物理必修24.万有引力理论的成就学案

这是一份物理必修24.万有引力理论的成就学案，共6页。学案主要包含了人造卫星的运行原理和轨道，宇宙速度，人造卫星的发射速度和运行速度，人造卫星绕行线速度，地球同步卫星等内容，欢迎下载使用。
学习目标:
1．知道人造卫星的运行原理和轨道。
2．知道三个宇宙速度。
3．掌握人造卫星的周期、线速度、角速度跟其轨道半径的关系。
学习重点:
1．人造卫星的运行原理和轨道。
2．人造卫星的周期、线速度、角速度跟其轨道半径的关系。
学习难点: 人造卫星的周期、线速度、角速度跟其轨道半径的关系。
主要内容:
一、人造卫星的运行原理和轨道
1．运行原理：
2．运行轨道
二、宇宙速度：
1．第一宇宙速度(环绕速度)：
2．第二宇宙速度(脱离速度)：
3．第三宇宙速度(逃逸速度)：
三、人造卫星的发射速度和运行速度
人造卫星的发射速度与运行速度是两个不周的概念。所谓发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定高度，进入运动轨道。要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。若发射速度等于第一宇宙速度，卫星只能“贴着”地面近地运行，如果要使人造卫星在距地面较高的轨道上运行，就必须使发射速度大于第一宇宙速度。
所谓运行速度，是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。当卫星“贴着”地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度。根据知，人造卫星距地面越高(即轨道半径r越大)，运行速度越小。实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，所以卫星的实际运行速度一定小于发射速度。人造卫星的发射速度与运行速度之间的大小关系是：1 1．2km／．y>v发≥7．9km／s>v运
四、人造卫星绕行线速度、角速度、周期与半径的关系
1．线速度与半径的关系：
2．角速度与半径的关系：
3．周期与半径的关系：由
五、地球同步卫星
所谓地球同步卫星，是相对地面静止的跟地球自转同步的卫星。卫星要与地球自转同步，必须满足下列条件：
1．卫星绕地球的运行方向与地球自转方向相同，且卫星的运行周期与地球
自转周期相同(即等于24h)。
2．卫星运行的圆形轨道必须与地球的赤道平面重合。
3．卫星的的轨道高度一定(距地面3．6万公里)。
【例一】关于第一宇宙速度，下面说法中正确的是：
A．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小遮度
B．它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度
C．它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D．它是卫星在椭圆轨道上运动时在近地点的速度
【例二】设地球半径为R，一颗人造卫星在离地面高度h=R的圆形轨道上运行，其运行速度是第一宇宙速度的多少倍?
【例三】把一颗质量为2t的人造地球卫星送入环绕地球运行的圆形轨道，已知地球质量为6×1024kg，半径为6．4×103km。这颗卫星运行的周期是多少小时？
◆【例四】假设同步1J星的轨道半径足地球赤道半释的胛倍，则：
彳·j司步1j晕的向心加速度足赤道上物体m山加速度的(起+1)倍
B·J司步1j星的向心加速度足赤道上物体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体向心加速度的三倍
D·J司步．_l丁星的向心加速度足赤道上物体重力加速度的以倍
课堂训练
l_ ~．LLt．fJ星绕地球作匀速圆周运动，则离地面越近的卫星，其( )
(A)速度越大 B．角速度越大 c．向心加速度越大 D．周期越长
r当人造卫星绕地球做匀速圆周
爿．．定等于7．9千米／秒
C．·定大于7．9千米／秒
运动时，其绕行速度( )
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．宇航鼬觉处于失重状态
4+凡．审舱做圆周运动的向心力由地球对它的引力旋供 ·r子凯贝{瑟r见处了大里1八芯
}裂内篙无4热蝴蝴寸了D1984 8 ‘镒瓣景篷基公转…觚跟
4．我国在 年 月 目成功地发射了‘‘颗通汛1_J星，这颗Ii星绕地球公转嗣用逐厦叫’业健
地球自转的角速度u2之比ul／“2===——
≯只然半径为R。，地．球表面处的重力加速度为g，一颗人造』j星围绕地球做匀速圆周运动，
1。地球的半径为，地球表面处的重力加速度为 ，一颗人造lJ星围绕地坏1取刽避圆刷垤列’
A：瞳星的速度大小为 曰．一p星的角速度大小为
