1、1第三节 飞向太空知识目标 核心素养1.了解火箭的基本原理，了解万有引力定律对航天技术发展的重大贡献2了解人造卫星的轨道和同步卫星的知识3会区别分析同步卫星、近地卫星、地球赤道上物体.1.了解我国火箭技术及人造卫星和飞船发射等的研究情况，激发学生的爱国热情2通过对比“同步卫星、近地卫星、地球赤道上物体”的运行规律，提高推理及综合分析能力.一、火箭1火箭的原理利用火药燃烧向后急速喷出的气体产生的反作用力，使火箭向前射出2火箭的组成：主要有壳体和燃料两部分3多级火箭：多级火箭是用几个火箭连接而成的火箭组合一般用三级火箭起飞时，第一级火箭的发动机“点火” ，推动各级火箭一起前进，当这一级的燃料燃尽后
2、，第二级火箭开始工作，并自动脱掉第一级火箭的外壳；第二级火箭在第一级火箭基础上进一步加速，以此类推，最终达到所需要的速度二、航天技术的发展历程1遨游太空1957 年 10 月 4 日，苏联发射了第一颗人造地球卫星.1961 年 4 月 12 日，世界第一艘载人宇宙飞船“东方 1 号”带着苏联宇航员加加林环绕地球一圈.1969 年 7 月 20 日，美国的“阿2波罗 11 号”宇宙飞船将两名宇航员送上了月球.1971 年 4 月 9 日，苏联发射了“礼炮 1 号”空间站.1973 年，美国将“天空实验室”空间站送入太空，实现了人类无法在地面上进行的各种科学实验.1981 年 4 月 12 日，美
3、国“哥伦比亚号”航天飞机首次载人航天飞行试验成功.2003 年 10 月 15 日，我国首次载人航天飞行取得圆满成功2空间探测器1962 年美国的“水手 2 号”探测器第一次对金星进行了近距离考察.1989 年美国宇航局发射的“伽利略号”探测器飞行 6 年到达木星，对木星进行了长达 7 年的考察.2003 年美国的“勇气号”与“机遇号”火星探测器分别发射成功经过七个多月的旅行后， “勇气号”于2004 年 1 月登陆火星2007 年中国的“嫦娥一号”月球探测器发射成功2010 年中国的“嫦娥二号”月球探测器发射成功2013 年中国的“嫦娥三号”月球探测器成功登月判断下列说法的正误(1)在地面上
4、发射人造卫星的最小速度是 7.9 km/s.()(2)如果在地面发射卫星的速度大于 11.2 km/s，卫星会永远离开地球()(3)要发射一颗人造月球卫星，在地面的发射速度应大于 16.7 km/s.()(4)使火箭向前射出的力是它利用火药燃烧向后急速喷出的气体产生的作用力()一、火箭与人造卫星的发射1人造卫星：人造卫星要进入飞行轨道必须有足够大的速度发射速度大于 7.9 km/s 可进入绕地球飞行的轨道，成为人造地球卫星；发射速度大于或等于 11.2 km/s 可成为太阳的人造行星或飞到其他行星上去2三级火箭(1)一级火箭的最终速度达不到发射人造卫星所需要的速度，发射卫星要用多级火箭(2)三
5、级火箭的工作过程火箭起飞时，第一级火箭的发动机“点火” ，燃料燃尽后，第二级火箭开始工作，并且自动脱掉第一级火箭的外壳，以此类推由于各级火箭的连接部位需大量附属设备，这些附属设备具有一定的质量，并且级数越多，连接部位的附属设备质量越大，并且所需的技术要求也相当精密，因此，火箭的级数并不是越多越好，一般用三级火箭3例 1 (多选)一颗人造地球卫星以初速度 v 发射后，可绕地球做匀速圆周运动，若使发射速度增大为 2v，则该卫星可能( )A绕地球做匀速圆周运动B绕地球运动，轨道变为椭圆C不绕地球运动，成为太阳的人造行星D挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙答案 CD解析 以初速度 v 发射后能成
6、为人造地球卫星，可知发射速度 v 一定大于第一宇宙速度 7.9 km/s；当以 2v 速度发射时，发射速度一定大于 15.8 km/s，已超过了第二宇宙速度 11.2 km/s，也可能超过第三宇宙速度 16.7 km/s，所以此卫星不再绕地球运行，可能绕太阳运行，或者飞到太阳系以外的宇宙，故选项 C、D 正确二、人造地球卫星1人造地球卫星的轨道特点卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道(1)卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律(2)卫星绕地球沿圆轨道运动时，因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地
