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12.人造卫星、宇宙速度、卫星变轨问题
课前检测
1.如图所示,“羲和号”是我国首颗可24小时全天候对太阳进行观测的试验卫星,该卫星绕地球可视
为匀速圆周运动,轨道平面与赤道平面垂直。卫星每天在相同时刻,沿相同方向经过地球表面A点正上
方,恰好绕地球运行n圈()。已知地球半径为R,自转周期为T,地球表面重力加速度为g,
则“羲和号”卫星运行的()
A.线速度大于第一宇宙速度B.角速度小于地球同步卫星的角速度
C.向心加速度大于地球同步卫星的向心加速度D.轨道距地面高度为
2.2024年2月10日是“天问一号”火星环绕器环火三周年纪念日。3年前“天问一号”火星探测器成功
实施制动捕获后,进入环绕火星椭圆轨道,成为中国第一颗人造火星卫星。要完成探测任务探测器需经
历如图所示变轨过程,轨道Ⅰ为圆轨道,轨道Ⅱ、轨道Ⅲ为椭圆轨道,三条轨道相切于P点。关于探测
器,下列说法正确的是()
A.探测器在轨道Ⅱ上的周期大于在轨道Ⅲ上的周期
B.探测器在轨道Ⅰ上的机械能大于在轨道Ⅱ上的机械能
C.探测器在轨道Ⅰ上经过P点的速度小于轨道Ⅱ上经过P点的速度
D.探测器在轨道Ⅰ上经过P点的加速度小于轨道Ⅱ上经过P点的加速度
考情分析
知识点试卷题号分值难易
宇宙速度2023年湖南卷选择题第4题4较易
2024年浙江卷选择题第9题3中
卫星与航图器2023年重庆卷选择题第10题4中
2022年上海卷选择题第10题4较易
目标解读
知识导图
课堂目标
1.掌握卫星环绕问题中各卫星线速度、角速度、周期、加速度的推导和对比;
2.掌握卫星第一宇宙速度的推导与计算,了解第二、第三宇宙速度;
3.理解卫星变轨原理,掌握卫星变轨问题中的动力学规律。
课程重难点
1.卫星环绕问题中各卫星线速度、角速度、周期、加速度的推导和对比;
2.卫星第一宇宙速度的常用表达方式(两种);
3.卫星环绕问题中的周期性、多解性问题
4.结合万有引力定律和圆周运动公式求解卫星运行参量
3.熟练掌握天体运行的模型、包括双星问题和卫星变轨的物理量比较
一、三个宇宙速度
牛顿曾经思考过一个问题:从高山上水平射出一发炮弹,炮弹将会沿抛物线运动,直到落地。而当射
出速度增大,落点就会变远。那么当出射速度足够大时,落地点与出射点的距离就会变得很大,甚至超过
地球的半径!!这时炮弹将会做什么运动呢?难道要上天了??
其实牛顿的这个思考正是人造卫星的发射条件之一,卫星要想进入太空,绕地球做匀速圆周运动,是
需要一个发射速度的,接下来我们就来研究下卫星在地球上的发射速度问题。
第一宇宙速度
由上面牛顿的思考,我们可以知道,物体要想脱离地球表面称为人造卫星,是需要一个最小速度的,
我们把这个速度称为第一宇宙速度。那么如何去求解这个速度呢?
卫星绕地球进行匀速圆周运动,需要一个向心力,显然这个向心力只能由地球与卫星间的万有引力来
提供,而卫星能够绕地球做匀速圆周运动的最小半径约等于地球半径,于是我们便可以写出:
,地
解得:
这就是地球表面附近卫星的运行速度,也是第一宇宙速度,也叫最小发射速度。
第二宇宙速度
当卫星的速度大于时,卫星开始绕地球做椭圆运动,卫星的速度越大,其轨道的最高点离地
球就越远,而当卫星的速度达到时,卫星就会进入以太阳引力为主的轨道中,即绕太阳运动,
我们把这个速度称为第二宇宙速度。
第三宇宙速度
同样的道理,卫星可以继续加速,进而脱离太阳的束缚而绕银河系中心运动,这个速度大小为
,即第三宇宙速度。
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