专题2.7 卫星运行规律与宇宙速度(解析版)
高考物理备考微专题精准突破专题2.7卫星运行规律与宇宙速度
【专题诠释】卫星运行规律及特点1．卫星的轨道
(1)赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面内，同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：除以上两种轨道外的卫星轨道，且轨道平面一定通过地球的球心．2．地球同步卫星的特点：六个“一定”
3．卫星的各物理量随轨道半径变化的规律
4．解决天体圆周运动问题的两条思路
(1)在中心天体表面或附近而又不涉及中心天体自转运动时，万有引力等于重力，即G Mm
R 2
＝mg ，整理得GM ＝gR 2，称为黄金代换．(g 表示天体表面的重力加速度)(2)天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力，即G
Mm r 2＝m v 2r ＝mrω2
＝m 4π2r T
2＝ma n .
宇宙速度的理解与计算1．第一宇宙速度的推导
方法一：由G Mm
R2＝m
v21
R得v1
＝GM
R＝7.9×10
3m/s.
方法二：由mg＝m v21
R得v1
＝gR＝7.9×103m/s.
第一宇宙速度是发射地球人造卫星的最小速度，也是地球人造卫星的最大环绕速度，此时它的运行周期最
短，T min＝2πR
大学专业排名g
我想变成一只小鸟≈85min.
2．宇宙速度与运动轨迹的关系
(1)v发＝7.9km/s时，卫星绕地球表面附近做匀速圆周运动．
(2)7.9km/s＜v发＜11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆．
(3)11.2km/s≤v发＜16.7km/s，卫星绕太阳做椭圆运动．
(4)v发≥16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间．
【高考领航】
【2019·江苏高考】1970年成功发射的“东方红一号”是我国第一颗人造地球卫星，该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运动。如图所示，设卫星在近地点、远地点的速度分别为v1、v2，近地点到地心的距离为r，地球质量为M，引力常量为G。则()
A．v1>v2，v1＝GM
r B．v1>v2，v1>GM
r
C．v1<v2，v1＝GM
r D．v1<v2，v1>GM
r
【答案】B
【解析】卫星绕地球运动，由开普勒第二定律知，近地点的速度大于远地点的速度，即v1>v2。若卫星以
近地点时距地心的距离为半径做圆周运动，则有GMm
r2＝m
v2近
r，得运行速度v近＝
GM
r，由于卫星沿椭圆轨
道运动，在近地点所需向心力大于万有引力，故m v21
r
>m v2近
r，则v1
>v近，即v1>GM
r，B正确。
【2019·全国卷Ⅲ】金星、地球和火星绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动，它们的向心加速度大小分别为a金、a地、a火，它们沿轨道运行的速率分别为v金、v地、v火。已知它们的轨道半径R金<R地<R火，由此可以
判定()
A ．a 金>a 地>a 火
B ．a 火>a 地>a 金
C ．v 地>v 火>v 金
D ．v 火>v 地>v 金
【答案】
A
【解析】行星绕太阳做圆周运动时，由牛顿第二定律和圆周运动知识有：G mM R 2＝ma ，得向心加速度a ＝GM
R 2
，G mM R 2＝m v 2
R ，得速度v ＝GM
R
，由于R 金＜R 地＜R 火，所以a 金＞a 地＞a 火，v 金＞v 地＞v 火，A 正确，B 、C 、D 错误。
【2019·全国卷Ⅱ】2019年1月，我国嫦娥四号探测器成功在月球背面软着陆。在探测器“奔向”月球的过程中，用h 表示探测器与地球表面的距离，F 表示它所受的地球引力，能够描述
F
随h 变化关系的图象是(
)
【答案】D
【解析】由万有引力公式F ＝G
Mm
(R ＋h )2牧羊犬训练
可知，探测器与地球表面距离h 越大，F 越小，排除B 、C ；而F
与h 不是一次函数关系，排除A 。故选D 。【技巧方法】
命题迁移角度解决办法易错警示
卫星运行参量
的比较万有引力提供向心
力“黄金代换”法
注意比较对象是否脱离地面，若脱离，则可用“高轨低速、低轨高速”的结论来判断；若未脱离，则可与地球
看成一个整体，利用v ＝rω来判断
同步卫星的运
行特点
结论法
充分利用同步卫星轨道的六个“一定”的特点，利用与
地球同步转动的特点来分析计算
女生节祝福语 简短宇宙速度问题
临界条件判断法
“黄金代换”法
利用近地卫星特点得出第一宇宙速度的表达式v 1＝
GM
R ＝gR ，并充分理解环绕速度、脱离速度、逃逸速度的含义
