，凡是與重力有關(guān)的實驗在衛(wèi)星中都無法進行。只受重力a=g完全失重與重力有關(guān)的現(xiàn)象全部消失天平彈簧秤測重力液體壓強計專題二、衛(wèi)星的變軌

由于技術(shù)上的需要，有時要在適當(dāng)?shù)奈恢枚虝r間啟動衛(wèi)星上的發(fā)動機，使衛(wèi)星的速度發(fā)生突變，讓其運行軌道發(fā)生改變，最終到達預(yù)定的目標(biāo)。衛(wèi)星繞天體運行時，提供的向心力與所需要的向心力關(guān)系決定著衛(wèi)星變軌問題衛(wèi)星做圓周運動提供的向心力需要的向心力rv2mGMmr2=衛(wèi)星做近心運動提供的向心力需要的向心力rv2mGMmr2＞衛(wèi)星做離心運動提供的向心力需要的向心力rv2mGMmr2＜VF引F引＜F向F引＞F向衛(wèi)星變軌原理MmA點速度—內(nèi)小外大（在A點看軌跡）在A點萬有引力相同A·思考：人造衛(wèi)星在低軌道上運行，要想讓其在高軌道上運行，應(yīng)采取什么措施？在低軌道上加速，使其沿橢圓軌道運行，當(dāng)行至橢圓軌道的遠點處時再次加速，即可使其沿高軌道運行。1、衛(wèi)星在二軌道相切點萬有引力相同速度—內(nèi)小外大（切點看軌跡）2、衛(wèi)星在橢圓軌道運行近地點---速度大，動能大遠地點---速度小，動能小vF引12R衛(wèi)星在圓軌道運行速度V1V2θ＞900減小v3F引L使衛(wèi)星進入更高軌道做圓周運動v3v4衛(wèi)星的回收——衛(wèi)星發(fā)射的相反過程小結(jié)衛(wèi)星變軌發(fā)射一般流程：PQⅢⅠⅡⅢ軌道（高軌道）Ⅰ軌道（低軌道或近地軌道）Ⅱ軌道

（橢圓軌道）地面發(fā)射PQⅢⅠⅡ想一想衛(wèi)星如何從圓軌道Ⅰ進入橢圓軌道Ⅱ，解釋原因？

萬有引力不夠提供向心力衛(wèi)星在P處向后噴氣（火）加速離心運動橢圓1、衛(wèi)星在軌道Ⅰ上經(jīng)過P點時的速度大小為vp1

與它在軌道Ⅱ上經(jīng)過P點時的速度大小為vp2，試比較二者大小關(guān)系？vp2>vp1(加速離心)2、在橢圓軌道上P點與Q點的速度大小相等嗎？vP2>vQ2（開普勒第二定律）3、衛(wèi)星在軌道Ⅱ上經(jīng)過Q點時的速度為大小vQ2

與它在軌道Ⅲ上經(jīng)過Q點時的速度大小為vQ3，試比較二者大小關(guān)系？PQⅢⅠⅡvQ3>vQ2（加速離心）4、在圓軌道上vp1與vQ3點的速度大小如何？vp1>vQ3（）5、比較衛(wèi)星在軌道Ⅰ上經(jīng)過P點時的加速度ap1，與它在軌道Ⅱ上經(jīng)過P點時的加速度ap2，在軌道Ⅱ上經(jīng)過Q點時的加速度aQ2，在軌道Ⅲ上經(jīng)過Q點時的加速度aQ3大小關(guān)系如何？PQⅢⅠⅡ理由：3.衛(wèi)星到達橢圓軌道與圓軌道的公切點時，衛(wèi)星受到的萬有引力相同，所以加速度相同。速度關(guān)系：加速度關(guān)系：

2.圓軌道與橢圓軌道的互變：（1）從低軌道來到高軌道，在軌道連接點需要加速；（2）衛(wèi)星的回收是發(fā)射的逆過程，從高軌道回到低軌道，在軌道連接點需要減速。總結(jié)

