高中物理 第三章 萬(wàn)有引力定律 第4節(jié) 人造衛(wèi)星 宇宙速度 3 同步衛(wèi)星的特點(diǎn)及發(fā)射學(xué)案 教科版必修2.doc

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同步衛(wèi)星的特點(diǎn)及發(fā)射 一、考點(diǎn)突破： 考點(diǎn) 課程目標(biāo) 備注 同步衛(wèi)星的特點(diǎn)及發(fā)射 1. 理解并運(yùn)用萬(wàn)有引力定律處理地球同步衛(wèi)星問(wèn)題的思路和方法。 2. 了解地球同步衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。 3. 地球同步衛(wèi)星和其他衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的共同點(diǎn)，會(huì)用萬(wàn)有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)量。 高考重點(diǎn)，通常以選擇題的形式考查，考查重點(diǎn)是同步衛(wèi)星的特點(diǎn)及同步衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)特征，同時(shí)結(jié)合我國(guó)的航天事業(yè)飛速發(fā)展，以我國(guó)的航天科技實(shí)例為背景進(jìn)行命題。 二、重難點(diǎn)提示： 重點(diǎn)：地球同步衛(wèi)星的軌道特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)律。 難點(diǎn)：地球同步衛(wèi)星的軌道位置的確定。 一、地球同步衛(wèi)星 相對(duì)于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)周期相同的衛(wèi)星叫地球同步衛(wèi)星。 1. 同步衛(wèi)星的特點(diǎn) （1）同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)方向一致。 （2）同步衛(wèi)星的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相等。 【重要提示】 同步衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期一致，是24h。所以同步衛(wèi)星的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相等。 （3）同步衛(wèi)星的軌道平面與赤道平面共面。 （4）同步衛(wèi)星的高度一定，。 【要點(diǎn)詮釋】 由，得：，因?yàn)門(mén)一定，所以r一定，而（h為同步衛(wèi)星離地面的垂直高度，R為地球半徑），也就是說(shuō)，所有的同步衛(wèi)星都位于赤道上方相同高度上。即所有同步衛(wèi)星都在同一個(gè)軌道上。因?yàn)樗鼈兊慕撬俣认嗟?，所以不?huì)發(fā)生“追尾”的問(wèn)題。這一高度大約為。 （5）同步衛(wèi)星的環(huán)繞速度大小一定相等。 二、同步衛(wèi)星的發(fā)射 1. 第一步：把衛(wèi)星發(fā)射到近地圓軌道1 動(dòng)力學(xué)規(guī)律：（供需平衡） 由于近地，故R為地球半徑。 2. 第二步：變軌 點(diǎn)火加速（供小于求）離心，沿橢圓軌道2運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)火位置為A，A為近地點(diǎn)，B為遠(yuǎn)地點(diǎn)。 3. 第三步：在遠(yuǎn)地點(diǎn)再次加速進(jìn)入同步軌道3 動(dòng)力學(xué)規(guī)律：（供需平衡） 【重要提示】同步衛(wèi)星相對(duì)地面靜止，相對(duì)地心勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 三、同步衛(wèi)星的回收 在三軌道上向前噴氣減速（如圖中B點(diǎn)），供大于需，進(jìn)入橢圓軌道2運(yùn)動(dòng)，在A點(diǎn)再次減速進(jìn)入圓軌道1運(yùn)動(dòng)，在1上再次減速返回地面。 例題1 發(fā)射地球同步衛(wèi)星時(shí)，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后點(diǎn)火，使其沿橢圓軌道2運(yùn)行，最后再次點(diǎn)火。將衛(wèi)星送入同步圓軌道3。軌道1、2相切于Q點(diǎn)，軌道2、3相切于P點(diǎn)（如圖），則當(dāng)衛(wèi)星分別在1，2，3 軌道上正常運(yùn)行時(shí)，以下說(shuō)法正確的是（ ） A. 衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1的速率 B. 衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度 C. 衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的加速度 D. 衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)的加速度 思路分析：由萬(wàn)有引力等于向心力可得，衛(wèi)星軌道半徑越小，環(huán)繞速度越大，角速度越大，衛(wèi)星在軌道3上的速率小于在軌道1的速率，衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)和它在軌道2上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)所受萬(wàn)有引力相等，加速度相等，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)和它在軌道3上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)所受萬(wàn)有引力相等，加速度相等，選項(xiàng)D正確。 答案：BD 例題2 （天津卷）研究表明，地球自轉(zhuǎn)在逐漸變慢，3億年前地球自轉(zhuǎn)的周期約為22小時(shí)。假設(shè)這種趨勢(shì)會(huì)持續(xù)下去，地球的其他條件都不變，未來(lái)人類(lèi)發(fā)射的地球同步衛(wèi)星與現(xiàn)在相比（ ） A. 距地球的高度變大 B. 向心加速度變大 C. 線速度變大 D. 角速度變大 思路分析：同步衛(wèi)星與地球的自轉(zhuǎn)周期相同，若地球的自轉(zhuǎn)周期變大，那么同步衛(wèi)星的角速度將變小，D項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力，有：，角速度變小，同步衛(wèi)星離地高度將變大，A項(xiàng)正確；由可知，同步衛(wèi)星的向心加速度將減小，B項(xiàng)錯(cuò)誤；由可知，線速度變小，C項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案：A 【方法提煉】 衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動(dòng)，萬(wàn)有引力提供向心力。衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道平面一定過(guò)地心，軌道半徑等于衛(wèi)星與地心的距離。地球同步衛(wèi)星的軌道一定與赤道共面，其周期等于地球自轉(zhuǎn)周期。 衛(wèi)星問(wèn)題是高考熱點(diǎn)，解決地球同步衛(wèi)星問(wèn)題的方法是，根據(jù)題述條件及物理情景，利用衛(wèi)星周期等于地球自轉(zhuǎn)周期，應(yīng)用衛(wèi)星相關(guān)規(guī)律列出相應(yīng)方程聯(lián)立解得。 滿(mǎn)分訓(xùn)練： 已知地球同步衛(wèi)星離地面的高度約為地球半徑的6倍。若某行星的平均密度為地球平均密度的一半，它的同步衛(wèi)星距其表面的高度是其半徑的2.5倍，則該行星的自轉(zhuǎn)周期約為（ ） A. 6小時(shí) B. 12小時(shí) C. 24小時(shí) D. 36小時(shí) 思路分析：設(shè)地球半徑為R1，某行星的半徑為R2，則地球的同步衛(wèi)星的周期為T(mén)1＝24小時(shí)，軌道半徑為r1＝7R1，密度ρ1。某行星的同步衛(wèi)星周期為T(mén)2，軌道半徑為r2＝3.5R2，密度ρ2＝ρ1/2。地球質(zhì)量M1＝ρ1πR13，某行星的質(zhì)量M2＝ρ2πR23，根據(jù)牛頓第二定律和萬(wàn)有引力定律分別有：，。 兩式化簡(jiǎn)得T2＝ T1/2＝12小時(shí)，選項(xiàng)B正確。 答案：B