【最新考向解码】
【例1】(2019·广西省高三上学期跨市联合调研)天文兴趣小组查资料得知：某天体的质量为地球质量的a
倍，其半径为地球半径的b 倍，表面无大气层，地球的第一宇宙速度为v 。则该天体的第一宇宙速度为()
A ．v
a
b B ．v
b a
C.a b
v    D.b a
v 【答案】
A
【解析】设地球质量为M ，半径为r ，某天体的质量是地球质量的a 倍，其半径是地球半径的b 倍，卫星沿地球表面做匀速圆周运动的速度为v ，则由万有引力提供向心力得：G Mm r 2＝m v 2
r ，解得地球的第一宇宙速
度v ＝
GM
r
，同理得该天体的第一宇宙速度v 天体＝G ·aM
br
＝v a
b
，A 正确。【例2】(2019·江苏省四星级中学高三上学期一调联考)2017年9月，我国控制“天舟一号”飞船离轨，使它进入大气层烧毁，残骸坠入南太平洋一处号称“航天器坟场”的远离大陆的深海区。在受控坠落前，“天舟一号”在距离地面380km 的圆轨道上飞行，则下列说法中正确的是()
A ．在轨运行时，“天舟一号”的线速度大于第一宇宙速度
B ．在轨运行时，“天舟一号”的角速度小于同步卫星的角速度
C ．受控坠落时，应通过“反推”实现制动离轨
D ．“天舟一号”离轨后，在进入大气层前，运行速度不断增大【答案】
CD
【解析】依据万有引力提供向心力，则有：G
Mm r 2＝m v 2
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，因“天舟一号”的轨道半径大于地球半径，则在轨运行时，“天舟一号”的线速度小于第一宇宙速度，A 错误；同理，G
Mm
r 2＝mω2r ，因“天舟一号”的轨道半径小于同步卫星的半径，则在轨运行时，“天舟一号”的角速度大于同步卫星的角速度，B 错误；在受控坠落时，应通过“反推”使其速率减小，则所需要的向心力减小，万有引力大于所需向心力，则做近心运动，从而实现制动离轨，C 正确；“天舟一号”离轨后，在进入大气层前，因只有引力做功，机械能守恒，故减小的势能转化为增加的动能，其运行速度不断增大，D 正确。【微专题精练】
1.(2019·河北石家庄模拟)如图所示，人造卫星A 、B 在同一平面内绕地心O 做匀速圆周运动，已知AB 连线与AO 连线间的夹角最大为θ，则卫星A 、B 的线速度之比为(
)
A ．sin θ  B.
1sin θ
C.sin θ
D.
1sin θ
【答案】C
【解析】由题图可知，当AB 连线与B 所在的圆周相切时，AB 连线与AO 连线的夹角θ最大，由几何关系可知，sin θ＝r B r A ；根据G Mm r 2＝m v 2
r
可知，v ＝
GM r ，故v
A v B
＝r B
r A
＝sin θ，选项C 正确．2.(2019·天津模拟)中国北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统．预计2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力．如图所示是北斗导航系统中部分卫星的轨道示意图，已知a 、b 、c 三颗卫星均做圆周运动，a 是地球同步卫星，则(
)
A ．卫星a 的角速度小于c 的角速度
B ．卫星a 的加速度大于b 的加速度
C ．卫星a 的运行速度大于第一宇宙速度
D ．卫星b 的周期大于24h
【答案】A
经典词语【解析】a 的轨道半径大于c 的轨道半径，因此卫星a 的角速度小于c 的角速度，选项A 正确；a 的轨道半径与b 的轨道半径相等，因此卫星a 的加速度等于b 的加速度，选项B 错误；a 的轨道半径大于地球半径，因此卫星a 的运行速度小于第一宇宙速度，选项C 错误；a 的轨道半径与b 的轨道半径相等，卫星b 的周期等于a 的周期，为24h ，选项D 错误．
3．(2019·江苏淮安质检)科学家预测银河系中所有行星的数量大概在2～3万亿之间．目前在银河系发现一颗类地行星，半径是地球半径的两倍，质量是地球质量的三倍．卫星a 、b 分别绕地球、类地行星做匀速圆周运动，它们距中心天体表面的高度均等于地球的半径．则卫星a 、b 的()
A ．线速度之比为1∶3
B ．角速度之比为3∶22
C ．周期之比为22∶3
D ．加速度之比为4∶3
【答案】B
【解析】设地球的半径为R ，质量为M ，则类地行星的半径为2R ，质量为3M ，卫星a 的运动半径为R a ＝2R ，卫星b 的运动半径为R b ＝3R ，万有引力充当向心力，根据公式G Mm r 2＝m v 2
r ，可得v a ＝
GM
2R
，v b ＝GM
R
，
故线速度之比为1∶2，A 错误；根据公式G
Mm
r
2＝mω2r ，可得ωa ，ωb

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