B

C

專題三、宇宙飛船的對接問題空間站實際上就是一個載有人的人造衛(wèi)星，那么，地球上的人如何到達空間站，空間站上的人又如何返回地面？這些活動都需要通過宇宙飛船（或航天飛機）來完成，這就存在一個宇宙飛船（或航天飛機）與空間站對接的問題。思考：能否把宇宙飛船先發(fā)射到空間站的同一軌道上，再通過加速去追上空間站實現(xiàn)對接呢？不行，因為飛船加速后做離心運動會偏離原來的圓軌道而無法與空間站對接。對接方案(1)低軌道飛船與高軌道空間站對接如圖甲所示,低軌道飛船通過合理加速,沿橢圓軌道(做離心運動)追上高軌道空間站,與其完成對接。(2)同一軌道飛船與空間站對接如圖乙所示,后面的飛船先減速降低運行高度,再加速提升運行高度,通過適當(dāng)控制,使飛船追

上空間站時恰好具有與其相同的速度。例5：在太空中有兩飛行器a、b，它們在繞地球的同一圓形軌道上同向運行，a在前b在后，它都配有能沿運動方向向前或向后噴氣的發(fā)動機，現(xiàn)要想b盡快追上a并完成對接，b應(yīng)采取的措施是（）A、沿運動方向噴氣B、先沿運動方向噴氣，后沿運動反方向噴氣C、沿運動反方向噴氣D、先沿運動反方向噴氣，后沿運動方向噴氣B例6、宇宙飛船和軌道空間站在同一軌道上運動，若飛船想與前面的空間站對接，飛船為了追上軌道空間站，可采取的方法是：()A．飛船加速直到追上B．飛船從原軌道減速至一個較低軌道，再加速追上空間站，完成對接C．飛船加速至一個較高軌道再減速追上空間站，完成對接D．無論飛船采取何種措施，均不能與空間站對接B專題四、同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星和赤道上物體

近地衛(wèi)星(r1、ω1、v1、a1)同步衛(wèi)星(r2、ω2、v2、a2)赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體(r3、ω3、v3、a3)向心力萬有引力萬有引力萬有引力的一個分力軌道半徑r2>r3＝r1角速度由

＝mω2r得ω＝

，故ω1>ω2同步衛(wèi)星的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同，故ω2＝ω3ω1>ω2＝ω3線速度由

＝

得v＝

，故v1>v2由v＝rω得v2>v3v1>v2>v3向心加速度由

＝ma得a＝

，故a1>a2由a＝ω2r得a2>a3a1>a2>a3例7.有a、b、c、d四顆地球衛(wèi)星，a還未發(fā)射，在地球赤道表面隨地球一起轉(zhuǎn)動，b在地面附近的軌道上正常運動，c是地球同步衛(wèi)星，d是高空探測衛(wèi)星，各衛(wèi)星排列位置如圖所示，下列關(guān)于四顆衛(wèi)星的說法正確的是（）A．同一物體在衛(wèi)星b中對支持物的壓力比在衛(wèi)星c中大B．b衛(wèi)星與地心連線在單位時間掃過的面積等于c衛(wèi)星與地心連線

在單位時間掃過的面積C．b、c衛(wèi)星軌道半徑的三次方與運行周期平方之比相等D．a(chǎn)衛(wèi)星的運行周期等于d衛(wèi)星的運行周期C例8.如圖所示，a、b、c是人造地球衛(wèi)星，三者的軌道與赤道共面，且a是同步衛(wèi)星，c是近地衛(wèi)星，d是靜止在赤道地面上的一個物體，以下關(guān)于a、b、c、d四者的說法正確的是（

）A．a(chǎn)的線速度比b的線速度小，且兩者線速度都小于第一宇宙速度B．角速度大小關(guān)系是C．d的向心加速度等于赤道處的重力加速度D．周期關(guān)系是A例9.(多選)如圖，同步衛(wèi)星與地心的距離為r，運行速率為v1，向心加速度為a1，地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2，第一宇宙速度為v2，地球半徑為R，則下列比值正確的是()A.

B．C.

D．AD專題五、“連續(xù)群”與“衛(wèi)星群”問題土星的外層有一個環(huán)，為了判斷它是土星的一部分，即土星的“連續(xù)群”，還是土星的“衛(wèi)星群”，可以通過測量環(huán)中各層的線速度v與該層到土星中心的距離R之間的關(guān)系來判斷（）A若v∝R，則該層是土星的連續(xù)群B若v2∝R，則該層是土星的衛(wèi)星群C若，則該層是土星的連續(xù)群D若，則該層是土星的衛(wèi)星群解析：本題考察連續(xù)物與分離物的特點與規(guī)律⑴該環(huán)若是土星的連續(xù)群，則有共同的自轉(zhuǎn)角速度，由v=wr得，因此v∝R⑵該環(huán)若是土星的衛(wèi)星群，