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2019-2020年高中物理 7.3人造衛(wèi)星 宇宙速度教學(xué)案 新人教版必修2 學(xué)習(xí)目標(biāo): 1．知道人造衛(wèi)星的運(yùn)行原理和軌道。 2．知道三個(gè)宇宙速度。 3．掌握人造衛(wèi)星的周期、線速度、角速度跟其軌道半徑的關(guān)系。 學(xué)習(xí)重點(diǎn): 1．人造衛(wèi)星的運(yùn)行原理和軌道。 2．人造衛(wèi)星的周期、線速度、角速度跟其軌道半徑的關(guān)系。 學(xué)習(xí)難點(diǎn): 人造衛(wèi)星的周期、線速度、角速度跟其軌道半徑的關(guān)系。 主要內(nèi)容: 一、人造衛(wèi)星的運(yùn)行原理和軌道 1．運(yùn)行原理： 2．運(yùn)行軌道 二、宇宙速度： 1．第一宇宙速度(環(huán)繞速度)： 2．第二宇宙速度(脫離速度)： 3．第三宇宙速度(逃逸速度)： 三、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運(yùn)行速度 人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度是兩個(gè)不周的概念。所謂發(fā)射速度是指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時(shí)的初速度，并且一旦發(fā)射后就再無(wú)能量補(bǔ)充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動(dòng)能克服地球引力上升一定高度，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)軌道。要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。若發(fā)射速度等于第一宇宙速度，衛(wèi)星只能“貼著”地面近地運(yùn)行，如果要使人造衛(wèi)星在距地面較高的軌道上運(yùn)行，就必須使發(fā)射速度大于第一宇宙速度。 所謂運(yùn)行速度，是指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度。根據(jù)知，人造衛(wèi)星距地面越高(即軌道半徑r越大)，運(yùn)行速度越小。實(shí)際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，所以衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行速度一定小于發(fā)射速度。人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度之間的大小關(guān)系是：1 1．2km／．y>v發(fā)≥7．9km／s>v運(yùn) 四、人造衛(wèi)星繞行線速度、角速度、周期與半徑的關(guān)系 1．線速度與半徑的關(guān)系： 2．角速度與半徑的關(guān)系： 3．周期與半徑的關(guān)系：由 五、地球同步衛(wèi)星 所謂地球同步衛(wèi)星，是相對(duì)地面靜止的跟地球自轉(zhuǎn)同步的衛(wèi)星。衛(wèi)星要與地球自轉(zhuǎn)同步，必須滿足下列條件： 1．衛(wèi)星繞地球的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，且衛(wèi)星的運(yùn)行周期與地球 自轉(zhuǎn)周期相同(即等于24h)。 2．衛(wèi)星運(yùn)行的圓形軌道必須與地球的赤道平面重合。 3．衛(wèi)星的的軌道高度一定(距地面3．6萬(wàn)公里)。 【例一】關(guān)于第一宇宙速度，下面說法中正確的是： A．它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小遮度 B．它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行速度 C．它是能使衛(wèi)星進(jìn)入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度 D．它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)在近地點(diǎn)的速度 【例二】設(shè)地球半徑為R，一顆人造衛(wèi)星在離地面高度h=R的圓形軌道上運(yùn)行，其運(yùn)行速度是第一宇宙速度的多少倍? 