2020高中物理第三章万有引力定律第4节人造卫星宇宙速度3同步卫星的特点及发射学案2

2020高中物理第三章万有引力定律第4节人造卫星宇宙速度3同步卫星的特点及发射学案2

同步卫星的特点及发射 一、考点突破：‎ 考点 课程目标 备注 同步卫星的特点及发射 ‎1. 理解并运用万有引力定律处理地球同步卫星问题的思路和方法。‎ ‎2. 了解地球同步卫星的运动特点。‎ ‎3. 地球同步卫星和其他卫星运动的共同点，会用万有引力定律计算天体的质量。‎ 高考重点，通常以选择题的形式考查，考查重点是同步卫星的特点及同步卫星的动力学特征，同时结合我国的航天事业飞速发展，以我国的航天科技实例为背景进行命题。‎ 二、重难点提示：‎ 重点：地球同步卫星的轨道特点和运行规律。‎ 难点：地球同步卫星的轨道位置的确定。‎ 一、地球同步卫星 相对于地面静止且与地球自转周期相同的卫星叫地球同步卫星。‎ ‎1. 同步卫星的特点 ‎（1）同步卫星与地球自转方向一致。‎ ‎（2）同步卫星的角速度与地球自转的角速度相等。‎ ‎【重要提示】‎ 同步卫星的运转周期与地球自转周期一致，是24h。所以同步卫星的角速度与地球自转的角速度相等。‎ ‎（3）同步卫星的轨道平面与赤道平面共面。‎ ‎（4）同步卫星的高度一定，。‎ ‎【要点诠释】‎ 由，得：，因为T一定，所以r一定，而（h为同步卫星离地面的垂直高度，R为地球半径），也就是说，所有的同步卫星都位于赤道上方相同高度上。即所有同步卫星都在同一个轨道上。因为它们的角速度相等，所以不会发生“追尾”的问题。这一高度大约为。‎ ‎（5）同步卫星的环绕速度大小一定相等。‎ 4‎ 二、同步卫星的发射 ‎1. 第一步：把卫星发射到近地圆轨道1‎ 动力学规律：（供需平衡）‎ 由于近地，故R为地球半径。‎ ‎2. 第二步：变轨 点火加速（供小于求）离心，沿椭圆轨道2运动。点火位置为A，A为近地点，B为远地点。‎ ‎3. 第三步：在远地点再次加速进入同步轨道3‎ 动力学规律：（供需平衡）‎ ‎【重要提示】同步卫星相对地面静止，相对地心匀速圆周运动。‎ 三、同步卫星的回收 在三轨道上向前喷气减速（如图中B点），供大于需，进入椭圆轨道2运动，在A点再次减速进入圆轨道1运动，在1上再次减速返回地面。‎ ‎ ‎ 例题1 发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火。将卫星送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于Q 4‎ 点，轨道2、3相切于P点（如图），则当卫星分别在1，2，3 轨道上正常运行时，以下说法正确的是（ ）‎ A. 卫星在轨道3上的速率大于在轨道1的速率 B. 卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度 C. 卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度 D. 卫星在轨道2上经过P点的加速度等于它在轨道3上经过P点的加速度 思路分析：由万有引力等于向心力可得，卫星轨道半径越小，环绕速度越大，角速度越大，卫星在轨道3上的速率小于在轨道1的速率，卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度，选项A错误，B正确；卫星在轨道1上经过Q点时和它在轨道2上经过Q点时所受万有引力相等，加速度相等，选项C错误；卫星在轨道2上经过P点时和它在轨道3上经过P点时所受万有引力相等，加速度相等，选项D正确。‎ 答案：BD 例题2 （天津卷）研究表明，地球自转在逐渐变慢，3亿年前地球自转的周期约为22小时。假设这种趋势会持续下去，地球的其他条件都不变，未来人类发射的地球同步卫星与现在相比（ ）‎ A. 距地球的高度变大 B. 向心加速度变大 C. 线速度变大 D. 角速度变大 思路分析：同步卫星与地球的自转周期相同，若地球的自转周期变大，那么同步卫星的角速度将变小，D项错误；根据万有引力提供向心力，有：，角速度变小，同步卫星离地高度将变大，A项正确；由可知，同步卫星的向心加速度将减小，B项错误；由可知，线速度变小，C项错误。‎ 答案：A ‎【方法提炼】‎ 卫星绕地球的运动，万有引力提供向心力。卫星绕地球做匀速圆周运动，其轨道平面一定过地心，轨道半径等于卫星与地心的距离。地球同步卫星的轨道一定与赤道共面，其周期等于地球自转周期。‎ 卫星问题是高考热点，解决地球同步卫星问题的方法是，根据题述条件及物理情景，利用卫星周期等于地球自转周期，应用卫星相关规律列出相应方程联立解得。‎ 满分训练：‎ 4‎ 已知地球同步卫星离地面的高度约为地球半径的6倍。若某行星的平均密度为地球平均密度的一半，它的同步卫星距其表面的高度是其半径的2.5倍，则该行星的自转周期约为（ ）‎ A. 6小时 B. 12小时 C. 24小时 D. 36小时 思路分析：设地球半径为R1，某行星的半径为R2，则地球的同步卫星的周期为T1＝24小时，轨道半径为r1＝7R1，密度ρ1。某行星的同步卫星周期为T2，轨道半径为r2＝3.5R2，密度ρ2＝ρ1/2。地球质量M1＝ρ1·πR13，某行星的质量M2＝ρ2·πR23，根据牛顿第二定律和万有引力定律分别有：，。‎ 两式化简得T2＝ T1/2＝12小时，选项B正确。‎ 答案：B 4‎