人造衛(wèi)星和宇宙速度教材[文字可編輯]

1、東方紅一號(hào),偵察衛(wèi)星,風(fēng)云一號(hào)”氣象衛(wèi)星,科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星,人造衛(wèi)星和宇宙速度,牛頓人造地球衛(wèi)星的設(shè)想圖,Main Idea,v,平拋,洲際,導(dǎo)彈,人造,衛(wèi)星,增大,發(fā)射一顆,衛(wèi)星最小,的速度是,多少,萬(wàn)有引力提,供向心力,一、應(yīng)用：發(fā)射衛(wèi)星,1,定義：人造地球衛(wèi)星,近地衛(wèi)星,在地面附近,因?yàn)?h,R,繞地球,做,勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度,2,推導(dǎo),R,v,m,R,GMm,2,1,2,R,v,m,mg,2,1,R,GM,v,1,地球質(zhì)量,地球半徑,gR,v,1,地球半徑,地面處重力加速度,第一宇宙速度,R,h,R,r,R,r,h,R,h,R,r,軌道半徑,1,第一宇宙速度（環(huán)繞速度,v,1,7.9km/

2、s,Main Idea,v7.9km/s,gR,v,1,s,km,9,7,8,9,10,37,6,6,R,GM,v,1,s,km,9,7,10,4,6,10,98,5,10,67,6,6,24,11,這就是人造地球衛(wèi)星在地面附近,繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具,有的,最小發(fā)射速度,也是最大的,環(huán)繞速度，做第一宇宙速度,2,r,Mm,G,r,v,m,2,衛(wèi)星在不同軌道的環(huán)繞速度,M,v,G,r,r,越大,v,越小,最大的環(huán)繞速度,也叫第一宇宙速度,R,GM,v,1,R,結(jié)論：第一宇宙速度只由,中心天體的,質(zhì)量,和,半徑?jīng)Q定,與衛(wèi)星無(wú)關(guān),若有一天人類登上了火星，那么在,火星表面發(fā)射人造衛(wèi)星的最小發(fā)射

3、,速度又是多少呢,火,火,R,GM,v,思考,1,R,v,m,R,GMm,2,2,R,GM,v,發(fā)射一顆地球衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn),一圈用時(shí)最短是多少,思考,2,v,T,2,R,T,近,V,2,R,R,v,m,R,GMm,2,2,R,GM,v,min,85,2,v,R,T,近,T,min,85分鐘,T,衛(wèi),85,分鐘,1,設(shè)地球的質(zhì)量不變,而地球半徑增,加為原來(lái)的,2,倍,那么從地球發(fā)射的,第一宇宙速度的大小應(yīng)為原來(lái)的,A,倍,B,倍,C,倍,D. 2,倍,2,B,2,1,2,1,R,GM,v,1,地球質(zhì)量,地球半徑,R,v,m,R,GMm,2,1,2,由,要使衛(wèi)星在離地面更遠(yuǎn)的軌道上,運(yùn)行，則需要更,

4、的發(fā)射速度,來(lái)到新軌道上的運(yùn)行速度變,大,小,1,第一宇宙速度,v=7.9km/s,地面附近、勻速圓周運(yùn)動(dòng),11.2km/sv7.9km/s,V,1,7.9km/s,地球,V,2,11.2km/s,2,第二宇宙速度,當(dāng)物體的,速度大于或等于,11.2km/s,時(shí),衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的吸引,不在繞地球運(yùn)行。我們把這,個(gè)速度叫第二宇宙速度。達(dá),到第二宇宙速度的物體還受,到太陽(yáng)的引力，成為繞太陽(yáng),運(yùn)動(dòng)的人造行星,V,3,16.7km/s,3,第三宇宙速度,如果物體的速度等于或大于,16.7km/s,物體就擺脫了太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng),系以外的宇宙空間去。這個(gè)速度叫第三宇宙速度,V,1,7.9km/s