【例三】把一顆質(zhì)量為2t的人造地球衛(wèi)星送入環(huán)繞地球運(yùn)行的圓形軌道，已知地球質(zhì)量為61024kg，半徑為6．4103km。這顆衛(wèi)星運(yùn)行的周期是多少小時(shí)？ ◆【例四】假設(shè)同步1J星的軌道半徑足地球赤道半釋的胛倍，則： 彳j司步1j暈的向心加速度足赤道上物體m山加速度的(起+1)倍 BJ司步1j星的向心加速度足赤道上物體向一心加速度的胛倍 c-J刮步Ii星的向心加速度足赤道上物體向心加速度的三倍 DJ司步．_l丁星的向心加速度足赤道上物體重力加速度的以倍 課堂訓(xùn)練 l_ ~．LLt．fJ星繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則離地面越近的衛(wèi)星，其( ) (A)速度越大 B．角速度越大 c．向心加速度越大 D．周期越長(zhǎng) r當(dāng)人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周 爿．．定等于7．9千米／秒 C．定大于7．9千米／秒 運(yùn)動(dòng)時(shí)，其繞行速度( ) B．定小于7．9干米／秒；， D．介十7。9～11．2 T‘米／秒． ：‘+然焉湍?黼蓊≥供’B．宇航鼬覺處于失重狀態(tài) 4+凡．審艙做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由地球?qū)λ囊π? r子凱貝{瑟r見處了大里1八芯 }裂內(nèi)篙無(wú)4熱蝴蝴寸了D1984 8 ‘鎰瓣景篷基公轉(zhuǎn)…觚跟 4．我國(guó)在 年 月 目成功地發(fā)射了‘‘顆通汛1_J星，這顆Ii星繞地球公轉(zhuǎn)嗣用逐廈叫’業(yè)健 地球自轉(zhuǎn)的角速度u2之比ul／“2===—— ≯只然半徑為R。，地．球表面處的重力加速度為g，一顆人造』j星圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)， 1。地球的半徑為o，地球表面處的重力加速度為 ，一顆人造lJ星圍繞地壞1取劊避圓刷垤列’ A：瞳星的速度大小為 曰．一p星的角速度大小為 c．衛(wèi)星的加速度大小為g／2 D—p星的運(yùn)動(dòng)周期芫 2．兩顆人造衛(wèi)星4和B的質(zhì)量之比為1：2，它們的軌道半釋之比為3：1，~-a,-JWJ~,fr]恰好- 與地球在同一條直線上，q。知兩顆．p星的( ) 爿．線速度之比v4：v曠1：3 B．向心加速度之比吼：盤片。1：3 C．向心力之比幾：凡：1：1 8 D．周期之比乃：％：：：3-1 。 … 3．’桑人造地球衛(wèi)星離地面高度等于地球的直徑，它繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的廠uj心加速度(以米 ／秒。為單位)最接近于以下四個(gè)數(shù)值中的( ) A5 ．B…．1…～…C．0…．5…。。。D、．0．。1。r-r-r-r-r~-E，豐=^窗訕丙M宣離p．書帚刊F．I碲的I坐裕． ． ．．． …～………．L．rT#爿、 ^厶 且 ，0#=一，]’■’tjⅡ4拍rtn r們旦rt中 工J．訴市十“。P、ⅣI撲：巴4午． 4．J}fj m表不地琳迥。m—I一星Ll口J少Ii生／flu)Y4’’‘儀小b網(wǎng)’?！啊啊睍纭啊啊弧！? 鰳表示地球表面的重力加速度，緲0表示地球目轉(zhuǎn)的角速度，則像l!壁所義削地球刈匕馴／。伺 引力的大小為( ) 5．地球半徑為R，地面的重力加速度為g，某小星距地面的高度也為R，設(shè)衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn) 動(dòng)，下列說法正確的是( ) 彳．Ⅳ星的線速度為 B．p星的角速度為 C．p星的加速度為D．jIJ望的周期為 6．環(huán)繞地球。做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星，距地面高度越大， 彳．線速度和周期越大 B．線逐度午Ⅱ周期越小 C．線速度越大，周期越小D．線速度越小，周期越大． 7．如果地球自轉(zhuǎn)速度加快以使赤道上的物體能克服地球引力 以下說法中正確的是( ) 叮脫離地面飄浮起來，這時(shí)地球 自轉(zhuǎn)的最大周期p——(地球半徑為尺，地面重力加速度為g)． 8．已知地球半徑約為6．4106m，又知月球繞地球的運(yùn)動(dòng)可近似看作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則可估算出月球到地心的距離約為 m。(結(jié)果只保留一位有效數(shù)字) 9．如果有一個(gè)行星質(zhì)量是地球的l／8，半徑是地球半釋的1／2。