高中物理 第三章 萬有引力定律 第4節(jié) 人造衛(wèi)星 宇宙速度 3 同步衛(wèi)星的特點及發(fā)射學案 教科版必修2.doc

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同步衛(wèi)星的特點及發(fā)射 一、考點突破： 考點 課程目標 備注 同步衛(wèi)星的特點及發(fā)射 1. 理解并運用萬有引力定律處理地球同步衛(wèi)星問題的思路和方法。 2. 了解地球同步衛(wèi)星的運動特點。 3. 地球同步衛(wèi)星和其他衛(wèi)星運動的共同點，會用萬有引力定律計算天體的質(zhì)量。 高考重點，通常以選擇題的形式考查，考查重點是同步衛(wèi)星的特點及同步衛(wèi)星的動力學特征，同時結(jié)合我國的航天事業(yè)飛速發(fā)展，以我國的航天科技實例為背景進行命題。 二、重難點提示： 重點：地球同步衛(wèi)星的軌道特點和運行規(guī)律。 難點：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 （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，。 【要點詮釋】 由，得：，因為T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，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)星都在同一個軌道上。因為它們的角速度相等，所以不會發(fā)生“追尾”的問題。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 動力學規(guī)律：（供需平衡） 由于近地，故R為地球半徑。 2. 第二步：變軌 點火加速（供小于求）離心，沿橢圓軌道2運動。點火位置為A，A為近地點，B為遠地點。 3. 第三步：在遠地點再次加速進入同步軌道3 動力學規(guī)律：（供需平衡） 【重要提示】同步衛(wèi)星相對地面靜止，相對地心勻速圓周運動。 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），供大于需，進入橢圓軌道2運動，在A點再次減速進入圓軌道1運動，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，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后點火，使其沿橢圓軌道2運行，最后再次點火。將衛(wèi)星送入同步圓軌道3。軌道1、2相切于Q點，軌道2、3相切于P點（如圖），則當衛(wèi)星分別在1，2，3 軌道上正常運行時，以下說法正確的是（ ） 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Q點時的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過Q點時的加速度 D. 衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過P點的加速度 思路分析：由萬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A錯誤，B正確；衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點時和它在軌道2上經(jīng)過Q點時所受萬有引力相等，加速度相等，選項C錯誤；衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點時和它在軌道3上經(jīng)過P點時所受萬有引力相等，加速度相等，選項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。假設(shè)這種趨勢會持續(xù)下去，地球的其他條件都不變，未來人類發(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項錯誤；根據(jù)萬有引力提供向心力，有：，角速度變小，同步衛(wèi)星離地高度將變大，A項正確；由可知，同步衛(wèi)星的向心加速度將減小，B項錯誤；由可知，線速度變小，C項錯誤。 答案：A 【方法提煉】 衛(wèi)星繞地球的運動，萬有引力提供向心力。衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動，其軌道平面一定過地心，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)星問題是高考熱點，解決地球同步衛(wèi)星問題的方法是，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。 滿分訓練： 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 B. 12小時 C. 24小時 D. 36小時 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T1＝24小時，軌道半徑為r1＝7R1，密度ρ1。某行星的同步衛(wèi)星周期為T2，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)牛頓第二定律和萬有引力定律分別有：，。 兩式化簡得T2＝ T1/2＝12小時，選項B正確。 答案：B