1、第三章,4 人造卫星 宇宙速度,学习目标 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. 3.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.,内容索引, 重点知识探究, 当堂达标检测,自主预习梳理,自主预习梳理,一、人造卫星 1.卫星：自然的或人工的在太空中 的物体. 2.第一颗人造卫星：1957年10月4日，由苏联送入环绕 的轨道的卫星.,绕行星运动,地球,二、宇宙速度,7.9,11.2,16.7,表面附近,匀速圆周运动,地球,太阳,最小,1.判断下列说法的正误. (1)第一宇宙速度是发射卫星的最小速度.( ) (2)人造地球卫星的最小绕行速
2、度是7.9 km/s.( ) (3)要发射一颗人造地球卫星，发射速度必须大于16.7 km/s.( ),2.已知月球半径为R，月球质量为M，引力常量为G，则月球的第一宇宙速度v_.,重点知识探究,一、人造地球卫星,如图1所示，圆a、b、c的圆心均在地球的自转轴线上.b、c的圆心与地心重合，d为椭圆轨道，且地心为椭圆的一个焦点.四条轨道中哪些可以作为卫星轨道？为什么？,答案,图1,答案 b、c、d轨道都可以.因为卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，而万有引力是始终指向地心的，故卫星做匀速圆周运动的向心力必须指向地心，因此b、c轨道都可以，a轨道不可以.卫星也可在椭圆轨道运行，故d轨道也
3、可以.,1.人造地球卫星的轨道,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2所示.,图2,2.人造地球卫星的两个速度 (1)发射速度：指将人造地球卫星送入预定轨道运行所必须具有的速度，卫星离地面越高，需要的发射速度越大. (2)绕行速度：指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度.,例1 (多选)可以发射一颗这样的人造卫星，使其圆轨道 A.与地球表面上某一纬线(非赤道)是共面的同心圆 B.与地球表面
4、上某一经线所决定的圆是共面的同心圆 C.与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，但卫星相对地面是静止的 D.与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，但卫星相对地面是运动的,答案,解析,解析 人造卫星飞行时，由于地球对卫星的引力作为它做圆周运动的向心力，而这个力的方向必定指向圆心，即指向地心，故所有人造卫星其轨道圆的圆心一定要和地球的中心重合，不能是地轴上(除地心外)的某一点，故选项A是错误的； 由于地球同时绕着地轴在自转，所以卫星的轨道平面也不可能和经线所决定的平面共面，所以选项B也是错误的； 相对地球表面静止的就是同步卫星，它必须在赤道线平面内，且距地面有确定的高度，而低于或高于该高度的人造卫星也是
5、可以在赤道平面内运动的，不过由于它们的周期和地球自转的周期不相同，就会相对于地面运动.故正确选项为C、D.,二、第一宇宙速度的理解与计算,(1)不同天体的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的决定因素是什么？,答案,答案 不同.由 得，第一宇宙速度v ，可以看出，第一宇宙速度的值取决于中心天体的质量M和半径R，与卫星无关.,(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？,答案 越大.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.,1.第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的绕行速度. 2.推导：对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地
6、球半径R6 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g9.8 m/s2，则,3.推广 由第一宇宙速度的两种表达式看出，第一宇宙速度的值由中心天体决定，可以说任何一颗行星都有自己的第一宇宙速度，都应以v 或v 表示，式中G为引力常量，M为中心天体的质量，g为中心天体表面的重力加速度，R为中心天体的半径.,4.理解 (1)“最小发射速度”与“最大绕行速度” “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.所以近地轨道的发射速度(第一宇宙速度)是发射人造卫星的最小速度. “最大绕行速度”：由 ，轨道半径越小，绕行速度越大，
7、所以近地卫星的线速度(第一宇宙速度)是最大绕行速度.,(2)发射速度与发射轨道 当7.9 km/sv发11.2 km/s时，卫星绕地球运动，且发射速度越大，卫星的轨道半径越大，绕行速度越小. 当11.2 km/sv发16.7 km/s时，卫星绕太阳旋转，成为太阳系一颗“小行星”. 当v发16.7 km/s时，卫星脱离太阳的引力束缚跑到太阳系以外的空间中去.,例2 我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”.设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面.已知月球的质量约为地球质量的 ，月球的半径约为地球半径的 ，地球上的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为 A.0.4
8、 km/s B.1.8 km/s C.11 km/s D.36 km/s,答案,解析,解析 星球的第一宇宙速度即为围绕星球做圆周运动的轨道半径为该星球半径时的环绕速度，由万有引力提供向心力即可得出这一最大绕行速度. 卫星所需的向心力由万有引力提供，,故月球和地球上第一宇宙速度之比,故v月7.9 km/s1.8 km/s，,因此B项正确.,例3 某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t后，物体以速率v落回手中.已知该星球的半径为R，求该星球的第一宇宙速度.,答案,解析,解析 根据匀变速直线运动的规律可得，该星球表面的重力加速度为g ，该星球的第一宇宙速度即为卫星在其表面附近绕它做匀速圆周运