7、心，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心(3)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任一角度，如图 1 所示图 12地球同步卫星地球同步卫星位于地球赤道上方，相对于地面静止不动，它跟地球的自转角速度相同，广泛应用于通信，又叫同步通信卫星地球同步卫星的特点见下表：周期一定 与地球自转周期相同，即 T24 h86 400 s角速度一定 与地球自转的角速度相同高度一定 卫星离地面高度 h r R6 R(为恒量) 3.610 4 km4速度大小一定 v 3.07 km/s(为恒量)，环绕方向与地球自转方向相2 rT同向心加速度大小一定 a0.23 m/
8、s 2轨道平面一定 轨道平面与赤道平面共面例 2 (多选)“静止”在赤道上空的地球同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面，为天气预报提供准确、全面和及时的气象资料设地球同步卫星的轨道半径是地球半径的 n倍，下列说法中正确的是( )A同步卫星距地面的高度是地球半径的( n1)倍B同步卫星运行速度是第一宇宙速度的1nC同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转获得的速度的1nD同步卫星的向心加速度是地球表面重力加速度的 (忽略地球的自转效应)1n答案 AB解析 地球同步卫星的轨道半径是地球半径的 n 倍，所以同步卫星距地面的高度是地球半径的( n1)倍，A 正确由万有引力提供向心力得 ， v
9、 ， r nR，第一宇宙速度GMmr2 mv2r GMrv ，所以同步卫星运行速度是第一宇宙速度的 ，B 正确同步卫星与地球赤道上的GMR 1n物体具有相同的角速度，根据 v r 知，同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转的速度的 n 倍，C 错误根据 ma，得 a ，则同步卫星的向心加速度是地球表面重GMmr2 GMr2力加速度的 ，D 错误1n2【考点】同步卫星规律的理解和应用【题点】同步卫星规律的理解与应用针对训练 1 如图 2 所示，中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统其中有静止轨道同步卫星和中地球轨道卫星已知中地球轨道卫星的轨道高度在 5 00015 000 k
10、m，则下列说法正确的是( )图 25A中地球轨道卫星的线速度小于静止轨道同步卫星的线速度B上述两种卫星的运行速度可能大于 7.9 km/sC中地球轨道卫星绕地球一圈时间大于 24 小时D静止轨道同步卫星的周期大于中地球轨道卫星的周期答案 D三、 “赤道上物体” “同步卫星”和“近地卫星”的比较例 3 如图 3 所示， A 为地面上的待发射卫星， B 为近地圆轨道卫星， C 为地球同步卫星三颗卫星质量相同，三颗卫星的线速度大小分别为 vA、 vB、 vC，角速度大小分别为 A、 B、 C，周期分别为 TA、 TB、 TC，向心加速度分别为 aA、 aB、 aC，则( )图 3A A CaB答案
11、A解析 同步卫星与地球自转同步，故 TA TC， A C，由 v r 及 a 2r 得vCvA， aCaA同步卫星和近地卫星，根据 m m 2r m r ma，知GMmr2 v2r 4 2T2vBvC， B C， TBaC.故可知 vBvCvA， B C A， TBaCaA.选项 A 正确，B、C、D 错误【考点】赤道上物体、同步卫星以及近地卫星运动规律对比【题点】赤道上物体、同步卫星以及近地卫星运动规律对比同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较1同步卫星和近地卫星相同点：都是万有引力提供向心力即都满足 m m 2r m r ma.GMmr2 v2r 4 2T2由上式比较各运动量的大小关系，即
