第第4 4節(jié)人造衛(wèi)星宇宙速度節(jié)人造衛(wèi)星宇宙速度自主學習自主學習課堂探究課堂探究達標測評達標測評自主學習自主學習 課前預習課前預習感悟新知感悟新知 ( (教師參考教師參考) )目標導航目標導航重點重點: :人造衛(wèi)星線速度、角速度、周期、向心加速度與半徑的關系人造衛(wèi)星線速度、角速度、周期、向心加速度與半徑的關系, ,第一第一宇宙速度的分析、計算宇宙速度的分析、計算難點難點: :人造衛(wèi)星的變軌問題分析人造衛(wèi)星的變軌問題分析 情境鏈接情境鏈接如圖所示如圖所示, ,人造衛(wèi)星能夠繞地球轉動而不落回地面人造衛(wèi)星能夠繞地球轉動而不落回地面, ,不同的衛(wèi)星軌道不同不同的衛(wèi)星軌道不同, ,衛(wèi)星的軌道有什么特點衛(wèi)星的軌道有什么特點? ?受力有什么特點受力有什么特點? ?運行的速度、周期大小如何運行的速度、周期大小如何? ?信息信息1.1.衛(wèi)星的軌道都可以看成圓軌道衛(wèi)星的軌道都可以看成圓軌道. .2.2.萬有引力提供衛(wèi)星的向心力萬有引力提供衛(wèi)星的向心力. .3.3.軌道越高軌道越高, ,速度越小速度越小, ,周期越長周期越長. .教材梳理教材梳理一、衛(wèi)星一、衛(wèi)星1.1.衛(wèi)星種類衛(wèi)星種類: :天然衛(wèi)星和人造衛(wèi)星天然衛(wèi)星和人造衛(wèi)星. .2.2.人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星: :人工的在太空中繞行星運動的物體人工的在太空中繞行星運動的物體. .3.3.衛(wèi)星用途衛(wèi)星用途: :用于用于 、導航、收集、導航、收集 和其他許多領域內和其他許多領域內的科學研究的科學研究. .通信通信氣象數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)二、宇宙速度二、宇宙速度7.97.911.211.216.716.7地球地球地球地球太陽太陽議一議一議議 對第一宇宙速度的推導過程中對第一宇宙速度的推導過程中, ,作了哪些近似處理作了哪些近似處理? ?答案答案: :忽略空氣阻力忽略空氣阻力, ,近似認為近地衛(wèi)星繞地球的轉動為勻速圓周運動近似認為近地衛(wèi)星繞地球的轉動為勻速圓周運動, ,且轉動半徑等于地球半徑且轉動半徑等于地球半徑. .1.1.繞地球做圓周運動的人造衛(wèi)星的速度可以是繞地球做圓周運動的人造衛(wèi)星的速度可以是10 km/s.(10 km/s.() )2.2.在地面上發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度是在地面上發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度是7.9 km/s.(7.9 km/s.() )3.3.如果在地面發(fā)射衛(wèi)星的速度大于如果在地面發(fā)射衛(wèi)星的速度大于11.2 km/s,11.2 km/s,衛(wèi)星會永遠離開地球衛(wèi)星會永遠離開地球.(.() )4.4.要發(fā)射一顆人造月球衛(wèi)星要發(fā)射一顆人造月球衛(wèi)星, ,在地面的發(fā)射速度應大于在地面的發(fā)射速度應大于16.7 km/s.(16.7 km/s.() )5.5.可以使衛(wèi)星在北緯可以使衛(wèi)星在北緯4040上空繞地軸做勻速圓周運動上空繞地軸做勻速圓周運動.(.() )6.6.月球做圓周運動的向心力是由地球對它的引力提供的月球做圓周運動的向心力是由地球對它的引力提供的.(.() )思考判斷思考判斷答案答案: :1.1.2.2.3.3.4.4.5.5.6.6.要點一要點一 人造衛(wèi)星運動中的分析與計算人造衛(wèi)星運動中的分析與計算 課堂探究課堂探究 核心導學核心導學要點探究要點探究【問題導學問題導學】如圖所示如圖所示, ,在地球的周圍在地球的周圍, ,有許多衛(wèi)星在不同軌道上繞地球運轉有許多衛(wèi)星在不同軌道上繞地球運轉, ,請問請問: :(1)(1)這些衛(wèi)星的軌道有什么共同特點這些衛(wèi)星的軌道有什么共同特點? ?