高中物理5.宇宙航行导学案及答案

这是一份高中物理5.宇宙航行导学案及答案，共5页。学案主要包含了预习目标，预习内容，我的疑惑，学习目标，学习重点，学习难点，方法指导等内容，欢迎下载使用。

1．通过预习和查阅资料知道卫星运动的基本内容。
2．知道什么是同步卫星。
【预习内容】
1. 人造卫星的运行速度、角速度、周期与半径的关系
根据万有引力提供向心力，则有
（1）由，得，即人造卫星的运行速度与轨道半径的平方根成反比，所以半径越大（即卫星离地面越高），线速度越小。
（2）由，得，即，故半径越大，角速度越小。
（3）由，得，即，所以半径越大，周期越长，发射人造地球卫星的最小周期约为85分钟。
2. 人造卫星的发射速度和运行速度（环绕速度）
（1）发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度，并且一旦发射后就再也没有补充能量，被发射物仅依靠自身的初动能克服地球引力做功上升一定高度，进入运动轨道（注意：发射速度不是应用多级运载火箭发射时，被发射物离开地面发射装置的初速度）。要发射一颗人造卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。因此，第一宇宙速度又是最小的发射速度。卫星离地面越高，卫星的发射速度越大，贴近地球表面的卫星（近地卫星）的发射速度最小，就是其运行速度即第一宇宙速度。
（2）运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度，根据可知，卫星越高，半径越大，卫星的运行速度（环绕速度）就越小，近地卫星可认为，其他较高卫星的。
3.地球同步卫星
相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星，又叫通讯卫星。同步卫星有以下几个特点：
（1）同步卫星的运行方向与地球自转方向一致。
（2）同步卫星的运转周期与地球自转周期相同，且
（3）同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度。
（4）要与地球同步，卫星的轨道平面必须与赤道平面平行，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，不可能定点在我国某地上空。
（5）同步卫星高度固定不变。
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a的大小均相同。
4.人造卫星的超重与失重
（1）人造卫星在发射升空时，有一段加速运动：在返回地面时，有一段减速运动，这两个过程加速度方向均向上，因而都是超重状态。
（2）人造卫星在沿圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力，所以处于完全失重状态，在这种情况下凡是与重力有关的力学现象都会停止发生。因此，在卫星上的仪器，凡是制造原理与重力有关的均不能使用，同理，与重力有关的实验也将无法进行。
【我的疑惑】
探究案
【学习目标】
1．初步掌握人造卫星的发射、运行、回收知识。
2．定量描述同布卫星。
3．能辨析赤道上的物体、近地卫星、同步卫星。
【学习重点】卫星的运行、同步卫星
【学习难点】辨析赤道上的物体、近地卫星、同步卫星
【方法指导】 合作探究、练习巩固
探究1.卫星运行的基本量分析
例：如图所示，a、b、c是在地球大气层外的圆形轨道上运动的三颗人造卫星，下列说法中正确的是:（ ）
A．b、c的线速度大小相等，且大于a的线速度
B．b、c的向心加速度大小相等，且小于a的向心加速度
C．b、c的运行周期相同，且小于a的周期
D．由于某种原因，a的轨道半径缓慢减小，a的线速度大小将保持不变
练习1.火星有两颗卫星，分别是火卫一和火卫二，它们的轨道近似为圆．已知火卫一的周期为7.5小时，火卫二的周期为30.3小时，则两颗卫星相比，以下说法中正确的是:( )
A．火卫一距火星表面较远 B．火卫二的角速度较小
C．火卫一的运行速度较小 D．火卫二的向心加速度较大
练习2.在某星球表面以初速度V 0 竖直上抛一个物体，若物体只受该星球引力作用，忽略其他力的影响，物体上升的最大高度为H，已知该星球的直径为D，如果要在这个星球上发射一颗绕它的表面运行的卫星，其环绕速度为: （ ）
