高一物理_6.5人造衛(wèi)星_宇宙速度

1、第第5節(jié)節(jié) 宇宙航行宇宙航行 浩瀚的宇宙浩瀚的宇宙0v 若拋出物體的水平初速度足夠大若拋出物體的水平初速度足夠大, ,物體物體將會(huì)怎樣將會(huì)怎樣? ?思考：以多大的速度將物體拋出，它才會(huì)思考：以多大的速度將物體拋出，它才會(huì)繞地球表面運(yùn)動(dòng)，不會(huì)落下來呢？繞地球表面運(yùn)動(dòng)，不會(huì)落下來呢？牛頓的思考與設(shè)想：拋出的速度v越大時(shí)，落地點(diǎn)越遠(yuǎn)，速度不斷增大，將會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？ 牛頓的設(shè)想過程地面上的物體，怎樣才能地面上的物體，怎樣才能成為人造地球衛(wèi)星呢？成為人造地球衛(wèi)星呢？ 人造地球衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的動(dòng)人造地球衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)原因：力學(xué)原因： 地球?qū)θ嗽煨l(wèi)星的萬有引力提供了地球?qū)θ嗽煨l(wèi)星的萬有引力提供了它

2、繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力它繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力112466.67 105.98 106.37 10/7.9/GMRvm skm s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)的速度，叫做第一宇宙速度。近地面的衛(wèi)星的速度是多少呢？近地面的衛(wèi)星的速度是多少呢？11226.67 10/GN mkg已知：66.37 10Rm245.98 10Mkg第一宇宙速度的另一表達(dá)式第一宇宙速度的另一表達(dá)式 根據(jù)地球表面物體的重力近擬于對(duì)物體的萬有引力可得:RvmRMmGmg22skmsmgRv/9 . 7/104 . 68 . 96一、宇宙速度一、宇宙速度n 人們把人們把7.9km/s這

3、個(gè)速度稱作第一宇這個(gè)速度稱作第一宇宙速度宙速度 n 如果發(fā)射速度如小于第一宇宙速度如果發(fā)射速度如小于第一宇宙速度,衛(wèi)星將衛(wèi)星將落到地面落到地面;n 如果發(fā)射速度等于第一宇宙速度，衛(wèi)如果發(fā)射速度等于第一宇宙速度，衛(wèi)星剛好能貼著地球表面作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。星剛好能貼著地球表面作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 概念辨析發(fā)射速度和運(yùn)行(環(huán)繞）速度1、發(fā)射速度：是指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時(shí)的速度。2、運(yùn)行速度：是指衛(wèi)星進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度。1GMvrr v宇宙速度均指發(fā)射速度第一宇宙速度是在地面發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，也是環(huán)繞地球運(yùn)行的最大速度對(duì)第一宇宙速度的理解對(duì)第一宇宙速度的理解:gRvRGM11.

4、上式上式對(duì)其它天體也適用對(duì)其它天體也適用，R為天體半徑為天體半徑, M為天為天 體質(zhì)量體質(zhì)量, g為天體表面的重力加度為天體表面的重力加度,G為引力常量為引力常量.2.v1為為發(fā)射發(fā)射衛(wèi)星衛(wèi)星的的最小發(fā)射速度最小發(fā)射速度,又是衛(wèi)星進(jìn)入軌又是衛(wèi)星進(jìn)入軌道后道后最大的運(yùn)行速度最大的運(yùn)行速度 問題問題: : 若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于7.9km/s ，會(huì)怎樣呢？，會(huì)怎樣呢？第二宇宙速度第二宇宙速度: :物體克服地球引力物體克服地球引力, ,永遠(yuǎn)脫離地球的速度永遠(yuǎn)脫離地球的速度. . （脫離速度）（脫離速度）第三宇宙速度第三宇宙速度: :物體掙脫太陽引力物體掙脫太陽引力, ,飛出太陽系的

5、速度飛出太陽系的速度. . ( (逃逸速度逃逸速度) )11.2 km/s V 7.9 km/sV = 16.7 km/sV = 11.2 km/sV = 7.9km/s繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡就不再是圓，而是橢繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡就不再是圓，而是橢圓，發(fā)射速度越大，橢圓軌道越圓，發(fā)射速度越大，橢圓軌道越“扁扁”。 第一宇宙速度第一宇宙速度: :物體在地表附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度物體在地表附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度. （環(huán)繞速度）（環(huán)繞速度）二、宇宙速度 請(qǐng)同學(xué)判斷地球衛(wèi)星可能請(qǐng)同學(xué)判斷地球衛(wèi)星可能的軌道的軌道F1F2F3赤道平面赤道平面北北南南東東西西所有衛(wèi)星的軌道必須過地心所有衛(wèi)星的軌道必須