(2)(2)這些衛(wèi)星的線速度、角速度、周期跟什么有關這些衛(wèi)星的線速度、角速度、周期跟什么有關? ?答案答案: :(1)(1)人造衛(wèi)星的軌道平面一定過地心人造衛(wèi)星的軌道平面一定過地心. .(2)(2)都與軌道半徑都與軌道半徑r r有關有關. .【要點歸納要點歸納】1.1.衛(wèi)星的衛(wèi)星的v,T,av,T,a隨軌道半徑隨軌道半徑r r的變化規(guī)律的變化規(guī)律3322GMvrGMrrTGMMa Gr當當r r增大時增大時 vTa減小減小增大減小利用上述結論利用上述結論, ,可定性分析也可定量計算可定性分析也可定量計算. .特別提示特別提示 (1) (1)在處理衛(wèi)星的在處理衛(wèi)星的v,Tv,T與半徑與半徑r r的關系問題時的關系問題時, ,常用常用“gRgR2 2=GM”=GM”來替換出地球的質量來替換出地球的質量M,M,會使問題解決起來更方便會使問題解決起來更方便. .(2)(2)由于衛(wèi)星在軌道上運動時由于衛(wèi)星在軌道上運動時, ,它受到的萬有引力全部提供向心力它受到的萬有引力全部提供向心力, ,產生向產生向心加速度心加速度, ,因此衛(wèi)星及衛(wèi)星上任何物體都處于完全失重狀態(tài)因此衛(wèi)星及衛(wèi)星上任何物體都處于完全失重狀態(tài). .(3)(3)對于同一星球的不同衛(wèi)星對于同一星球的不同衛(wèi)星, ,軌道半徑軌道半徑r r的變化引起的變化引起a,v,T,a,v,T,的變化的變化; ;對于對于不同星球的不同衛(wèi)星不同星球的不同衛(wèi)星, ,星球質量和軌道半徑兩個因素影響了衛(wèi)星的星球質量和軌道半徑兩個因素影響了衛(wèi)星的a,v,T,a,v,T,. .2.2.兩種加速度的比較兩種加速度的比較衛(wèi)星的向心加速度衛(wèi)星的向心加速度物體隨地球自轉的向心加速度物體隨地球自轉的向心加速度產生產生萬有引力萬有引力萬有引力的一個分力萬有引力的一個分力( (另一分力另一分力為重力為重力) )方向方向指向地心指向地心垂直指向地軸垂直指向地軸大小大小a=a= ( (地面附近地面附近a a近似為近似為g)g)a=a= r,r,其中其中r r為地面上某點為地面上某點到地軸的距離到地軸的距離變化變化隨衛(wèi)星到地心距離隨衛(wèi)星到地心距離r r的增的增大而減小大而減小從赤道到兩極逐漸減小從赤道到兩極逐漸減小2GMr2地球【典例典例1 1】如圖所示為在同一軌道平面上的幾顆人造地球衛(wèi)星如圖所示為在同一軌道平面上的幾顆人造地球衛(wèi)星A,B,C,A,B,C,下列下列說法正確的是說法正確的是( ( ) )A.A.根據(jù)根據(jù)v= ,v= ,可知三顆衛(wèi)星的線速度可知三顆衛(wèi)星的線速度v vA A v vB B FFB BFFC CC.C.三顆衛(wèi)星的向心加速度三顆衛(wèi)星的向心加速度a aA A a aB B a aC CD.D.三顆衛(wèi)星運行的角速度三顆衛(wèi)星運行的角速度A A B B C CgRC C思路點撥思路點撥 (1)(1)公式公式v= v= 中中R R是地球的半徑是地球的半徑, ,衛(wèi)星的軌道半徑是衛(wèi)星衛(wèi)星的軌道半徑是衛(wèi)星到地心的距離到地心的距離. .(2)(2)分析衛(wèi)星運動中各物理量之間的關系的基本思路是利用衛(wèi)星的向心力分析衛(wèi)星運動中各物理量之間的關系的基本思路是利用衛(wèi)星的向心力由萬有引力提供列式分析由萬有引力提供列式分析. .(3)(3)衛(wèi)星運動時向心加速度衛(wèi)星運動時向心加速度a= = ,a= = ,所以向心加速度所以向心加速度a a由中心天體的質由中心天體的質量量M M和衛(wèi)星到中心天體的距離和衛(wèi)星到中心天體的距離r r決定決定. .gRFm2GMr規(guī)律方法規(guī)律方法 解決天體運行問題的兩種思路解決天體運行問題的兩種思路 ( (教師備用教師備用) )BCBC 針對訓練針對訓練1-11-1 ( (多選多選) )不可回收的航天器在使用后不可回收的航天器在使用后, ,將成為太空垃圾將成為太空垃圾. .如如圖所示是漂浮在地球附近的太空垃圾示意圖圖所示是漂浮在地球附近的太空垃圾示意圖, ,對此如下說法中正確的是對此如下說法中正確的是( ( ) )A.A.