100835033人造卫星与宇宙航行

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楚州中学2009-2010学年度第一学期高三物理导学案 编制人:章海军 NO.33
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人造卫星与宇宙航行
考点:1、第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度(Ⅰ) 定量计算第一宇宙速度
2、经典力学的局限性(Ⅰ)
教学目标:1、能够了解三种宇宙速度的意义,并定量计算第一宇宙速度
2、熟练掌握人造卫星的轨道特点和同步卫星的周期
3、万有引力定律对于天体运动以及人造卫星的影响:绕行速度、角速度、周期
与半径的关系

基础知识点:
一、人造地球卫星的绕行速度、角速度、周期与半径的关系
⑴ 向心加速度向a与r的 成反比,向a随r的增大而减小 221rrGMa向

当r取其最小值时,向a取得最大值. a向max=2RGM=g=9.8m/s2

⑵ 线速度v与r的 成反比,v随r的增大而减小 rrGMv1

当r取其最小值地球半径R时,v取得最大值. vmax=RGM=Rg=7.9km/s ,即第一宇宙
速度
⑶ 角速度与r的 次方成 比,随r的增大而减小 331rrGM

当r取其最小值地球半径R时,取得最大值. max=3RGM=Rg≈1.23×10-3rad/s
⑷ 周期T与r的二分之三次方成 比,T随r的增大而增大. 332rGMrT
当r取其最小值地球半径R时,T取得最小值. Tmin=2GMR3=2gR≈5.1×103s≈
85min
(5) 卫星地球做匀速圆周运动时,是地球的引力提供向心力,
卫星受到地球的引力方向指向地心,而做圆周运动的向心力方
向始终指向圆心,所以卫星圆周运动的圆心和地球的地心重
合。这样就存在三类人造地球卫星轨道:①赤道轨道,卫星轨
道在赤道平面,卫星始终处于赤道上方;②极地轨道,卫星轨
道平面与赤道平面垂直,卫星通过两极上空;③一般轨道,
卫星轨道和赤道成一定角度。
(6)同步卫星
a.“同步”的含义就是和地球保持相对静止(又叫静止轨道卫星,但相对静止不是平衡状
态),所以其周期等于地球自转周期,即T=24h,环绕地球运行的角速度等于地球自转的角
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速度。
b.要与地球同步,卫星的轨道平面必须与赤道平面重合,又由于向心力是万有引力提供的,
万有引力必须在轨道平面上,所以同步卫星的轨道平面均在赤道平面上,即所有的同步卫星
都在赤道的正上方。

c.所有同步卫星的周期T、轨道半径r、环绕速度v、角速度及向心加速度向a的大小均相

同。即同步卫星具有确定的绕速度v、角速度、周期T、向心加速度向a及距离地面的高
度h(即轨道半径r)。
二、宇宙速度的意义
第一宇宙速度是地球卫星的 发射速度,也是地球卫星在近地轨道上运行
时的 速度.v1=7.9km/s
第二宇宙速度v2=l1.2km/s

第三宇宙速度skmv/7.163
当发射速度v与宇宙速度分别有如下关系时,被发射物体的运动情况将有所不同
①当v<v1时,被发射物体最终仍将落回地面;
②当v1≤v<v2时,被发射物体将环绕地球运动,成为地球卫星;
③当v2≤v<v3时,被发射物体将脱离地球束缚,成为环绕太阳运动的“人造行星”;
④当v≥v3时,被发射物体将从太阳系中逃逸。
三、经典力学的局限性:
和任何理论一样,经典力学也有它的局限性,有它的适用范围。
(1)从低速到高速——狭义相对论
(2)从宏观到微观——量子力学
(3)从弱引力到强引力——广义相对论
常见题型:

题型一:卫星的轨道参量问题
【例1】可发射一颗人造卫星,使其圆轨道满足下列条件( )
A、与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面的同心圆
B、与地球表面上某一经度线是共面的同心圆
C、与地球表面上的赤道线是共面同心圆,且卫星相对地面是运动的
D、与地球表面上的赤道线是共面同心圆,且卫星相对地面是静止的
演练1.下面关于同步通信卫星的说法中正确的是( )
A. 同步通信卫星和地球自转同步,卫星的高度和速率都是确定的
B. 同步通信卫星的角速度虽已被确定,但高度和速率可以选择. 高度增加,速率增大;
高度降低,速率减小,仍同步
C. 我国发射第一颗人造地球卫星的周期是114min,比同步通信卫星的周期短,所以第
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一颗人造卫星离地面的高度比同步卫星低
D. 同步通信卫星的速率比我国发射的第一颗人造卫星的速率小

演练2.地球同步卫星到地心的距离r可由22234cbar求出,已知式中a的单位是m,b
的单位是s,c的单位是m/s2,则: ( )
A.a是地球半径,b是地球自转的周期,C是地球表面处的重力加速度;
B.a是地球半径。b是同步卫星绕地心运动的周期,C是同步卫星的加速度;
C.a是赤道周长,b是地球自转周期,C是同步卫星的加速度
D.a是地球半径,b是同步卫星绕地心运动的周期,C是地球表面处的重力加速度。
题型二:宇宙速度问题
【例2】同步卫星离地球球心的距离为r,运行速率为v1,加速度大小为a1,地球赤道上的
物体随地球自转的向心加速度大小为a2,第一宇宙速度为v2,地球半径为R,则( )

(A)a1:a2=r:R (B)a1:a2=R2:r2 (C)v1:v2=R2:r2 (D)r:Rv:v21
演练3、(06陕西卷)23、我国将要发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥1号”。设该卫星的
轨道是圆形的,且贴近月球表面。已知月球的质量为地球质量的1/80,月球的半径约为地
球半径的1/4,地球上的第一宇宙速度约为7.9km/s,则该探月卫星绕月运行的速率约( )
A、0.4 km/s B、1.8 km/s C、11 km/s D、36 km/s

演练4、(2009年四川卷)15.据报道,2009年4月29日,美国亚利桑那州一天文观测机
构发现一颗与太阳系其它行星逆向运行的小行星,代号为2009HC82。该小行星绕太阳一周
的时间为3.39年,直径2~3千米,其轨道平面与地球轨道平面呈155°的倾斜。假定该小行
星与地球均以太阳为中心做匀速圆周运动,则小行星和地球绕太阳运动的速度大小的比值为
( )

A.133.39 B.123.39 C.323.39 D.233.3.9
题型三:飞船的变轨问题
【例3】地球质量为M,半径为R,自转角速度为。万有引力恒量为G,如果规定物体在
离地球无穷远处势能为0,则质量为m的物体离地心距离为r时,具有的万有引力势能可表

示为rMmGEp。国际空间站是迄今世界上最大的航天工程,它是在地球大气层上空绕

地球飞行的一个巨大人造天体,可供宇航员在其上居住和科学实验。设空间站离地面高度为
h,如果杂该空间站上直接发射一颗质量为m的小卫星,使其能到达地球同步卫星轨道并能
在轨道上正常运行,由该卫星在离开空间站时必须具有多大的动能?
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演练5.(08广东卷)12.图是“嫦娥一导奔月”示意图,卫星发射后通过自带的小型火箭
多次变轨,进入地月转移轨道,最终被月球
引力捕获,成为绕月卫星,并开展对月球的
探测,下列说法正确的是( )
A.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三
宇宙速度
B.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量
有关
C.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比
D.在绕月轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力

【反思小结】