【金版学案】2015-2016学年高中物理第6章第五节宇宙航行学案新人教版必修2..docVIP

第六章　万有引力与航天 “嫦娥三号”卫星是嫦娥绕月探月工程计划中嫦娥系列的第三颗人造绕月探月卫星．“嫦娥三号”要携带探测器在月球着陆实现月面巡视、月夜生存等重大突破开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分等探测活动．根据中国探月工程三步走的规划中国将在2013年前后进行首次月球软着陆探测和自动巡视勘察．了解人造地球卫星的最初构想．知道三个宇宙速度的含义会推导第一宇宙速度的表达式．掌握人造地球卫星的线速度、角速度、周期和半径的关系．能运用万有引力定律及匀速圆周运动的规律解决卫星运动的有关问题．一、人造卫星牛顿对人造卫星原理的描绘．设想在高山上有一门大炮水平发射炮弹初速度越大水平射程就越大．可以想象当初速度足够大时这颗炮弹将不会落到地面将和月球一样成为地球的一颗人造地球卫星．人造卫星绕地球运行的动力学原因．人造卫星在绕地球运行时只受到地球对它的万有引力作用人造卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供．人造卫星的运动可近似地看做匀速圆周运动其向心力就是地球对它的吸引力．＝＝mω＝m．由此得出卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径r的关系：＝ ω＝ T＝由此可见卫星的轨道半径确定后其线速度、角速度和周期也唯一确定与卫星的质量无关即同一轨道上的不同卫星具有相同的周期、线速度及角速度而且对于不同轨道轨道半径越小卫星线速度和角速度越大周期越小．二、宇宙速度物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫做第一宇宙速度也叫地面附近的环绕速度．近地卫星的轨道半径为：r＝R万有引力提供向心力则有＝m．从而第一宇宙速度为：v＝＝7.9第二宇宙速度11.2_km/s．如果在地面附近发射飞行器发射速度7.9 ；则它绕地面运行的轨迹是椭圆．第三宇宙速度的大小为16.7_即若在地面附近发射一个物体使物体能够挣脱太阳引力的束缚飞到太阳系外则必须使它的速度等于或大于第三宇宙速度．卫星的变轨一、如何变轨人造地球卫星在发射的过程中需要把如何才能实现圆与椭圆的互相转变？人造地球卫星运行轨道的改变是通过它自带的推进器来实现的．如图所示为一人造地球卫星从椭圆轨道的远地点进入圆形轨道的示意图．椭圆是人造地球卫星正在运行的轨道大圆是以地心为圆心以远地点A到地心距离r为半径的圆．当卫星在椭圆上运动到A点和在大圆上运动到A点时离地心的距离相同万有引力F＝大小相同由F＝ma知加速度的大小相同．若人造地球卫星沿椭圆轨道运行在A点时对应曲率半径为r则向心加速度a＝；若沿大圆轨道运行时在A点的向心加速度a＝因为a＝a即＝又r所以v由于这个原因人造地球卫星要从椭圆轨道进入大圆轨道只要A时用推进器向后喷气使其加速当速度达到沿大圆运动时的速度v时它就不再沿椭圆运行而沿大圆做圆周运动了．地球同步卫星就是利用这种原理进入同步轨道并保持在这条轨道上运行的．若人造卫星原来在大圆上运行则当它经过远地点A时利用推进器向前喷气使自己的速度减小到沿椭圆运行的速度v时它就从大圆轨道上到了椭圆轨道上．二、变轨问题的两点技巧当卫星绕天体做匀速圆周运动时万有引力提供向心力由G＝m得v＝由此可见轨道半径r越大线速度v越小．当由于某原因速度v突然改变时若速度v突然减小则Fm卫星将做近心运动轨迹为椭圆；若速度v突然增大则Fm卫星将做离心运动轨道变为椭圆此时可用开普勒第三定律分析其运动．卫星到达椭圆轨道与圆轨道的切点时卫星受到的万有引力相同所以加速度相同．三、典例剖析　(多选)发射地球同步卫星先将卫星发射至近地圆轨道1然后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圆轨道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轨道上正常运行时以下说法正确的是(　　)卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度卫星在轨道2上经过P点时的3上经过P点时的加速度点拨：卫星的加速度a＝G只与卫星到地心的距离r有关与卫星的轨道无关．卫星在不同轨道上的角速度ω、线速度v的大小关系可根据F万＝F向得出．解析：本题主要考查人造地球卫星的运动尤其是考查了同步卫星的发射过程对考生理解物理模型有很高的要求．由G＝m得＝因为r所以v由G＝mω得＝因为r所以ω卫星在轨道1上经Q点时的加速度为地球引力产生的加速度而在轨道2上经过Q点时也只有地球引力产生加速度故应相等．同理卫星在轨道2上经P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度．答案：1．(多选)下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是() A．第一宇宙速度v＝7.9 第二宇宙速度＝则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v小于v美国发射的“凤凰号”火星探测卫星其发射速度大于第三宇宙速度第二宇宙速度是地面附近使物体可以挣脱地球引力的束缚D．第一宇宙速度7.9 是人