高中物理 第三章 萬(wàn)有引力定律 第4節(jié) 人造衛(wèi)星 宇宙速度 1 人造衛(wèi)星發(fā)射學(xué)案 教科版必修2.doc

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人造衛(wèi)星發(fā)射 一、考點(diǎn)突破： 知識(shí)點(diǎn) 考綱要求 題型 說(shuō)明 人造衛(wèi)星的發(fā)射及運(yùn)行參量與半徑的關(guān)系 1. 掌握人造衛(wèi)星的力學(xué)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。 2. 熟練掌握人造衛(wèi)星的運(yùn)行速度、角速度、周期、向心加速度與半徑的關(guān)系。 3. 理解衛(wèi)星的發(fā)射速度。 選擇題、計(jì)算題 屬于高頻考點(diǎn)，突出了對(duì)衛(wèi)星的發(fā)射、運(yùn)行、回收等多方面的考查，人造衛(wèi)星問(wèn)題中的超重失重問(wèn)題，人造衛(wèi)星與地理知識(shí)與現(xiàn)代科技知識(shí)的綜合問(wèn)題也是近幾年的高考熱點(diǎn) 二、重難點(diǎn)提示： 重點(diǎn)： 1. 掌握人造衛(wèi)星的力學(xué)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。 2. 熟練掌握人造衛(wèi)星的運(yùn)行速度、角速度、周期、向心加速度與半徑的關(guān)系。 難點(diǎn)：對(duì)衛(wèi)星的發(fā)射速度的理解。 一、人造地球衛(wèi)星 這里特指繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星，實(shí)際上大多數(shù)衛(wèi)星軌道是橢圓，而中學(xué)階段對(duì)做橢圓運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星一般不作定量分析。 1. 衛(wèi)星的軌道平面：由于地球衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力是由萬(wàn)有引力提供的，所以衛(wèi)星的軌道平面一定過(guò)地球球心，地球球心一定在衛(wèi)星的軌道平面內(nèi)。 2. 原理：由于衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所以地球?qū)πl(wèi)星的引力充當(dāng)衛(wèi)星所需的向心力，于是有。 3. 人造衛(wèi)星的運(yùn)行速度、角速度、周期與半徑的關(guān)系 根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力，則有 （1）由，得，即人造衛(wèi)星的運(yùn)行速度與軌道半徑的平方根成反比，所以半徑越大（即衛(wèi)星離地面越高），線(xiàn)速度越小。 （2）由，得，即，故半徑越大，角速度越小。 （3）由，得，即，所以半徑越大，周期越長(zhǎng)。 【重要提示】 1. 發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小周期約為85分鐘。 2. 衛(wèi)星的速度是相對(duì)于地心的，而非相對(duì)于地面。 3. 衛(wèi)星的軌道半徑指衛(wèi)星到地心的距離。 4. 衛(wèi)星有極地位星（軌道經(jīng)過(guò)兩極）、同步衛(wèi)星（在赤道正上方相對(duì)地面靜止）和近地衛(wèi)星。 5. 衛(wèi)星的運(yùn)行速度、角速度、周期、向心加速度都只與半徑有關(guān)，半徑定，則上述物理量定。 二、衛(wèi)星的發(fā)射 如圖所示： 在地面高位h處水平拋出一物體（不計(jì)阻力），隨著速度的增大落點(diǎn)越遠(yuǎn)，引力大于所需要的向心力，隨著速度的繼續(xù)增大，當(dāng)引力等于所需要的向心力時(shí)，物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，這就成了一顆衛(wèi)星。 1. 發(fā)射速度：使衛(wèi)星圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最小發(fā)射速度。 2. 環(huán)繞速度：繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星的線(xiàn)速度，當(dāng)半徑最小時(shí)環(huán)繞速度最大等于最小發(fā)射速度。