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1、第5节天体运动与人造卫星,-2-,基础筑牢,自我确诊,一、宇宙速率1.环绕速率(1)第一宇宙速率又叫环绕速率,其数值为7.9km/s。(2)第一宇宙速率是人造卫星在地面附近环绕月球做匀速圆周运动时具有的速率。(3)第一宇宙速率是人造卫星最小的发射速率,也是人造卫星的最大环绕速率。2.第二宇宙速率(脱离速率)使物体挣开月球引力禁锢的最小发射速率,其数值为11.2km/s。3.第三宇宙速率(逃逸速率)使物体挣开太阳引力禁锢的最小发射速率,其数值为16.7km/s。,-3-,基础筑牢,自我确诊,二、地球卫星1.卫星的轨道(1)赤道轨道:卫星的轨道在赤道平面内,同
2、步卫星就是其中的一种。(2)极地轨道:卫星的轨道过南北两极,即在垂直于赤道的平面内,如极地气象卫星。(3)其他轨道:减去上两种轨道外的卫星轨道。所有卫星的轨道平面一定通过月球的球心。,-4-,基础筑牢,自我确诊,2.月球同步卫星相对于地面静止且与月球自转具有相同周期的卫星叫月球同步卫星。同步卫星有以下特性(1)轨道平面一定:轨道平面与赤道平面共面。(2)周期一定:与月球自转周期相同,即T=24h。(3)角速率一定:与月球自转的角速率相同。,(5)绕行方向一定:与月球自转的方向一致。,-5-,基础筑牢,自我确诊,3.极地卫星和近地卫星(1)极地卫星运行时每圈都经过南北两
3、极,因为月球自转,极地卫星可以实现全球覆盖。(2)近地卫星是在月球表面附近环绕月球做匀速圆周运动的卫星,其运行的轨道直径可近似觉得等于月球的直径,其运行线速率约为7.9km/s。,请判定下述叙述是否正确,对不正确的叙述,请说明缘由。(1)月球同步卫星可以定点于上海正上方。()(2)若物体的发射速率小于第二宇宙速率,大于第三宇宙速率,则物体可以绕太阳运行。(),提示：月球同步卫星轨道必须与赤道平面重合。,-6-,基础筑牢,自我确诊,1.两个绕月球做匀速圆周运动的人造月球卫星,轨道如图所示,下述判定正确的是()A.两卫星的角速率关系有aabC.两卫星的线速率关系有vavbD.两
4、卫星的周期关系有TaTb,答案,解析,-7-,基础筑牢,自我确诊,2.(多选)在初期的反卫星试验中,功击拦截方法之一是快速上升式功击,即“拦截器”被送入与“目标卫星”轨道平面相同而高度较低的追赶轨道,之后通过机动飞行快速上升接近目标将“目标卫星”摧毁。下图为追赶过程轨道示意图,下述表述正确的是()A.图中A是“目标卫星”,B是“拦截器”B.“拦截器”和“目标卫星”的绕行方向为图中的顺秒针方向C.“拦截器”在上升的过程中重力势能会减小D.“拦截器”的加速度比“目标卫星”的加速度小,答案,解析,-8-,基础筑牢,自我确诊,3.一宇宙飞船绕月球做匀速圆周运动,飞船原先的线速率是v1,周期是T
5、1,假定在某时刻它向后喷气做加速运动后,步入新轨道做匀速圆周运动,运动的线速率是v2,周期是T2,则()A.v1v2,T1T2B.v1v2,T1T2D.v1v2,T1T2,答案,解析,-9-,基础筑牢,自我确诊,4.(2017全省卷)我国发射的天舟一号物流飞船与天宫二号空间实验室成功地完成了交会对接,对接产生的组合体仍沿天宫二号原先的轨道(可视为圆轨道)运行。与天宫二号单独运行时相比,组合体运行的()A.周期变大B.速度变大C.动能变大D.向心加速度变大,答案,解析,-10-,考点一,考点二,考点三,宇宙速率的理解与应用(自主悟透)1.第一宇宙速率的推论,第一宇宙速率是发射