離地越低的太空垃圾運行周期越小離地越低的太空垃圾運行周期越小B.B.離地越高的太空垃圾運行角速度越小離地越高的太空垃圾運行角速度越小C.C.由公式由公式v v= = 得得, ,離地越高的太空垃圾運行速率越大離地越高的太空垃圾運行速率越大D.D.太空垃圾一定能跟同一軌道上同向飛行的航天器相撞太空垃圾一定能跟同一軌道上同向飛行的航天器相撞ABABgr要點二要點二 宇宙速度宇宙速度 【問題導學問題導學】發(fā)射衛(wèi)星發(fā)射衛(wèi)星, ,要有足夠大的速度才行要有足夠大的速度才行, ,請問請問: :(1)(1)不同星球的第一宇宙速度是否相同不同星球的第一宇宙速度是否相同? ?第一宇宙速度的決定因素是什么第一宇宙速度的決定因素是什么? ?(2)(2)把衛(wèi)星發(fā)射到更高的軌道上需要的發(fā)射速度越大還是越小把衛(wèi)星發(fā)射到更高的軌道上需要的發(fā)射速度越大還是越小? ?(2)(2)越大越大. .【要點歸納要點歸納】1.1.第一宇宙速度第一宇宙速度特別提示特別提示2.2.第二宇宙速度第二宇宙速度人造地球衛(wèi)星的發(fā)射速度越大人造地球衛(wèi)星的發(fā)射速度越大, ,衛(wèi)星最終運行時離地球就越遠衛(wèi)星最終運行時離地球就越遠. .當衛(wèi)星的發(fā)當衛(wèi)星的發(fā)射速度達到或超過射速度達到或超過11.2 km/s11.2 km/s時時, ,衛(wèi)星將脫離地球的束縛衛(wèi)星將脫離地球的束縛, ,成為太陽系中的成為太陽系中的“人造行星人造行星”,11.2 km/s,11.2 km/s稱為人造衛(wèi)星的第二宇宙速度稱為人造衛(wèi)星的第二宇宙速度, ,也稱為脫離速度也稱為脫離速度. .3.3.第三宇宙速度第三宇宙速度當衛(wèi)星的發(fā)射速度達到或超過當衛(wèi)星的發(fā)射速度達到或超過16.7 km/s16.7 km/s時時, ,衛(wèi)星將掙脫太陽的束縛衛(wèi)星將掙脫太陽的束縛, ,飛到飛到太陽系以外的空間太陽系以外的空間, ,因此因此, ,第三宇宙速度也稱逃逸速度第三宇宙速度也稱逃逸速度. .【典例典例2 2】 宇航員站在某星球表面宇航員站在某星球表面, ,從高從高h h處以初速度處以初速度v0v0水平拋出一個小水平拋出一個小球球, ,小球落到星球表面時小球落到星球表面時, ,與拋出點的水平距離是與拋出點的水平距離是x,x,已知該星球的半徑為已知該星球的半徑為R,R,引力常量為引力常量為G,G,求求: :(1)(1)該星球的質量該星球的質量M;M;(2)(2)該星球的第一宇宙速度該星球的第一宇宙速度. .思維導圖思維導圖關于第一宇宙速度的推導關于第一宇宙速度的推導 規(guī)律方法規(guī)律方法( (教師備用教師備用) )例例2-12-1: :“玉兔號玉兔號”登月車在月球表面接觸的第一步實現(xiàn)了中國人登月車在月球表面接觸的第一步實現(xiàn)了中國人“奔月奔月”的偉大夢想的偉大夢想. .機器人機器人“玉兔號玉兔號”在月球表面做了一個自由下落實驗在月球表面做了一個自由下落實驗, ,測得測得物體從靜止自由下落物體從靜止自由下落h h高度的時間為高度的時間為t,t,已知月球半徑為已知月球半徑為R,R,自轉周期為自轉周期為T,T,引引力常量為力常量為G.G.則則( ( ) )D D針對訓練針對訓練2-12-1關于宇宙速度關于宇宙速度, ,下列說法正確的是下列說法正確的是( ( ) )A.A.第一宇宙速度是能使人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度第一宇宙速度是能使人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度B.B.第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度C.C.第二宇宙速度是衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時的最大速度第二宇宙速度是衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時的最大速度D.D.