求在這一行星上發(fā)射衛(wèi)星的環(huán)繞速度。 10．甲、乙兩顆人造地球衛(wèi)星在同一軌道平面上的不同高度處同向運(yùn)動(dòng)(可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng))，甲距地面的高度為地球半徑的O．5倍，乙距地面的高度為地球半徑的5倍，兩衛(wèi)星的某一時(shí)刻正好位于地球表面某點(diǎn)的正上空，求： (1)兩衛(wèi)星運(yùn)行的線速度之比?(2)乙衛(wèi)星至少要經(jīng)過多少周期，兩衛(wèi)星間的距離才會(huì)達(dá)到最大? 11．無(wú)人飛船“神州二號(hào)”曾在離地面高度為H=3．4105m的圓軌道上運(yùn)行了47小時(shí)。求在這段時(shí)間內(nèi)它繞行地球多少圈?(地球半徑R=6．37106m，重力加速度g=9．8m／s2) 閱讀材料：靜止衛(wèi)星為何要多次點(diǎn)火 1997年5月12日O時(shí)，我國(guó)新一代通信衛(wèi)星東方紅三號(hào)由長(zhǎng)征三號(hào)甲火箭發(fā)射升空。東方紅三號(hào)衛(wèi)星升空后首先進(jìn)入了近地點(diǎn)高209km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高36194km、傾角28．3的地球同步轉(zhuǎn)移軌道．當(dāng)日下午4時(shí)，衛(wèi)星上490牛推力的遠(yuǎn)地總發(fā)動(dòng)機(jī)第一次點(diǎn)火，50分鐘后，衛(wèi)星變軌成功，其近地點(diǎn)提高到6488km，傾角減少到l 2.3(遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為36194km不變)．5月13日、14日，在西安衛(wèi)星測(cè)控中心控制下，衛(wèi)星上遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)又先后兩次點(diǎn)火，衛(wèi)星順利進(jìn)入地球準(zhǔn)同步軌道．此后，用衛(wèi)星上l O牛推力器進(jìn)行位置捕獲，使衛(wèi)星于5月20日定點(diǎn)在東經(jīng)125的赤道上空。 為什么該衛(wèi)星要經(jīng)3次變軌及位置捕獲才能定點(diǎn)工作呢?這是由于地球靜止軌道高度約3586Okm，且軌道傾角為0(在該軌道運(yùn)行的衛(wèi)星，從地球上看好像是不動(dòng)的，衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相等)。要把衛(wèi)星送到這個(gè)高度，并使衛(wèi)星以3．07km／s同步速度運(yùn)行，這就要求火箭能夠達(dá)到1O．4km／s的速度．它已接近第二宇宙速度(112km／s)，一般火箭很難“一步到位”，再因發(fā)射場(chǎng)不在赤道上，所以通常須進(jìn)行多次變軌才能進(jìn)入預(yù)定的地球靜止軌道。 我國(guó)發(fā)射靜止軌道衛(wèi)星一般是這樣的：①用火箭把衛(wèi)星送入約近地點(diǎn)200km、遠(yuǎn)地點(diǎn) 36OOOkm、傾角28．5的橢圓形軌道．②衛(wèi)星在運(yùn)行到遠(yuǎn)地點(diǎn)附近時(shí)，幾次用衛(wèi)星上遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)變軌，不斷抬高近地點(diǎn)高度，使橢圓形軌道逐漸拉高為距地面高36000砌的圓軌道．③衛(wèi)星進(jìn)入準(zhǔn)同步軌道后，靠星上小推力器向定點(diǎn)位置飄移，并調(diào)整軌道的各個(gè)參數(shù)．使衛(wèi)星的軌道傾角接近零，軌道周期接近于地球自轉(zhuǎn)周期．④衛(wèi)星定點(diǎn)后還要進(jìn)行定點(diǎn)保持．由于地球扁率和太陽(yáng)光壓會(huì)引起衛(wèi)星在定點(diǎn)位置的東西方向上飄移，要克服這種飄移，使衛(wèi)星保持在定點(diǎn)位置的O．1。范圍，需用星上推力器不斷進(jìn)行軌道修正，每年要付出2m／s的修正速度．日月引力會(huì)引起傾角變化，使衛(wèi)星在南北方向上產(chǎn)生飄移，飄移速度約O．75。～O．95。／年不等，不同年傷不一樣．要克服這種飄移，使衛(wèi)星在南北方向上也保持在上0．1。的范圍內(nèi)，每年需付出40～51m／s的修正速度．所以，地球靜止軌道衛(wèi)星在軌工作壽命期間，地面測(cè)控站要定期地測(cè)量衛(wèi)星軌道，并定期修正，直到衛(wèi)星上控制系統(tǒng)的燃料用完．