第4節(jié) 人造衛(wèi)星 宇宙速度

第4節(jié)人造衛(wèi)星宇宙速度核心素養(yǎng)導學

物理觀念(1)知道三個宇宙速度的含義。(2)知道同步衛(wèi)星和其他衛(wèi)星的區(qū)別。(3)了解發(fā)射速度與環(huán)繞速度的區(qū)別和聯(lián)系。科學思維(1)會推導第一宇宙速度。(2)會分析人造地球衛(wèi)星的受力和運動情況，并能解決涉及人造地球衛(wèi)星運動的問題?？茖W態(tài)度與責任了解宇宙航行的歷程和進展，感受人類對客觀世界不斷探究的精神和情感。一、從幻想到現實——人造衛(wèi)星1．1895年，俄國宇航先驅

率先提出了制造并發(fā)射人造地球衛(wèi)星的設想。2．1957年10月4日，蘇聯(lián)將第一顆

送入環(huán)繞地球的軌道。二、宇宙速度1．對第一宇宙速度的理解：

第一宇宙速度是在地面上發(fā)射衛(wèi)星的

速度，等于衛(wèi)星圍繞

做勻速圓周運動的速度。齊奧爾科夫斯基人造衛(wèi)星最小地球表面7.911.216.71.牛頓設想，如圖所示把物體從高山上水平拋出，當速度足夠大時

物體不再落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。請對以下結論作出判斷：(1)若物體的初速度v＝7.9km/s時，物體將繞地球做勻速圓周運動。

()(2)若物體的初速度v＞11.2km/s，物體將繞地球做橢圓軌道運動。

()(3)若物體的初速度v＞16.7km/s，物體將掙脫地球的束縛。

()(4)若物體的初速度滿足7.9km/s＜v＜11.2km/s，物體將繞地球做橢圓軌道運動。

()(5)發(fā)射同步衛(wèi)星的最小發(fā)射速度為7.9km/s。

()√××√×2.我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射的第45顆北斗導航衛(wèi)星屬地球靜止軌道衛(wèi)星。請對以下結論作出判斷：(1)該衛(wèi)星可以定點在北京市的正上方。

()(2)該衛(wèi)星運行的速度小于第一宇宙速度。

()(3)該衛(wèi)星只能定點在赤道平面內。

()(4)該衛(wèi)星的運行周期為24h。

()(5)該衛(wèi)星與同軌道上的其他衛(wèi)星具有相同的質量。

()×√√√×(2)意義：①第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度。

②第一宇宙速度也是人造衛(wèi)星做勻速圓周運動的最大環(huán)繞速度。(3)對“最小發(fā)射速度”與“最大環(huán)繞速度”的理解

①“最小發(fā)射速度”：向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，因為發(fā)射衛(wèi)星要克服地球對它的引力。近地軌道是人造衛(wèi)星的最低運行軌道，而近地軌道的發(fā)射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度。[針對訓練]1．若取地球的第一宇宙速度為8km/s，某行星質量是地球的6倍，半徑是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度為 (

)A．16km/s

B．32km/sC．4km/sD．2km/s3．我國首次火星探測任務被命名為“天問一號”。已知火星質量約為地球質量的10%，半徑約為地球半徑的50%，下列說法正確的是

(

)A．火星探測器的發(fā)射速度應大于地球的第二宇宙速度B．火星探測器的發(fā)射速度應介于地球的第一和第二宇宙速度之間C．火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度D．火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度新知學習(二)|人造地球衛(wèi)星的運動分析[重點釋解]1．人造地球衛(wèi)星的軌道

由于衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的向心力由地球對衛(wèi)星的萬有

引力提供，故衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的圓心必與地心重合，

其運行軌道可分為如下三類(如圖所示)：(1)赤道軌道：衛(wèi)星的軌道與赤道共面，衛(wèi)星始終處于赤道正上方。(2)極地軌道：衛(wèi)星的軌道與赤道平面垂直，衛(wèi)星經過兩極上空。(3)任意軌道：衛(wèi)星的軌道與赤道平面成某一角度θ(0＜θ＜90°)。[典例體驗][典例1]

(多選)如圖所示的三顆人造地球衛(wèi)星，則下列說法正確的是(

)A．衛(wèi)星可能的軌道為a、b、cB．衛(wèi)星可能的軌道為a、cC．靜止軌道衛(wèi)星可能的軌道為a、cD．靜止軌道衛(wèi)星可能的軌道為a[解析]

衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內，也可以和赤道平面垂直，還可以和赤道平面成任一角度。但是由于地球對衛(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球運動的向心力，所以，地心必須是衛(wèi)星圓軌道的圓心，因此衛(wèi)星可能的軌道一定不會是b。靜止軌道衛(wèi)星只能位于赤道的正上方，所以靜止軌道衛(wèi)星可能的軌道為a。[答案]

