高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 宇宙航行课时作业

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 宇宙航行课时作业，共14页。试卷主要包含了宇宙航行，近地卫星的速度，宇宙速度，同步卫星等内容，欢迎下载使用。
【学习素养·明目标】 物理观念：1.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度.2.认识同步卫星的特点．


科学思维：通过对比“同步卫星、近地卫星、地球赤道上物体”的运行规律，提高推理及分析综合能力．


科学态度与责任：1.了解人造卫星的相关知识和我国卫星发射的情况以及人类对太空的探索历程.2.了解我国火箭技术及人造卫星和飞船发射等的研究情况，激发学生的爱国热情．








一、宇宙速度


1．近地卫星的速度


(1)原理：飞行器绕地球做匀速圆周运动，运动所需的向心力由万有引力提供，所以meq \f(v2,r)＝Geq \f(Mm,r2)，解得：v＝eq \r(\f(GM,r)).


(2)结果：用地球半径R代表近地卫星到地心的距离r，可算出：v＝eq \r(\f(6.67×10－11×5.98×1024,6.4×106)) m/s＝7.9 km/s.


2．宇宙速度


二、人造地球卫星


1．动力学特点


一般情况下可认为人造卫星绕地球做匀速圆周运动，其向心力由地球对它的万有引力提供．


2．卫星环绕地球运动的规律


由Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)可得v＝eq \r(\f(GM,r)).


3．同步卫星：地球同步卫星位于赤道上方高度约36 000 km处，因相对地面静止，也称静止卫星．地球同步卫星与地球以相同的角速度转动，周期与地球自转周期相同．


三、载人航天与太空探索


1957年10月，苏联成功发射了第一颗人造地球卫星．


1969年7月，美国“阿波罗11号”登上月球．


2003年10月15日，我国航天员杨利伟踏入太空．





1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)


(1)发射人造地球卫星需要足够大的速度．(√)


(2)卫星绕地球运行不需要力的作用．(×)


(3)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大．(×)


(4)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10 km/s.(×)


(5)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9 km/s.(√)


(6)同步卫星可以“静止”在北京的上空．(×)


2．中国计划于2020年发射火星探测器，探测器发射升空后首先绕太阳转动一段时间再调整轨道飞向火星．火星探测器的发射速度( )


A．等于7.9 m/s


B．大于16.7 m/s


C．大于7.9 m/s且小于11.2 m/s


D．大于11.2 m/s 且小于 16.7 m/s


D [第一宇宙速度为7.9 km/s，第二宇宙速度为11.2 km/s，第三宇宙速度为16.7 km/s，由题意可知：火星探测器的发射速度大于11.2 km/s且小于16.7 km/s.故D正确．]


3．关于地球同步卫星的说法正确的是( )


A．所有地球同步卫星一定在赤道上空


B．不同的地球同步卫星，离地高度不同


C．不同的地球同步卫星的向心加速度大小不相等


D．所有地球同步卫星受到的向心力大小一定相等


A [地球同步卫星一定位于赤道上方，周期一定，离地面高度一定，向心加速度大小一定，所以A项正确，B、C项错误；由于F＝Geq \f(Mm,r2)，所以不同的卫星质量不同，其向心力也不同，D项错误．]





[观察探究]


发射卫星，要有足够大的速度才行．





(1)怎样求地球的第一宇宙速度？不同星球的第一宇宙速度是否相同？


(2)把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？


提示：(1)根据Geq \f(Mm,R2)＝meq \f(v2,R)，得v＝eq \r(\f(GM,R))；可见第一宇宙速度由地球的质量和半径决定；不同星球的第一宇宙速度不同．


(2)轨道越高，需要的发射速度越大．


[探究归纳]


1．计算方法


对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径R＝6 400 km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，取g＝9.8 m/s2，则





2．决定因素


由第一宇宙速度的计算式v＝eq \r(\f(GM,R))可以看出，第一宇宙速度的值由中心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量M和半径R，与卫星无关．


3．对发射速度和环绕速度的理解


(1)“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力．近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度．


(2)“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)可得v＝eq \r(\f(GM,r))，轨道半径越小．线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度．


【例1】 2019年4月20日22时41分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射第四十四颗北斗导航卫星，拉开了今年北斗卫星高密度组网的序幕．若已知地球表面重力加速度为g，引力常量为G，地球的第一宇宙速度为v1，则( )