12、r 越大， v、 、 a 越小， T 越大2同步卫星和赤道上物体相同点：周期和角速度相同6不同点：向心力来源不同对于同步卫星，有 ma m 2rGMmr2对于赤道上物体，有 mg m 2rGMmr2因此要通过 v r ， a 2r 比较两者的线速度和向心加速度的大小针对训练 2 (多选)关于近地卫星、同步卫星、赤道上物体，以下说法正确的是( )A都是万有引力等于向心力B赤道上的物体和同步卫星的周期、线速度、角速度都相等C赤道上的物体和近地卫星的线速度、周期不同D同步卫星的周期大于近地卫星的周期答案 CD解析 赤道上的物体是由万有引力的一个分力提供向心力，A 项错误；赤道上的物体和同步卫星有相同
13、周期和角速度，但线速度不同，B 项错误；同步卫星和近地卫星有相同的中心天体，根据 m m r 得 v ， T2 ，由于 r 同 r 近 ，故 v 同 T 近 ，GMmr2 v2r 4 2T2 GMr r3GMD 项正确；赤道上物体、近地卫星、同步卫星三者间的周期关系为 T 赤 T 同 T 近 ，根据v r 可知 v 赤 月 ，C 正确同步卫星与静止在赤道上的物体具有相同的转动周期 T，且赤道上物体的轨道半径小于同步卫星的轨道半径，由 a( )2r 得赤道上物体的向心加速度2T小于同步卫星的向心加速度，D 错误【考点】同步卫星规律的理解和应用【题点】同步卫星规律的理解和应用4(同步卫星与赤道上物
14、体及近地卫星的比较)(多选)如图 4 所示，同步卫星与地心的距离8为 r，运行速率为 v1，向心加速度为 a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为 a2，第一宇宙速度为 v2，地球半径为 R，则下列比值正确的是( )图 4A. B. ( )2a1a2 rR a1a2 RrC. D. v1v2 rR v1v2 Rr答案 AD解析 同步卫星：轨道半径为 r，运行速率为 v1，向心加速度为 a1；地球赤道上的物体：轨道半径为 R，随地球自转的向心加速度为 a2；以第一宇宙速度运行的卫星为近地卫星对于卫星，其共同特点是万有引力提供向心力，则 G m ，故 .Mmr2 v2r v1v2 Rr对于同
15、步卫星和地球赤道上的物体，其共同特点是角速度相等，则 a 2r，故 .a1a2 rR【考点】赤道上物体、同步卫星以及近地卫星运动规律对比【题点】赤道上物体、同步卫星以及近地卫星运动规律对比一、选择题考点一 人造卫星 同步卫星1由于通讯和广播等方面的需要，许多国家发射了地球同步轨道卫星，这些卫星的( )A. 质量可以不同 B. 轨道半径可以不同C. 轨道平面可以不同 D. 速率可以不同答案 A解析 万有引力提供卫星做圆周运动的向心力， m( )2r m ，解得周期GMmr2 2T v2rT2 ，环绕速度 v ，可见周期相同的情况下轨道半径必然相同，B 错误轨道半r3GM GMr径相同必然环绕速度
16、相同，D 错误同步卫星相对于地面静止在赤道上空，所有的同步卫星9轨道运行在赤道上空同一个圆轨道上，C 错误同步卫星的质量可以不同，A 正确2.中国计划 2020 年左右建成覆盖全球的北斗卫星导航系统如图 1 所示，北斗卫星导航系统由 5 颗静止轨道卫星、27 颗中地球轨道卫星(离地面高度约 21 000 km)及其他轨道卫星共35 颗组成则( )图 1A静止轨道卫星指相对地表静止，其可定位在北京正上空B中地球轨道卫星比同步卫星速度更快C中地球轨道卫星周期大于 24 小时D静止轨道卫星的发射速度小于第一宇宙速度答案 B解析 静止轨道卫星即同步卫星，其离地面高度约 36 000 km，周期为 24