9、动的线速度，该星球对卫星的引力(重力)提供卫星做圆周运动的向心力，则mg ，该星球的第一宇宙速度为v1,三、地球同步卫星,地球同步卫星的轨道在哪个面上？周期是多大？同步卫星的高度和轨道面可以任意选择吗？,答案,答案 同步卫星是相对地面静止的卫星，必须和地球自转同步，也就是说必须在赤道面上，周期是24 h.由于周期一定，故同步卫星离地面的高度也是一定的，即同步卫星不可以任意选择高度和轨道面.,地球同步卫星 1.定义：相对于地面静止的卫星，又叫静止卫星. 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T24 h； (3)确定的角速度：等于地球自转的
10、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(3.6104 km)； (6)确定的环绕速率：线速度大小一定(3.1103 m/s).,例4 关于地球同步卫星，下列说法正确的是 A.同步卫星的轨道和北京所在纬度圈共面 B.同步卫星的轨道必须和地球赤道共面 C.所有同步卫星距离地面的高度不一定相同 D.所有同步卫星的质量一定相同,答案,解析,解析 同步卫星所受向心力指向地心，与地球自转同步，故卫星所在轨道与赤道共面，故A项错误，B项正确； 同步卫星距地面高度一定，但卫星的质量不一定相同，故C、D项错误.,解决本
11、题的关键是掌握同步卫星的特点：同步卫星定轨道(在赤道上方)、定周期(与地球的自转周期相同)、定速率、定高度.,针对训练 (多选)我国“中星11号”商业通信卫星是一颗同步卫星，它定点于东经98.2度的赤道上空，关于这颗卫星的说法正确的是 A.运行速度大于7.9 km/s B.离地面高度一定，相对地面静止 C.绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大 D.向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等,答案,解析,解析 “中星11号”是地球同步卫星，距地面有一定的高度，运行速度要小于7.9 km/s，A错. 其位置在赤道上空，高度一定，且相对地面静止，B正确. 其运行周期为24小时，小于月球
12、的绕行周期27天，由 知，其运行角速度比月球的大，C正确. 同步卫星与静止在赤道上的物体具有相同的角速度，但半径不同，由anr2知，同步卫星的向心加速度大，D错.,当堂达标检测,1.(对宇宙速度的理解)(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v17.9 km/s，第二宇宙速度v211.2 km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1，小于v2 B.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 C.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度 D.第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做
13、圆周运动的最大运行速度,答案,解析,1,2,3,4,解析 根据v 可知，卫星的轨道半径r越大，即距离地面越远，卫星的环绕速度越小，v17.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度，D正确； 实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项A错误； 美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，仍在太阳系内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选项B错误； 第二宇宙速度是使物体挣脱地球引力束缚而成为太阳的一颗人造行星的最小发射速度，选项C正确.,1,2,3,4,1,2,3,2.(对同步卫星的认识)下列关于我国发射的“亚洲一号”地球同步通讯卫
14、星的说法，正确的是 A.若其质量加倍，则轨道半径也要加倍 B.它在北京上空运行，故可用于我国的电视广播 C.它以第一宇宙速度运行 D.它运行的角速度与地球自转角速度相同,答案,解析,4,1,2,3,解析 由 ，可知轨道半径与卫星质量无关，A错； 同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合，即在赤道上空运行，不能在北京上空运行，B错； 第一宇宙速度是卫星在最低圆轨道上运行的速度，而同步卫星在高轨道上运行，其运行速度小于第一宇宙速度，C错； 所谓“同步”就是卫星保持与赤道上某一点相对静止，所以同步卫星的角速度与地球自转角速度相同，D对.,4,1,2,3,3.(第一宇宙速度的计算)若取地球的第一宇宙速度为
15、8 km/s，某行星的质量是地球质量的6倍，半径是地球半径的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为 A.16 km/s B.32 km/s C.4 km/s D.2 km/s,答案,4,1,2,3,4.(第一宇宙速度的计算)某星球的半径为R，在其表面上方高度为aR的位置，以初速度v0水平抛出一个金属小球，水平射程为bR，a、b均为数值极小的常数，则这个星球的第一宇宙速度为,答案,解析,4,1,2,3,解析 设该星球表面的重力加速度为g，小球落地时间为t，抛出的金属小球做平抛运动，根据平抛运动规律得aR ，bRv0t，联立以上两式解得g ，第一宇宙速度即为该星球表面卫星线速度，根据星球表面卫星重力充当向心力得mg ，所以第一宇宙速度v故选项A正确.,4,