5、,地球,V,2,11.2km/s,V,3,16.7km/s,11.2km/sv7.9km/s,M,發(fā)射速度,環(huán)繞速度,注意區(qū)分發(fā)射速度和環(huán)繞速度,2,關(guān)于宇宙速度，下列說(shuō)法正確的,A,第一宇宙速度是能使人造地球衛(wèi)星飛行,的最小發(fā)射速度,B,第一宇宙速度使人造地球衛(wèi)星繞地球飛,行的最小速度,C,第二宇宙速度使衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行,時(shí)的最大速度,D,第三宇宙速度是發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最,小速度,A,二、衛(wèi)星的運(yùn)行,圓周軌道,Main Idea,萬(wàn)有引力,向心力,重力近似,萬(wàn)有引力,基本方程,輔助方程,2,r,Mm,G,r,v,m,2,ma,r,m,2,2,r,M,G,a,3,r,M,G,GM,r,T

6、,3,2,M,v,G,r,A,B,C,v,1,7.9km/s,2,2,T,mr,V,A,V,B,V,C,a,A,a,B,a,C,T,A,T,B,T,C,軌道半徑增大時(shí)加速度、線速度、角,速度均減小,周期變長(zhǎng),水星,金星,地球,火星,木星,土星,天王星,海王星,人造衛(wèi)星以地心為圓心做,勻速圓周運(yùn)動(dòng),下列說(shuō)法正確的是,A,半徑越大，速率越大，周期越小,B,半徑越大，速率越小，周期越大,C,所有衛(wèi)星的角速度相同，與半徑無(wú)關(guān),D,所有衛(wèi)星的速率均相同，與半徑無(wú)關(guān),3,B,4,軌道近似為圓,已知火衛(wèi),一的周期為,7,小時(shí),39,分,火衛(wèi)二的周期為,30,小時(shí),18,A,火衛(wèi)一距火星表面較近,B,火衛(wèi)二的

7、角速度較大,C,火衛(wèi)一的運(yùn)動(dòng)速度較大,D,火衛(wèi)二的向心加速度較大,A C,5,雙選,2011,年汕頭質(zhì)檢,如圖,3,2,3,所示,T,代表“天宮一號(hào)”飛行器,S,代表“神舟八號(hào)”飛船，它們都繞地球做勻,速圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道如圖中所示，則,A,圖,3,2,3,A,T,的周期大于,S,的周期,B,T,的線速度大于,S,的線速,度,C,T,的向心加速度大于,S,的,向心加速度,三、兩種最常見(jiàn)的衛(wèi)星,一）近地衛(wèi)星,軌道半徑近似地可認(rèn)為等于地球半徑,速率,v,7.9km/s,周期,T,85min,在,所有繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi),星中是,線速度最大，周期最短,神舟六號(hào)飛船的運(yùn)行軌道離地面的高,度為,3

8、45 km,線速度約,7.6km/s,周期約,90min,地球同步衛(wèi)星，是相對(duì)于地面靜止，即,與,地球自轉(zhuǎn)具有相同周期,的衛(wèi)星，又叫通訊衛(wèi),星,思考,地球同步衛(wèi)星的運(yùn)行軌道平面有何特點(diǎn),二）、地球同步衛(wèi)星,F,向,F,引,F,向,F,引,F,引,定平面,定周期,定位置,h,R,mv,h,R,Mm,G,2,2,二）、地球同步衛(wèi)星,定軌道,代入數(shù)據(jù)解得,V,3.08km/s,定速度,試中,M,R,分別為地球的,質(zhì)量和半徑,h,為衛(wèi)星,離地面的高度,二）、地球同步衛(wèi)星,定平面,軌道平面一定在,赤道平面,內(nèi),定位置,在,赤道正上方,相對(duì)地面靜止,定周期,運(yùn)動(dòng)周期,等于地球自轉(zhuǎn)的周期,T,24h=864

9、00s,定軌道,軌道離地高度,h=36000km,定速度,線速度大小,v=3.08km/s,r,T,m,r,m,r,v,m,r,Mm,G,2,2,2,2,2,4,人造衛(wèi)星的軌道,注意,衛(wèi)星的軌道平面必須通過(guò)地心,極地衛(wèi)星,一般軌道衛(wèi)星,通訊衛(wèi)星（同步衛(wèi)星,赤道,衛(wèi)星,三顆同步衛(wèi)星,反射信號(hào)可以覆蓋全球,大約,3,度角左右才能放置一顆衛(wèi)星，地球的,同步通訊衛(wèi)星只能有,120,顆?？梢?jiàn)空間位置也是,一種資源,h0,R=6.4x10,6,m,T=24h,h=3.6,10,7,m,r=4.2,10,7,m,v=3km/s,T=24h,h0,r=6.4,10,6,m,v=7.9km/s,T=85,分鐘,