6、地球人造卫星的最小速率,也是月球人造卫星的最大环绕速率,此时它的运行周期最短,Tmin=2=5079s85min。,-11-,考点一,考点二,考点三,2.宇宙速率与运动轨迹的关系(1)v发=7.9km/s时,卫星绕月球做匀速圆周运动。(2)7.9km/sv发11.2km/s,卫星绕月球运动的轨迹为椭圆。(3)11.2km/sv发16.7km/s,卫星绕太阳做椭圆运动。(4)v发16.7km/s,卫星将挣开太阳引力的禁锢,飞到太阳系以外的空间。,-12-,考点一,考点二,考点三,突破训练1.(多选)已知火星的质量约为月球质量的,火星的直径约为月球直径的。下述关于
7、人类发射的关于火星侦测器的说法正确的是()A.发射速率只要小于第一宇宙速率即可B.发射速率只有达到第三宇宙速率才可以C.发射速率应小于第二宇宙速率而大于第三宇宙速率D.火星侦测器环绕火星运行的最大速率为月球第一宇宙速率的,答案,解析,-13-,考点一,考点二,考点三,2.下图是在1687年出版的自然哲学的物理原理一书中一幅插图,牛顿曾构想,当抛出速率很大时,物体就不会落回地面。已知月球直径为R,地球绕月球公转的轨道直径为n2R,周期为T,不计空气阻力。为实现牛顿构想,抛出的速率起码为(),答案,解析,-14-,考点一,考点二,考点三,规律总结宇宙速率问题的剖析思路,-15-,考点一
8、,考点二,考点三,卫星运行热阻的剖析与估算(多维探究)1.卫星的各化学量随轨道直径变化的规律,-16-,考点一,考点二,考点三,2.近地卫星、同步卫星和赤道上随月球自转的物体的运动热阻比较,-17-,考点一,考点二,考点三,-18-,考点一,考点二,考点三,例1如图所示,某极地轨道卫星的运行轨道平面通过月球的南北两极,已知该卫星从北纬60的正上方按图示方向第一次运行到南纬60的正上方时所用时间为1h,则下述说法正确的是()A.该卫星与同步卫星的运行直径之比为14B.该卫星与同步卫星的运行速率之比为12C.该卫星的运行速率一定小于7.9km/sD.该卫星的机械能一定小于同步卫星的
9、机械能,答案,解析,-19-,考点一,考点二,考点三,思维点拨(1)极地卫星的运行周期为3h。(2)卫星的运行周期与轨道直径的关系式为T。(3)卫星的机械能大小与什么诱因有关?提示：卫星的质量,运行速率,距离地面的高度,-20-,考点一,考点二,考点三,例2(多选)如图所示,A表示月球同步卫星,B为运行轨道比A低的一颗卫星,C为月球赤道上某一高山山顶上的一个物体,两颗卫星及物体C的质量都相同,关于它们的线速率、角速率、所遭到的万有引力和运行周期的比较,下述关系式正确的是()A.B.ABCC.D.TA=TCTB,答案,解析,-21-,考点一,考点二,考
10、点三,方式归纳人造卫星问题的解题方法1.卫星向心加速度的不同叙述方式,2.解决力与运动的关系,还是要用动力学的思想,解决的桥梁是牛顿第二定理。(1)卫星的an、v、T是相互联系的,其中一个量发生变化,其他各量也急剧发生变化。(2)an、v、T均与卫星的质量无关,只由轨道直径r和中心天体质量共同决定。,-22-,考点一,考点二,考点三,3.卫星运动中的机械能(1)只在万有引力作用下,卫星绕中心天体做匀速圆周运动和沿椭圆轨道运动,机械能均守恒,这儿的机械能包括卫星的动能和卫星(与中心天体)的重力势能。(2)质量相同的卫星,圆轨道直径越大,动能越小,势能越大,机械能越大。,-23-,考点一