第三宇宙速度是發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度第三宇宙速度是發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度解析解析: :第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度, ,也是地球衛(wèi)星繞地也是地球衛(wèi)星繞地球飛行的最大速度球飛行的最大速度,A,A對對,B,B錯錯; ;第二宇宙速度是在地面上發(fā)射物體第二宇宙速度是在地面上發(fā)射物體, ,使之成使之成為繞太陽運動或繞其他行星運動的人造衛(wèi)星所必需的最小發(fā)射速度為繞太陽運動或繞其他行星運動的人造衛(wèi)星所必需的最小發(fā)射速度,C,C錯錯; ;第三宇宙速度是在地面上發(fā)射物體第三宇宙速度是在地面上發(fā)射物體, ,使之飛到太陽系以外的宇宙空間所使之飛到太陽系以外的宇宙空間所必需的最小發(fā)射速度必需的最小發(fā)射速度,D,D錯錯. .A A要點二要點二 地球同步衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星 【問題導學問題導學】地球同步衛(wèi)星的軌道有何特點地球同步衛(wèi)星的軌道有何特點? ?答案答案: :軌道在赤道上空軌道在赤道上空, ,軌道平面與赤道平面重合軌道平面與赤道平面重合. .【要點歸納要點歸納】1.1.概念概念相對于地面靜止且與地球自轉具有相同周期的衛(wèi)星叫地球同步衛(wèi)星相對于地面靜止且與地球自轉具有相同周期的衛(wèi)星叫地球同步衛(wèi)星, ,又叫又叫通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星. .2.2.特點特點(1)(1)同步衛(wèi)星的運行方向與地球自轉方向一致同步衛(wèi)星的運行方向與地球自轉方向一致. .(2)(2)同步衛(wèi)星的運轉周期同步衛(wèi)星的運轉周期( (角速度角速度) )與地球自轉周期與地球自轉周期( (角速度角速度) )相同相同,T=24 h.,T=24 h.(3)(3)同步衛(wèi)星的軌道平面在赤道平面上同步衛(wèi)星的軌道平面在赤道平面上, ,即所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正即所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方上方. .(4)(4)同步衛(wèi)星高度固定不變同步衛(wèi)星高度固定不變(h=3.6(h=3.610104 4 km). km).【典例典例3 3】 ( (多選多選) )已知地球質量為已知地球質量為M,M,半徑為半徑為R,R,自轉周期為自轉周期為T,T,地球同步衛(wèi)地球同步衛(wèi)星質量為星質量為m,m,引力常量為引力常量為G.G.有關同步衛(wèi)星有關同步衛(wèi)星, ,下列表述正確的是下列表述正確的是( ( ) )A.A.衛(wèi)星的發(fā)射速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之間衛(wèi)星的發(fā)射速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之間B.B.衛(wèi)星運行的向心加速度小于地球赤道上物體的加速度衛(wèi)星運行的向心加速度小于地球赤道上物體的加速度ADAD(2)(2)同步衛(wèi)星的角速度同步衛(wèi)星的角速度、周期、周期與地球自轉的角速度與地球自轉的角速度、周期、周期T T相同相同. .近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星與赤道上的物體的比較近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星與赤道上的物體的比較 規(guī)律方法規(guī)律方法放在赤道上的物體與近地衛(wèi)星有著顯著的區(qū)別放在赤道上的物體與近地衛(wèi)星有著顯著的區(qū)別. .