10、同,步,衛(wèi),星,近,地,衛(wèi),星,三）近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、地球赤道上物體三者比較,赤道上的物體,6,通信衛(wèi)星又叫同步衛(wèi)星，下面關(guān)于同,步衛(wèi)星的說(shuō)法中正確的是,A,所有的地球同步衛(wèi)星都位于地球的赤,道平面內(nèi),B,所有的地球同步衛(wèi)星的質(zhì)量都相等,C,所有的地球同步衛(wèi)星繞地球作勻速圓,周運(yùn)動(dòng)的角速度都相等,D,所有的地球同步衛(wèi)星離地心的距離都,相等,ACD,6,關(guān)于地球同步衛(wèi)星，下列說(shuō)法正確的是,A,它的運(yùn)行速度小于,7.9km/s,B,它的運(yùn)行速度大于,7.9km/s,C,它的周期是,24h,且軌道平面于赤道平面,重,D,每一個(gè)地球同步衛(wèi)星離開地面的高度是,一樣的,ACD,7,若,A,是赤道上隨地球

11、自轉(zhuǎn)的物體,B,是赤,道上空的近地衛(wèi)星,C,是地球同步衛(wèi)星，它們,的運(yùn)動(dòng)都可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，以下是對(duì),A,B,C,三個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)中的物理量的大小關(guān)系,的判斷，其中正確的是,A,三者周期的大小關(guān)系為,T,A,T,B,T,C,B,三者向心加速度的大小關(guān)系為,a,A,a,B,a,C,C,三者角速度的大小關(guān)系為,A,C,B,D,三者線速度的大小關(guān)系為,v,A,v,C,v,B,D,人造衛(wèi)星的應(yīng)用,科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星,技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,快速偵測(cè)衛(wèi)星,人造衛(wèi)星的應(yīng)用,資源衛(wèi)星,通信衛(wèi)星,四,人,造,衛(wèi),星,的,應(yīng),用,和,軌,道,各種各樣的衛(wèi)星,西昌衛(wèi)星發(fā)射中心,酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地,太,原,衛(wèi),星,發(fā),射,中,心,人

12、造衛(wèi)星的軌道,注意,衛(wèi)星的軌道平面必須通過(guò)地心,同步通訊衛(wèi)星,極地衛(wèi)星,一般軌道衛(wèi)星,赤道,衛(wèi)星,傾斜軌道,赤道軌道,極地軌道,同步,軌道,軌道位置,以下那些軌道是可能的,與赤道共面軌道,通過(guò)兩極點(diǎn)上空軌道,與赤道成某一角度的圓軌道,與某一緯度重合的軌道,與某一經(jīng)度重合的軌道,重力,萬(wàn)有引力,向心力,Main Idea,神五發(fā)射,衛(wèi)星發(fā)射的軌跡,五,人,造,地,球,衛(wèi),星,變,軌,專,題,二、人造衛(wèi)星的超重和失重,一,衛(wèi)星的變軌問(wèn)題,變軌過(guò)程在各點(diǎn)的,1,速率,v,大小關(guān)系,2,加速度,a,大小關(guān)系問(wèn)題,F,合,r,T,m,r,m,r,v,m,2,2,2,2,供需,平衡,物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng),復(fù)

13、習(xí),向心力公式的理解,F,向,從,供,需,兩方面,研究衛(wèi)星變軌問(wèn)題,F,引,一,衛(wèi)星的變軌問(wèn)題,r,v,m,r,Mm,G,2,2,r,v,m,r,Mm,G,2,2,r,v,m,r,Mm,G,2,2,圓周運(yùn)動(dòng),向心運(yùn)動(dòng),離心運(yùn)動(dòng),低軌向高軌,高軌向低軌,v,4,Main Idea,v,1,v,2,P,Q,v,3,發(fā)射同步衛(wèi)星時(shí),1,通常,先將衛(wèi)星發(fā)送到近地軌道,使其繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),速率為,v,1,2,第一次在,P,點(diǎn)點(diǎn)火加速,在短時(shí)間內(nèi),將,速率由,v,1,增加到,v,2,使,衛(wèi)星進(jìn)入橢圓形的轉(zhuǎn)移軌道,3,衛(wèi)星運(yùn)行到,遠(yuǎn)地點(diǎn),Q,時(shí)的速率為,v,3,此時(shí)進(jìn),行第二次點(diǎn)火加速,在短,時(shí)間內(nèi)將