（此時(shí)認(rèn)為衛(wèi)星的軌道半徑等于地球的半徑） 【規(guī)律總結(jié)】根據(jù)可知，衛(wèi)星越高，半徑越大，衛(wèi)星的運(yùn)行速度（環(huán)繞速度）就越小，但所需發(fā)射速度越大。 三、人造衛(wèi)星的超重與失重 1. 人造衛(wèi)星在發(fā)射升空時(shí)，有一段加速運(yùn)動(dòng)；在返回地面時(shí)，有一段減速運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)過(guò)程加速度方向均向上，因而都是超重狀態(tài)。 2. 人造衛(wèi)星在沿圓軌道運(yùn)行時(shí)，由于萬(wàn)有引力提供向心力，所以處于完全失重狀態(tài)，在這種情況下凡是與重力有關(guān)的力學(xué)現(xiàn)象都會(huì)停止發(fā)生。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，同理，與重力有關(guān)的實(shí)驗(yàn)也將無(wú)法進(jìn)行。 例題1 （天津）一個(gè)人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，假如該衛(wèi)星變軌后仍做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速度減小為原來(lái)的1/2，不考慮衛(wèi)星質(zhì)量的變化，則變軌前后衛(wèi)星的（ ） A. 向心加速度大小之比為4：1 B. 角速度大小之比為2：1 C. 周期之比為1：8 D. 軌道半徑之比為1：2 思路分析：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，萬(wàn)有引力提供向心力，如果衛(wèi)星的速度減為原來(lái)的，由可知，軌道半徑變?yōu)樵瓉?lái)的4倍，D項(xiàng)錯(cuò)誤；由可知，向心加速度變?yōu)樵瓉?lái)的，A項(xiàng)錯(cuò)誤；由可知，角速度為原來(lái)的，B項(xiàng)錯(cuò)誤；由可知，周期為原來(lái)的8倍，C項(xiàng)正確。 答案：C 例題2 隨著我國(guó)登月計(jì)劃的實(shí)施，我國(guó)宇航員登上月球已不是夢(mèng)想。假如我國(guó)宇航員登上月球并在月球表面附近以初速度v0豎直向上拋出一個(gè)小球，經(jīng)時(shí)間t后回到出發(fā)點(diǎn)。已知月球的半徑為R，萬(wàn)有引力常量為G，則下列說(shuō)法正確的是（　?。? A. 月球表面的重力加速度為 B. 月球的質(zhì)量為 C. 宇航員在月球表面獲得的速度就可能離開(kāi)月球表面圍繞月球做圓周運(yùn)動(dòng) D. 宇航員在月球表面附近繞月球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的繞行周期為 思路分析：根據(jù)豎直上拋運(yùn)動(dòng)可得t＝，g＝，A項(xiàng)錯(cuò)誤；由可得：M＝，v＝，T＝2π，故B項(xiàng)正確，C、D項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案：B 【易錯(cuò)警示】 （1）衛(wèi)星的a、v、ω、T是相互聯(lián)系的，如果一個(gè)量發(fā)生變化，其他量也隨之發(fā)生變化；這些量與衛(wèi)星的質(zhì)量無(wú)關(guān)，它們由軌道半徑和中心天體的質(zhì)量共同決定。 （2）當(dāng)r一定時(shí)，v與ω成正比。 當(dāng)ω一定時(shí)，v與r成正比。當(dāng)v一定時(shí)，ω與r成反比。這些比例關(guān)系不再成立。 滿(mǎn)分訓(xùn)練： A. B兩顆地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)的周期之比為，則（ ） A. 軌道半徑之比為8：1 B. 線(xiàn)速度之比為 C. 向心加速度之比為 D. 質(zhì)量之比為 思路分析：據(jù)題意，已知衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期之比為，則軌道半徑之比為：據(jù)，即，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；線(xiàn)速度之比為：據(jù)，即，故選項(xiàng)B正確；向心加速度之比為：據(jù)，即＝，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；衛(wèi)星的質(zhì)量比無(wú)法計(jì)算，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 答案：B