首先兩者的受力不同首先兩者的受力不同, ,前者受到的萬有引力只有一小部分充當向心力前者受到的萬有引力只有一小部分充當向心力, ,絕大多數(shù)作為重力使得絕大多數(shù)作為重力使得物體緊壓地面物體緊壓地面; ;而后者受到的萬有引力全部充當向心力而后者受到的萬有引力全部充當向心力, ,它們的運動周它們的運動周期和速度也不同期和速度也不同, ,并且有很大的差異并且有很大的差異. .赤道上的物體相對地球保持靜止赤道上的物體相對地球保持靜止, ,而近地衛(wèi)星相對于地球而言處于高速旋轉狀態(tài)而近地衛(wèi)星相對于地球而言處于高速旋轉狀態(tài). .同步衛(wèi)星和近地衛(wèi)星都同步衛(wèi)星和近地衛(wèi)星都只受萬有引力只受萬有引力, ,全部提供向心力全部提供向心力, ,研究方法相同研究方法相同. .例例3 3-1-1: :( (多選多選) )已知地球質量為已知地球質量為M,M,半徑為半徑為R,R,自轉周期為自轉周期為T,T,地球同步衛(wèi)星質地球同步衛(wèi)星質量為量為m,m,距地球表面距離為距地球表面距離為h,h,引力常量為引力常量為G.G.有關同步衛(wèi)星有關同步衛(wèi)星, ,下列表述正確的下列表述正確的是是( ( ) )A.A.衛(wèi)星距地面的高度為衛(wèi)星距地面的高度為B.B.衛(wèi)星的運行速度小于第一宇宙速度衛(wèi)星的運行速度小于第一宇宙速度C.C.衛(wèi)星運行時受到的向心力大小為衛(wèi)星運行時受到的向心力大小為G GD.D.衛(wèi)星運行的向心加速度小于地球表面的重力加速度衛(wèi)星運行的向心加速度小于地球表面的重力加速度BDBD2324GMT2MmR針對訓練針對訓練3 3- - ( (多選多選) )目前我國已發(fā)射北斗導航地球同步衛(wèi)星十六顆目前我國已發(fā)射北斗導航地球同步衛(wèi)星十六顆, ,大大大提高了導航服務質量大提高了導航服務質量, ,這些衛(wèi)星這些衛(wèi)星( ( ) )A.A.環(huán)繞地球運行時可以不在同一條軌道上環(huán)繞地球運行時可以不在同一條軌道上B.B.運行角速度相同運行角速度相同C.C.運行線速度大小相等運行線速度大小相等D.D.向心加速度與靜止在赤道上物體的向心加速度大小相等向心加速度與靜止在赤道上物體的向心加速度大小相等BCBC達標測評達標測評 隨堂演練隨堂演練檢測效果檢測效果1.1.關于地球的第一宇宙速度關于地球的第一宇宙速度, ,下列表述正確的是下列表述正確的是( ( ) )A.A.第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度B.B.第一宇宙速度又叫脫離速度第一宇宙速度又叫脫離速度C.C.第一宇宙速度跟地球的質量無關第一宇宙速度跟地球的質量無關D.D.第一宇宙速度跟地球的半徑無關第一宇宙速度跟地球的半徑無關A A2.2.關于地球同步衛(wèi)星的說法正確的是關于地球同步衛(wèi)星的說法正確的是( ( ) )A.A.所有地球同步衛(wèi)星一定在赤道上空所有地球同步衛(wèi)星一定在赤道上空B.B.不同的地球同步衛(wèi)星不同的地球同步衛(wèi)星, ,離地高度不同離地高度不同C.C.不同的地球同步衛(wèi)星的向心加速度大小不相等不同的地球同步衛(wèi)星的向心加速度大小不相等D.D.所有地球同步衛(wèi)星受到的向心力大小一定相等所有地球同步衛(wèi)星受到的向心力大小一定相等 A A3.3.假設地球和火星都繞太陽做勻速圓周運動假設地球和火星都繞太陽做勻速圓周運動, ,已知地球到太陽的距離小于已知地球到太陽的距離小于火星到太陽的距離火星到太陽的距離, ,那么那么( ( ) )A.A.地球公轉的周期大于火星公轉的周期地球公轉的周期大于火星公轉的周期B.B.地球公轉的線速度小于火星公轉的線速度地球公轉的線速度小于火星公轉的線速度C.C.地球公轉的加速度小于火星公轉的加速度地球公轉的加速度小于火星公轉的加速度D.D.地球公轉的角速度大于火星公轉的角速度地球公轉的角速度大于火星公轉的角速度D D4.4.月球的質量約為地球質量的月球的質量約為地球質量的 , ,半徑約為地球半徑的半徑約為地球半徑的 , ,地球上第一宇地球上第一宇宙速度約為宙速度約為7.9 km/s,7.9 km/s,則月球上第一宇宙速度約為多少則月球上第一宇宙速度約為多少? ?18114答案答案: :1.76 km/s1.76 km/s( (教師參考教師參考) )課堂小結課堂小結