BD/方法技巧/地球靜止軌道衛(wèi)星的六個“一定”[針對訓練]1．(多選)如圖中的四種虛線軌跡，可能是人造地球衛(wèi)星軌道的是

(

)解析：人造地球衛(wèi)星靠地球對衛(wèi)星的萬有引力提供向心力而繞地球做勻速圓周運動，地球對衛(wèi)星的萬有引力方向指向地心，所以人造地球衛(wèi)星做圓周運動的圓心是地心，否則不能做穩(wěn)定的圓周運動，故A、C、D正確，B錯誤。答案：ACD

2．北斗問天，國之夙愿。我國北斗三號系統(tǒng)的收官之星是地球靜止軌道衛(wèi)星，其軌道半徑約為地球半徑的7倍。與近地軌道衛(wèi)星相比，地球靜止軌道衛(wèi)星

(

)A．周期大 B．線速度大C．角速度大 D．加速度大新知學習(三)|衛(wèi)星變軌問題[典例體驗][典例]

(2023·海南高考)(多選)如圖所示，1、2軌道分別是天宮二號飛船在變軌前、后的軌道，下列說法正確的是(

)A．飛船從1軌道變到2軌道要點火加速B．飛船在1軌道的周期大于2軌道的C．飛船在1軌道的速度大于2軌道的D．飛船在1軌道的加速度大于2軌道的[答案]

ACD[針對訓練]1. 新型“長征”運載火箭，將重達8.4t的“神舟”號飛船向

上送至近地軌道1(如圖所示)。飛船與火箭分離后，在軌

道1上以速度7.2km/s繞地球做勻速圓周運動，則

(

)A．飛船在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率B．飛船在軌道3上的角速度大于在軌道1上的角速度C．飛船在軌道1上經過Q點的加速度大于它在軌道2上經過Q點的加速度D．飛船從軌道1進入軌道2必須要加速2.(多選)繼“天宮一號”空間實驗室之后，我國又發(fā)射“神舟八號”

無人飛船，它們的運動軌跡如圖所示。假設“天宮一號”繞地球

做圓周運動的軌道半徑為r，周期為T，萬有引力常量為G。則下

列說法正確的是

(

)A．在遠地點P處，“神舟八號”的加速度與“天宮一號”的加速度大小相等B．根據題中條件可以計算出地球的質量C．根據題中條件可以計算出地球對“天宮一號”的引力大小D．要實現“神舟八號”與“天宮一號”在遠地點P處對接，“神舟八號”需

在靠近P處點火減速一、好素材分享

——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

物理觀念——人造衛(wèi)星1．(選自魯科版新教材“科學書屋”)人造衛(wèi)星是人類的“千里眼”和“順風耳”。人造衛(wèi)星種類很多、用途各異，有科學衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星(右圖)、地球資源衛(wèi)星、環(huán)境檢測衛(wèi)星和照相偵察衛(wèi)星等，衛(wèi)星上的照相機和雷達等設備可以幫助人們看得更遠、更深入。衛(wèi)星上的接收器和轉發(fā)器可以幫助人們接收和轉發(fā)信息。例如，通信衛(wèi)星可以把相距遙遠的兩地連接起來，即使是邊遠地區(qū)也可以進入通信網絡。尤其是靜止通信衛(wèi)星(也叫地球同步衛(wèi)星)，為人類通信帶來了極大方便。靜止通信衛(wèi)星繞地球運行一周的時間和地球自轉一周的時間相同，在地球上觀察，赤道上方與地球同步運行的通信衛(wèi)星總是靜止不動的。從理論上來說，發(fā)射三顆等距分布在地球同步軌道上的靜止通信衛(wèi)星就幾乎可以實現全球通信了。

根據上述數據，運用物理學知識，寫出該同學可能會質疑的內容與推導判斷過程。二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．(2022·湖北高考)2022年5月，我國成功完成了天舟四號貨運飛船與空間站的對接，形成的組合體在地球引力作用下繞地球做圓周運動，周期約90分鐘。下列說法正確的是

(

)A．組合體中的貨物處于超重狀態(tài)B．組合體的速度大小略大于第一宇宙速度C．組合體的角速度大小比地球同步衛(wèi)星的大D．組合體的加速度大小比地球同步衛(wèi)星的小答案：C2. 我國發(fā)射的“天宮二號”空間實驗室繞地球運行軌道比“天宮一號”空間實驗室繞地球運行軌道高約50km，假設“天宮二號”和“天宮一號”均繞地球做勻速圓周運動。則

(

)A．“天宮二號”繞地球運行的線速度比“天宮一號”繞地球運行