《同步人教版高中物理必修二讲义》第章 宇宙航行

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5．宇宙航行
[学习目标]　1.[物理观念]知道三个宇宙速度的含义和数值，会计算第一宇
宙速度．(重点)　2.[科学思维]掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半
径的关系．(重点)　3.[科学方法]理解近地卫星、同步卫星的区别．(难点)　4.
[科学思维]掌握卫星的变轨问题．(难点)
一、人造地球卫星
1．人造地球卫星的发射及原理
(1)牛顿设想：如图甲所示，当物体被抛出的速度足够大时，它将围绕地球
旋转而不再落回地面，成为一颗人造地球卫星．
甲　　　　　　　　乙
(2)发射过程简介：如图乙所示，发射人造地球卫星，一般使用三级火箭，
最后一级火箭脱离时，卫星的速度称为发射速度，使卫星进入地球轨道的过程
也大致为三个阶段．
2．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．
3．卫星环绕地球运动的规律
由G＝m可得 v＝.
二、宇宙速度
1．三种宇宙速度
数值 意义
第一宇
宙速度 7.9 km/s 卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动
的速度
第二宇
宙速度 11.2 km/s 使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面发射速
度
第三宇宙速 16.7 km/s 使卫星挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速
1
度度
2．梦想成真
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．
2010 年10 月1日，我国的“嫦娥二号”探月卫星发射成功．
2013 年6月11 日，我国的“神舟十号”飞船发射成功．
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. (√)
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＝G，所以不同的卫星
质量不同，其向心力也不同，D项错误．]
2
　人造卫星和同步卫星问题
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 1】　(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．
3
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