17、 h，它的轨道半径比中地球轨道卫星的大，故静止轨道卫星的线速度比中地球轨道卫星小，周期比中地球轨道卫星大，B 正确，C 错误静止轨道卫星只能定位在赤道上空，A 错误第一宇宙速度是卫星的最小发射速度，D 错误【考点】同步卫星规律的理解和应用【题点】同步卫星规律的理解和应用3如图 2 所示是小明同学画的人造地球卫星轨道的示意图，则卫星( )图 2A在 a 轨道运行的周期一定为 24 hB在 b 轨道运行的速度始终不变C在 c 轨道运行的速度大小始终不变D在 c 轨道运行时受到的地球引力大小是变化的答案 D4我国在轨运行的气象卫星有两类，如图 3 所示，一类是极地轨道卫星“风云 1 号” ，绕地球做
18、匀速圆周运动的周期为 12 h，另一类是地球同步轨道卫星“风云 2 号” ，运行周期为 24 h下列说法正确的是( )10图 3A “风云 1 号”的线速度大于“风云 2 号”的线速度B “风云 2 号”的运行速度大于 7.9 km/sC “风云 1 号”的发射速度大于“风云 2 号”的发射速度D “风云 1 号” “风云 2 号”相对地面均静止答案 A解析 由 k 知， “风云 2 号”的轨道半径大于“风云 1 号”的轨道半径，由 G m 得r3T2 Mmr2 v2rv ， r 越大， v 越小，所以 A 正确第一宇宙速度 7.9 km/s 是最大的环绕速度，B 错GMr误把卫星发射得越远，
19、所需发射速度越大，C 错误只有同步卫星相对地面静止，所以 D错误【考点】同步卫星规律的理解和应用【题点】同步卫星规律的理解和应用5.如图 4，若两颗人造卫星 a 和 b 均绕地球做匀速圆周运动， a、 b 到地心 O 的距离分别为r1、 r2，线速度大小分别为 v1、 v2，则( )图 4A. v1v2 r2r1B. v1v2 r1r2C. ( )2v1v2 r2r1D. ( )2v1v2 r1r2答案 A解析 由题意知，两颗人造卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，根据G m ，得 v ，所以 ，故 A 正确，B、C、D 错误Mmr2 v2r GMr v1v2 r2r1116利用三颗
20、位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯目前地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的 6.6 倍假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为( )A1 h B4 hC8 h D16 h答案 B解析 万有引力提供向心力，对同步卫星有： mr ，GMmr2 4 2T2整理得 GM4 2r3T2当 r6.6 R 地 时， T24 h若地球的自转周期变小，轨道半径最小为 2R 地三颗同步卫星如图所示分布则有 4 26.6R地 3T2 4 22R地 3T 2解得 T 4 h，选项 B 正确T6【考点】同步卫星规律的理解和应用【题点】同步卫星规
21、律的理解与应用考点二 赤道上物体、同步卫星、近地卫星的比较7.如图 5 所示，地球赤道上的山丘 e、近地卫星 p 和同步卫星 q 均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动设 e、 p、 q 的线速度大小分别为 v1、 v2、 v3，向心加速度分别为 a1、 a2、 a3，则( )图 5A v1 v2 v3 B v1 v2 v3C a1 a2 a3 D a1 a3 a2答案 D12解析 卫星的线速度大小 v ，可见卫星距离地心越远， r 越大，则线速度越小，所以GMrv3 v2.q 是同步卫星，其角速度 与地球自转角速度相同，所以其线速度v3 r 3 v1 r 1，选项 A、B 均错误由 G ma，得
22、 a ，同步卫星 q 的轨道半径大Mmr2 GMr2于近地卫星 p 的轨道半径，可知向心加速度 a3 a2.由于同步卫星 q 的角速度 与地球自转的角速度相同，即与地球赤道上的山丘 e 的角速度相同，但 q 的轨道半径大于 e 的轨道半径，根据 a 2r 可知 a1 a3.根据以上分析可知，选项 C 错误，D 正确【考点】赤道上物体、同步卫星以及近地卫星运动规律对比【题点】赤道上物体、同步卫星以及近地卫星运动规律对比8设地球半径为 R， a 为静止在地球赤道上的一个物体， b 为一颗近地绕地球做匀速圆周运动的人造卫星， c 为地球的一颗同步卫星，其轨道半径为 r.下列说法中正确的是( )A a