A. B. C. D.
探究2.卫星的发射
例：如图所示，是某次发射人造卫星的示意图。人造卫星先在近地的圆周轨道1上运动，然后改在椭圆轨道2上运动，最后在圆周轨道3上运动。a点是轨道1、2的交点，b点是轨道2、3的交点．人造卫星在轨道1上的速度为v1，在轨道2上a点的速度为v2a，在轨道2上b点的速度为v2b，在轨道3上的速度为v3，则以上各速度的大小关系是:( )
A．v1＞v2a＞v2b＞v3 B．v1 < v2a < v2b < v3
P
Q
Ⅰ
Ⅱ
地
C．v2 a＞v1＞v3 ＞v2b D．v2 a＞v1＞v2b＞v
练习1.在发射地球同步卫星的过程中，卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ，然后在Q点通过改变卫星速度，让卫星进入地球同步轨道Ⅱ。则: （ ）
A．该卫星的发射速度必定大于11.2km/s
B．卫星在同步轨道Ⅱ上的运行速度大于7.9km/s
C．在轨道Ⅰ上，卫星在P点的速度大于在Q点的速度
D．卫星在Q点通过加速实现由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ
探究3.卫星变轨分析
例：2004年9月18日，欧盟和中国草签了中国参与伽利略项目的协议，我国和欧盟合作的建国以来最大的国际科技合作计划—伽利略计划将进入全面实施阶段。这标志着欧洲和我们都将拥有自己的卫星导航定位系统，并结束美国全球卫星定位系统（GPS）在世界独占熬头的局面。伽利略系统将由27颗运行卫星和3颗预备卫星组成，可以覆盖全球，预计于2008年投入使用。卫星的轨道高度为km，倾角为，分布在3个轨道上，每个轨道面部署9颗工作卫星和1颗在轨预备卫星，当某颗工作卫星出现故障时可及时顶替工作。若某颗预备卫星处在略低于工作卫星的轨道上，以下说法中正确的是:( )
A．预备卫星的周期大于工作卫星的周期，速度大于工作卫星的速度
B．预备卫星的周期小于工作卫星的周期，速度小于工作卫星的速度
C．为了使该颗预备卫星进入工作卫星的轨道上，应考虑启动火箭发动机向后喷气，通过反冲作用从较低轨道上使卫星加速
D．为了使该颗预备卫星进入工作卫星的轨道上，应考虑启动火箭发动机向前喷气，通过反冲作用从较低轨道上使卫星
练习1.1998年1月发射的“月球勘探者号”空间探测器，运用最新科技手段对月球进行近距离勘探，在月球重力分布、磁场分布及元素测定等方面取得了最新成果．探测器在一些环形山中发现了质量密集区，当飞越这些质量密集区时，通过地面的大口径射电望远镜观察，“月球勘探者号”的轨道参数发生了微小的变化，这些变化是:（ ）
A、半径变小 B、半径变大 C、速率变小 D、速率变大
练习2.启动卫星的发动机使其速度加大，待它运动到距离地面的高度比原来大的位置，再定位使它绕地球做匀速圆周运动成为另一轨道的卫星，该卫星后一轨道与前一轨道相比:( )
A.速度增大 B.周期减小 C.角速度增大 D.加速度减小
探究4.同步卫星
例：已知万有引力常量G，地球半径R，月球和地球之间的距离r，同步卫星距地面的高度h，月球绕地球的运转周期T1，地球的自转周期T2，地球表面的重力加速度g。某同学根据以上条件，提出一种估算地球质量M的方法：同步卫星绕地球作圆周运动，由得
⑴请判断上面的结果是否正确，并说明理由。如不正确，请给出正确的解法和结果。
⑵请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果。
练习1.气象卫星是用来拍摄云层照片，观测气象资料和测量气象数据的。我国先后自行成功研制和发射了"风云一号"和"风云二号"两颗气象卫星，"风云一号"卫星轨道与赤道平面垂直，通过两极，每12小时巡视一周，称为"极地圆轨道"，"风云二号"气象卫星轨道平面在赤道平面内，称为"地球同步轨道"，则:（ ）
A.“风云一号”比"风云二号"的发射速度大 B.“风云一号”比"风云二号"的线速度大
C.“风云一号”比"风云二号"的运动周期大 D．“风云一号”比"风云二号" 的向心加速度大
练习2.1984年4月8日，我国第一颗地球静止轨道试验通信卫星发射成功，16日，卫星成功地定点于东经125度赤道上空。2003年10月15日9时整，“神舟”五号载人飞船进入预定轨道，将中国第一名航天员送上太空，飞船绕地球14圈，即飞行21小时后，于16日6时23分在内蒙古阿木古郎草原安全着陆，由以上材料可知:( )
A．“通信卫星”运行周期较“神舟”五号的大 B．“通信卫星”运行轨道半径较“神舟”五号的大
C．“通信卫星”运行的线速度较“神舟”五号的大
D．“神舟”五号经过赤道上空时，也可以实现定点，与地球自转同步
练习3.2004年10月19日，中国第一颗业务型同步气象卫星——“风云二号C”发射升空，并进入预定轨道。下列关于这颗卫星在轨道上运行的描述，正确的是：( )
A．速度介于7.9km/s与11.2km/s之间 B．周期小于地球自转周期
C．加速度小于地面重力加速度 D． 处于平衡状态
探究5.赤道上的物体，近地卫星，同步卫星的比较
例题：如图所示，a为放在赤道上相对地球静止的物体，随地球自转做匀速圆周运动，b为沿地球表面附近做匀速圆周运动的人造卫星（轨道半径等于地球半径），c为地球的同步卫星，以下关于a、b、c的说法中正确的是:（ ）
A．a、b、c做匀速圆周运动的向心加速度大小关系为ab>ac>aa
B．a、b、c做匀速圆周运动的向心加速度大小关系为aa>ab>ac
C．a、b、c做匀速圆周运动的线速度大小关系为va=vb>vc
D．a、b、c做匀速圆周运动的周期关系为Ta=Tc>Tb
练习 同步卫星A的运行速率为，向心加速度为，运转周期为T1；放置在地球赤道上的物体B随地球自转的线速度为，向心加速度为，运转周期为T2；在赤道平面上空做匀速圆周运动的近地卫星C的速率为，向心加速度为，动转周期为T3。比较上述各量的大小可得:（ ）
A．T1=T2>T3B．>>C．<=D．>>