14、,速率由,v,3,增加到,v,4,使衛(wèi)星進(jìn)入同步軌道,繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),發(fā)射,同步衛(wèi)星,v,1,v,2,v,3,v,2,v,1,v,4,v,3,v,1,v,4,v,2,v,1,v,4,v,3,v,2,v,3,點(diǎn)火加速,在橢圓軌,道上運(yùn)行,第一次變軌,P,點(diǎn),第二次變軌,Q,點(diǎn),點(diǎn)火加速,在,圓軌道,上穩(wěn)定運(yùn)行,P,Q,v,4,1,v,1,v,2,v,3,v,4,大小關(guān)系,1,速率,v,大小關(guān)系,2,加速度大小關(guān)系呢,v,1,v,2,v,3,P,Q,v,4,1,分別以,圓軌道,橢圓軌道,運(yùn)行,經(jīng)過(guò),P,點(diǎn)時(shí),加速度大小關(guān)系,以,v,1,v,2,經(jīng)過(guò),P,點(diǎn),時(shí)的加速度大小關(guān)系,ma,r,Mm

15、,G,2,經(jīng)過(guò),P,點(diǎn)時(shí)，萬(wàn)有引力全部提供向心力，所以以,圓軌道、橢圓軌道,運(yùn)行,經(jīng)過(guò),P,點(diǎn)時(shí),加速度,一樣,3,低軌與高軌的互變,P,Q,P,點(diǎn),近地點(diǎn),加速,橢圓,減速,Q,點(diǎn),遠(yuǎn)地點(diǎn),圓,減速,加速,圓,低軌變高軌,向后噴,氣、加速，最終,v,低,v,高,高軌變低軌,向前噴氣、減速，最終,v,低,v,高,P,1,2,Q,v,地球,3,低軌與高軌的互變,1,2,p,p,Q,a,a,a,Q,p,p,v,v,v,1,2,1,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)星送入同步軌道,3,軌道,1,2,相切,Q,點(diǎn)，軌道,2,3,

16、相切,P,點(diǎn)，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,在軌道,3,上的速率大于在軌道,1,上的速率,B,在軌道,3,上的角速度小于在軌道,1,上的角速度,C,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,分別在軌道,2,3,上運(yùn)行,經(jīng)過(guò),P,點(diǎn)時(shí)的加速度相等,BD,1,2,3,p,Q,2,如圖所示,a,b,c,是在地球大氣層外圓形,軌道上運(yùn)行的,3,顆人造衛(wèi)星，下列說(shuō)法正確的是,A,b,c,的線速度大小相等，且大于,a,的線速度,B,b,c,的向心加速度大小相等，且大于,a,的向心,加速度,C,c,加速可追上同一軌道上的,b,b

17、,減速可等到同,一軌道上的,c,D,a,衛(wèi)星由于某種原因，軌道半徑緩慢減小,其線速度將變大,地球,a,c,b,D,3,宇宙飛船和空間站在同一軌道上運(yùn)動(dòng)，若飛船,想與前面的空間站對(duì)接，飛船為了追上軌道空間,站，可采取的方法是,A,飛船加速直到追上空間站,完成對(duì)接,B,飛船從原軌道減速至一個(gè)較低軌道,再加速追上空間站完成對(duì)接,C,飛船加速至一個(gè)較高軌道再減速追上,空間站完成對(duì)接,D,無(wú)論飛船采取何種措施，均不能與空,間站對(duì)接,B,甲,乙,V,1,v,2,1,2,T,1,T,2,a,1,a,2,F,1,F,2,不確定,4,甲乙兩顆衛(wèi)星在不同軌道上繞地球作圓,周運(yùn)動(dòng)軌道半徑分別是,R,1,R,2,且,R,1,R,2,確定兩顆衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)速度,v,1,v,2,角速度,1,2,周期,T,1,T,2,向心加速度,a,1,a,2,向心,力,F,1,F,2,的大小關(guān)系,二、人造衛(wèi)星的超重和失重,1,發(fā)射和回收階段,發(fā)射,加速上升,超