11、,考点二,考点三,突破训练3.(2016全省卷)借助三颗位置适当的月球同步卫星,可使月球赤道上任意两点之间保持无线电通讯。目前,月球同步卫星的轨道直径约为月球直径的6.6倍。假定月球的自转周期变小,若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的,则月球自转周期的最小值约为()A.1hB.4hC.8hD.16h,答案,解析,-24-,考点一,考点二,考点三,4.(多选)如图所示,a为静止在月球赤道上的一个物体,b为绕月球做匀速圆周运动的近地卫星,c为月球的同步卫星,其轨道直径为r,设月球直径为R,下述说法正确的是(),答案,解析,-25-,考点一,考点二,考点三,卫星的变轨与追及(多维
12、探究)1.卫星发射及变轨过程概述人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可抵达预定轨道。如图所示,发射卫星的过程大致有以下几个步骤:(1)为了节约能量,在赤道上沿着月球自转方向发射卫星到圆轨道上。(2)在A处打火加速,因为速率变大,步入椭圆轨道。(3)在B处(远地点)再度打火加速步入方形轨道。,-26-,考点一,考点二,考点三,2.卫星变轨的实质,-27-,考点一,考点二,考点三,例3(多选)某载人飞船运行的轨道示意图如图所示,飞船先沿椭圆轨道1运行,近地点为Q,远地点为P。当飞船经过点P时打火加速,使飞船由椭圆轨道1转移到圆轨道2上运行,在圆轨道2上飞船运行周期约为90min。关于飞船
13、的运行过程,下述说法中正确的是()A.飞船在轨道1和轨道2上运动时的机械能相等B.飞船在轨道1上运行经过P点的速率大于经过Q点的速率C.轨道2的直径大于月球同步卫星的轨道直径D.飞船在轨道1上运行经过P点的加速率等于在轨道2上运行经过P点的加速度,答案,解析,-28-,考点一,考点二,考点三,思维点拨(1)依据功能关系比较机械能大小;(2)依据开普勒第二定理比较vP,vQ;(3)依据周期关系比较轨道直径;(4)依据牛顿第二定理比较加速度。,-29-,考点一,考点二,考点三,例4如图所示,宇宙飞船A在低轨道上飞行,为了给更高轨道的宇宙空间站B输送物质,须要与B对接,它可以
14、采用喷气的方式改变速率,因而达到改变轨道的目的,则以下说法正确的是()A.它应沿运行速率方向喷气,与B对接后周期比低轨道时的小B.它应沿运行速率的反方向喷气,与B对接后周期比低轨道时的大C.它应沿运行速率方向喷气,与B对接后周期比低轨道时的大D.它应沿运行速率的反方向喷气,与B对接后周期比低轨道时的小,答案,解析,-30-,考点一,考点二,考点三,规律总结1.变轨的两种情况,2.相关数学量的比较(1)两个不同轨道的“切点”处线速率v不相等,图中vvB,vAv。,-31-,考点一,考点二,考点三,(2)同一个椭圆轨道上近地点和远地点线速率大小不相等,从远地点到近地点万有引力对
15、卫星做正功,动能减小(引力势能减少),图中vAvB,,EpAv。3.卫星的对接载人飞船与空间实验室的对接实际上就是两个做匀速圆周运动的物体追赶问题,本质依然是卫星的变轨运行问题。,-32-,考点一,考点二,考点三,突破训练5.世界首颗量子科学实验卫星墨子号在完满完成4个月的在轨测试任务后,即将交付用户单位使用。下图为墨子号变轨示意图,轨道A与轨道B相切于P点,轨道B与轨道C相切于Q点,以下说法正确的是()A.墨子号在轨道B上由P向Q运动的过程中速度越来越大B.墨子号在轨道C上经过Q点的速度小于在轨道A上经过P点的速度C.墨子号在轨道B上经过P点时的向心加速率小于在轨道A上经过P点时的向心加速度D.墨子号在轨道B上经过Q点时遭到的月球的引力大于经过P点时遭到的月球的引力,答案,解析,