A．根据题给条件可以估算出地球的质量


B．据题给条件不能估算地球的平均密度


C．第一宇宙速度v1是人造地球卫星的最大发射速度，也是最小环绕速度


D．在地球表面以速度2v1发射的卫星将会脱离太阳的束缚，飞到太阳系之外


A [设地球半径为R，则地球的第一宇宙速度为v1＝eq \r(gR)，对近地卫星有Geq \f(Mm,R2)＝mg，联立可得M＝eq \f(v\\al(4,1),gG)，A正确；地球体积V＝eq \f(4,3)πR3＝eq \f(4,3)πeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(v\\al(2,1),g)))eq \s\up20(2)，结合M＝eq \f(v\\al(4,1),gG)，可以估算出地球的平均密度为ρ＝eq \f(3g2,4πGv\\al(2,1))，B错误；第一宇宙速度v1是人造地球卫星的最小发射速度，也是最大的环绕速度，C错误；第一宇宙速度v1＝7.9 km/s，第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，第三宇宙速度v3＝16.7 km/s，在地球表面以速度2v1发射的卫星，速度大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度，此卫星称为绕太阳运动的卫星，D错误．]





地球三种宇宙速度的理解


(1)三种宇宙速度均指在地球上的发射速度．


(2)第一宇宙速度是卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度，也是卫星的最小发射速度．


(3)轨道半径越大的卫星，其运行速度越小，但其地面发射速度越大．








1．已知地球的质量约为火星质量的10倍，地球的半径约为火星半径的2倍，则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为( )


A．3.5 km/s B．5.0 km/s


C．17.7 km/s D．35.2 km/s


A [构建公转模型，对卫星由万有引力提供向心力，有Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)，对近地卫星v近地＝eq \r(\f(GM地,r近地))，同理对航天器有v航＝eq \r(\f(GM火,r航))，联立两式有eq \f(v航,v近地)＝eq \r(\f(M火r近地,M地r航))＝eq \f(\r(5),5)，而v近地＝7.9 km/s，解得v航＝3.5 km/s，A项正确．]





[观察探究]


如图所示，在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动．





(1)这些卫星的轨道平面有什么特点？


(2)这些卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度等跟什么因素有关呢？


提示：(1)轨道平面过地心．


(2)与轨道半径有关．


[探究归纳]


1.人造卫星的轨道：卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力充当向心力．因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道．当然也存在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道．如图所示．





2．地球同步卫星


(1)概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，叫作地球同步卫星．


(2)特点


①确定的转动方向：和地球自转方向一致．


②确定的周期：和地球自转周期相同，即T＝24 h.


③确定的角速度：等于地球自转的角速度．


④确定的轨道平面：所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合．


⑤确定的高度：离地面高度固定不变(3.6×104 km)．


⑥确定的环绕速率：线速度大小一定(3.1×103 m/s)．


【例2】 (多选)如图所示，赤道上随地球自转的物体A、赤道上空的近地卫星B、地球同步卫星C，它们的运动都可视为匀速圆周运动，比较三个物体的运动情况，以下判断正确的是( )





A．三者的周期关系为TA＜TB＜TC


B．三者向心加速度大小关系为aA＞aB＞aC


C．三者角速度的大小关系为ωA＝ωC＜ωB


D．三者线速度的大小关系为vA＜vC＜vB


思路点拨：该题抓住以下特点分析：


①A、C的共同特点：具有相同的周期和角速度．


②B、C的共同特点：F万＝F向，即eq \f(GMm,r2)＝meq \f(v2,r)等．


CD [因为同步卫星转动周期与地球自转周期相同，故TA＝TC，故A错误；因为同步卫星的周期和地球自转相同，故ωA＝ωC，根据a＝rω2知，A和C的向心加速度大小关系为aA＜aC，故B错误；


因为A、C的角速度相同，抓住B、C间万有引力提供圆周运动向心力有：Geq \f(mM,r2)＝mrω2


可得角速度ω＝eq \r(\f(GM,r3))，所以C的半径大，角速度小于B即：ωA＝ωC＜ωB，C正确；B、C比较：Geq \f(mM,r2)＝meq \f(v2,r)得线速度v＝eq \r(\f(GM,r))，知vC＜vB，A、C间比较：v＝rω，知C半径大线速度大，故有vA＜vC＜vB, D正确．故选C、D.]