c．卫星的加速度大小为g／2 D—p星的运动周期芫
2．两颗人造卫星4和B的质量之比为1：2，它们的轨道半释之比为3：1，~-a,-JWJ~,fr]恰好-
与地球在同一条直线上，q。知两颗．p星的( )
爿．线速度之比v4：v旷1：3 B．向心加速度之比吼：盘片。1：3
C．向心力之比几：凡：1：1 8 D．周期之比乃：％：：：3-1 。 …
3．’桑人造地球卫星离地面高度等于地球的直径，它绕地球作匀速圆周运动的厂uj心加速度(以米
／秒。为单位)最接近于以下四个数值中的( )
A5 ．B…．1…～…C．0…．5…。。。D、．0．。1。r'-r'-r'-r'-r~-E，丰=^窗讪丙M宣离p．书帚刊F．I碲的I坐裕．
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4．J}fj m表不地琳迥。m—I一星Ll口J少Ii生／flu)Y4’’‘仪小b网’。…‘…““”旷““～一。……’
鳓表示地球表面的重力加速度，缈0表示地球目转的角速度，则像l!壁所义削地球刈匕驯／。伺
引力的大小为( )
5．地球半径为R，地面的重力加速度为g，某小星距地面的高度也为R，设卫星作匀速圆周运
动，下列说法正确的是( )
彳．Ⅳ星的线速度为 B．p星的角速度为
C．p星的加速度为D．jIJ望的周期为
6．环绕地球。做匀速圆周运动的人造卫星，距地面高度越大，
彳．线速度和周期越大 B．线逐度午Ⅱ周期越小
C．线速度越大，周期越小D．线速度越小，周期越大．
7．如果地球自转速度加快以使赤道上的物体能克服地球引力
以下说法中正确的是( )
叮脱离地面飘浮起来，这时地球
自转的最大周期p——(地球半径为尺，地面重力加速度为g)．
8．已知地球半径约为6．4×106m，又知月球绕地球的运动可近似看作匀速圆周运动，则可估算出月球到地心的距离约为 m。(结果只保留一位有效数字)
9．如果有一个行星质量是地球的l／8，半径是地球半释的1／2。求在这一行星上发射卫星的环绕速度。
10．甲、乙两颗人造地球卫星在同一轨道平面上的不同高度处同向运动(可视为匀速圆周运动)，甲距地面的高度为地球半径的O．5倍，乙距地面的高度为地球半径的5倍，两卫星的某一时刻正好位于地球表面某点的正上空，求： (1)两卫星运行的线速度之比?(2)乙卫星至少要经过多少周期，两卫星间的距离才会达到最大?
11．无人飞船“神州二号”曾在离地面高度为H=3．4×105m的圆轨道上运行了47小时。求在这段时间内它绕行地球多少圈?(地球半径R=6．37×106m，重力加速度g=9．8m／s2)
阅读材料：静止卫星为何要多次点火
1997年5月12日O时，我国新一代通信卫星东方红三号由长征三号甲火箭发射升空。东方红三号卫星升空后首先进入了近地点高209km、远地点高36194km、倾角28．3的地球同步转移轨道．当日下午4时，卫星上490牛推力的远地总发动机第一次点火，50分钟后，卫星变轨成功，其近地点提高到6488km，倾角减少到l 2.3(远地点高度为36194km不变)．5月13日、14日，在西安卫星测控中心控制下，卫星上远地点发动机又先后两次点火，卫星顺利进入地球准同步轨道．此后，用卫星上l O牛推力器进行位置捕获，使卫星于5月20日定点在东经125的赤道上空。
为什么该卫星要经3次变轨及位置捕获才能定点工作呢?这是由于地球静止轨道高度约3586Okm，且轨道倾角为0(在该轨道运行的卫星，从地球上看好像是不动的，卫星运行周期与地球自转周期相等)。要把卫星送到这个高度，并使卫星以3．07km／s同步速度运行，这就要求火箭能够达到1O．4km／s的速度．它已接近第二宇宙速度(112km／s)，一般火箭很难“一步到位”，再因发射场不在赤道上，所以通常须进行多次变轨才能进入预定的地球静止轨道。
我国发射静止轨道卫星一般是这样的：①用火箭把卫星送入约近地点200km、远地点
36OOOkm、倾角28．5的椭圆形轨道．②卫星在运行到远地点附近时，几次用卫星上远地点发动机变轨，不断抬高近地点高度，使椭圆形轨道逐渐拉高为距地面高36000砌的圆轨道．③卫星进入准同步轨道后，靠星上小推力器向定点位置飘移，并调整轨道的各个参数．使卫星的轨道倾角接近零，轨道周期接近于地球自转周期．④卫星定点后还要进行定点保持．由于地球扁率和太阳光压会引起卫星在定点位置的东西方向上飘移，要克服这种飘移，使卫星保持在定点位置的±O．1。范围，需用星上推力器不断进行轨道修正，每年要付出2m／s的修正速度．日月引力会引起倾角变化，使卫星在南北方向上产生飘移，飘移速度约O．75。～O．95。／年不等，不同年伤不一样．要克服这种飘移，使卫星在南北方向上也保持在上0．1。的范围内，每年需付出40～51m／s的修正速度．所以，地球静止轨道卫星在轨工作寿命期间，地面测控站要定期地测量卫星轨道，并定期修正，直到卫星上控制系统的燃料用完．