23、 与 c 的线速度大小之比为rRB a 与 c 的线速度大小之比为RrC b 与 c 的周期之比为rRD b 与 c 的周期之比为RrRr答案 D解析 物体 a 与同步卫星 c 角速度相等，由 v r 可得，二者线速度大小之比为 ，选项RrA、B 均错误；而 b、 c 均为卫星，由 T2 可得，二者周期之比为 ，选项 C 错误，r3GM RrRrD 正确【考点】赤道上物体、同步卫星以及近地卫星运动规律对比【题点】赤道上物体、同步卫星以及近地卫星运动规律对比二、非选择题9(卫星周期的计算)据报道：某国发射了一颗质量为 100 kg、周期为 1 h 的人造环月卫星，一位同学记不住引力常数 G 的数
24、值，且手边没有可查找的资料，但他记得月球半径为地球半径的 ，月球表面重力加速度为地球表面重力加速度的 ，经过推理，他认定该报道是一则假14 16新闻，试写出他的论证方案(地球半径约为 6.4103 km， g 地 取 9.8 m/s2)答案 见解析13解析 对环月卫星，根据万有引力定律和牛顿第二定律得 m r，解得 T2 GMmr2 4 2T2 r3GM则 r R 月 时， T 有最小值，又 g 月GMR月 2故 Tmin2 2 2 R月g月14R地16g地 3R地2g地代入数据解得 Tmin1.73 h环月卫星最小周期为 1.73 h，故该报道是则假新闻【考点】人造卫星各物理量与半径的关系【
25、题点】人造卫星各物理量与半径的关系10(同步卫星运动参量的计算)已知地球的半径是 6.4106 m，地球的自转周期是 24 h，地球的质量是 5.981024 kg，引力常数 G6.6710 11 Nm2/kg2，若要发射一颗地球同步卫星，试求：(1)地球同步卫星的轨道半径 r；(2)地球同步卫星的环绕速度 v 的大小，并与第一宇宙速度比较大小关系答案 (1)4.210 7 m (2)3.110 3 m/s 小于第一宇宙速度解析 (1)根据万有引力提供向心力得； m 2r， ，则GMmr2 2Tr3GMT24 2 m4.210 7 m.36.6710 115.981024243 600243.
26、142(2)根据 m 得：GMmr2 v2rv m/s3.110 3 m/s3.1 km/s7.9 km/s.GMr 6.6710 115.9810244.210711(同步卫星的理解 卫星追赶问题)我国正在逐步建立同步卫星与“伽利略计划”等中低轨道卫星构成的卫星通信系统(1)若已知地球的平均半径为 R0，自转周期为 T0，地表的重力加速度为 g，试求同步卫星的轨道半径 r.(2)有一颗与上述同步卫星在同一轨道平面的低轨道卫星，自西向东绕地球运行，其运行半径为同步卫星轨道半径 r 的四分之一，试求该卫星至少每隔多长时间才在同一地点的正上方出现一次(计算结果只能用题中已知物理量的字母表示)14答
27、案 (1) (2)3gR02T024 2 T07解析 (1)设地球的质量为 M，同步卫星的质量为 m，运动周期为 T，因为卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供，故 G mr( )2Mmr2 2T同步卫星的周期为 T T0而对地球表面的物体，重力近似等于万有引力，有 m g G MmR02由式解得 r .3gR02T024 2(2)由式可知 T2 r3，设低轨道卫星运行的周期为 T，则 ，因而 T ，设T 2T2 r43r3 T08卫星至少每隔 t 时间才在同一地点的正上方出现一次，根据圆周运动角速度与所转过的圆心角的关系 t ，得 t t2，解得 t ，即卫星至少每隔 时间才在同一地2T 2T0 T07 T07点的正上方出现一次【考点】卫星的“追赶”问题【题点】卫星的“追赶”问题