同步卫星、近地卫星和赤道上随


地球自转物体的比较


(1)近地卫星是轨道半径近似等于地球半径的卫星，卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供．同步卫星是在赤道平面内，定点在某一特定高度的卫星，其做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供．在赤道上随地球自转做匀速圆周运动的物体是地球的一部分，它不是地球的卫星，充当向心力的是物体所受的万有引力与重力之差．


(2)近地卫星与同步卫星的共同点是卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供；同步卫星与赤道上随地球自转的物体的共同点是具有相同的角速度．当比较近地卫星和赤道上物体的运动规律时，往往借助同步卫星这一纽带，这样会使问题迎刃而解．








2．a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星．其中a、c的轨道相交于P，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上．某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图所示，下列说法中正确的是( )





A．a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度


B．b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度


C．a、c的线速度大小相等，且小于d的线速度


D．a、c存在P点相撞的危险


A [由Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)＝mω2r＝meq \f(4π2,T2)r＝ma可知，选项B、C错误，选项A正确；因a、c轨道半径相同，周期相同，既然图示时刻不相撞，以后就不可能相撞了．]


[要点归纳]


1．卫星的变轨问题


卫星变轨时，先是线速度v发生变化导致需要的向心力发生变化，进而使轨道半径r发生变化．


(1)当卫星减速时，卫星所需的向心力F向＝meq \f(v2,r)减小，万有引力大于所需的向心力，卫星将做近心运动，向低轨道变迁．


(2)当卫星加速时，卫星所需的向心力F向＝meq \f(v2,r)增大，万有引力不足以提供卫星所需的向心力，卫星将做离心运动，向高轨道变迁．


以上两点是比较椭圆和圆轨道切点速度的依据．


2．飞船对接问题


(1)低轨道飞船与高轨道空间站对接如图甲所示，低轨道飞船通过合理地加速，沿椭圆轨道(做离心运动)追上高轨道空间站与其完成对接．





甲 乙


(2)同一轨道飞船与空间站对接


如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度．


【例3】 (多选)如图所示，发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点(如图所示)则当卫星分别在1、2、3轨道正常运行时，以下说法正确的是( )





A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率


B．卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度


C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度


D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度


思路点拨：①判断卫星在不同圆轨道的运行速度大小时，可根据“越远越慢”的规律判断．


②判断卫星在同一椭圆轨道上不同点的速度大小时，可根据开普勒第二定律判断，即离中心天体越远，速度越小．


③判断卫星由圆轨道进入椭圆轨道或由椭圆轨道进入圆轨道时的速度大小如何变化时，可根据离心运动或近心运动的条件进行分析．


④判断卫星的加速度大小时，可根据a＝eq \f(F,m)＝Geq \f(M,r2)判断．


BD [对A：Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)，得v＝eq \r(\f(GM,r))，所以卫星在轨道3上的速率小于在轨道1上的速率，所以A错误．


对B：Geq \f(Mm,r2)＝mω2r，得ω＝eq \r(\f(GM,r3))，所以卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度，所以B正确．


对C：Geq \f(Mm,r2)＝ma，得a＝eq \f(GM,r2)，由于都在Q点，轨道高度是相同的，所以a是相同的，所以C错误．


对D：Geq \f(Mm,r2)＝ma，得a＝eq \f(GM,r2)，由于都在P点，轨道高度是相同的，所以a是相同的，所以D正确．]





上例中，卫星在轨道2上的P点向轨道3上转移时需要加速还是减速？卫星上的小火箭向哪个方向喷气？


提示：加速 向后喷气





3．(多选)如图所示，发射同步卫星的一般程序是：先让卫星进入一个近地的圆轨道，然后在P点变轨，进入椭圆形转移轨道(该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P点，远地点为同步圆轨道上的Q点)，到达远地点Q时再次变轨，进入同步轨道．设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在椭圆形转移轨道的近地点P点的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在同步轨道上的速率为v4，三个轨道上运动的周期分别为T1、T2、T3，则下列说法正确的是( )





A．在P点变轨时需要加速，Q点变轨时要减速


B．在P点变轨时需要减速，Q点变轨时要加速


C．T1v4>v3


CD [卫星在椭圆形转移轨道的近地点P时做离心运动，所受的万有引力小于所需要的向心力，即Geq \f(Mm,r\\al(2,1))v1；同理，由于卫星在转移轨道上Q点做离心运动，可知v3v4，由以上所述可知选项D正确；由于轨道半径r1