6、過地心傾斜傾斜軌道軌道極地極地軌道軌道赤道赤道軌道軌道FF1F2不存不存在在“高軌低速長周期高軌低速長周期”極地軌道極地軌道一般軌道一般軌道赤道軌道赤道軌道所有衛(wèi)星都在以地心為圓所有衛(wèi)星都在以地心為圓心的圓（或橢圓）軌道上心的圓（或橢圓）軌道上平面平面立體立體赤道平面赤道平面 設(shè)地球質(zhì)量為設(shè)地球質(zhì)量為M，半徑為，半徑為R。人造地球衛(wèi)。人造地球衛(wèi)星在圓軌道上運(yùn)行，質(zhì)量為星在圓軌道上運(yùn)行，質(zhì)量為m，軌道半徑為，軌道半徑為r。那么，在該軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)。那么，在該軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星的星的速度速度v如何推算如何推算？ 22MmvGmrrGMvr衛(wèi)星離地心越遠(yuǎn)，它運(yùn)行的速度越慢。1rv

7、rmrMmG22rGMrTmrMmG22)2(marMmG2GMrT322rMGa 根據(jù)萬有引力提供向心力可得：根據(jù)萬有引力提供向心力可得：rmrMmG223rGMr越大越大，衛(wèi)星運(yùn)，衛(wèi)星運(yùn)行行速度速度v越小越小r越大越大，衛(wèi)星角，衛(wèi)星角速度速度 越小越小r越大越大，衛(wèi)星周，衛(wèi)星周期期T越大越大r越大越大，衛(wèi)星加，衛(wèi)星加速度速度a越小越小 二、人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律二、人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律同步衛(wèi)星圖片 所謂地球同步衛(wèi)星是指與地球自所謂地球同步衛(wèi)星是指與地球自轉(zhuǎn)同步轉(zhuǎn)同步,相對(duì)于地面靜止的人造衛(wèi)星相對(duì)于地面靜止的人造衛(wèi)星. 同步衛(wèi)星必定點(diǎn)于同步衛(wèi)星必定點(diǎn)于赤道正上方，且離地赤道正上方，且離地高度高度h

8、，運(yùn)行速率，運(yùn)行速率，是，是惟一確定惟一確定的。的。)()2()(22hRTmhRMmG2gRGM 由以上兩式聯(lián)立解得：由以上兩式聯(lián)立解得：mgTRhR7322262221024.414.348 .9)360024()104 .6(43同步衛(wèi)星距地面的高度為：同步衛(wèi)星距地面的高度為： h=4.24107-6.4106m=3.56107m5.6R地地(黃金代換式黃金代換式)Why？hRmhRMmG22)(由上式解得：由上式解得：skm /07.3此外此外,同步衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向與地球的自轉(zhuǎn)方向相同。同步衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向與地球的自轉(zhuǎn)方向相同。軌道半徑：軌道半徑： r6.6R地地=4.24107m運(yùn)行速度

9、：運(yùn)行速度：=3.07km/s運(yùn)行周期：運(yùn)行周期：T=24h向心加速度：向心加速度：a=0.224m/s2 小結(jié)小結(jié) ：地球同步衛(wèi)星有關(guān)數(shù)據(jù)如下：地球同步衛(wèi)星有關(guān)數(shù)據(jù)如下角速度 ,周期(T=24h)與地球相同,是一個(gè)恒量.軌道一定,在赤道平面上.距地面高度一定(h=3.6107m)即軌道平面一定即軌道平面一定, ,高度一定高度一定, ,運(yùn)動(dòng)快慢一定運(yùn)動(dòng)快慢一定地球同步衛(wèi)星特點(diǎn): 嫦娥一號(hào)變軌嫦娥一號(hào)變軌四、宇宙探測的新時(shí)代：四、宇宙探測的新時(shí)代： 第一顆人造地球衛(wèi)星第一顆人造地球衛(wèi)星 19571957年年1010月原蘇聯(lián)的第一顆人造地球衛(wèi)星，重月原蘇聯(lián)的第一顆人造地球衛(wèi)星，重量為量為83.68

10、3.6公斤。衛(wèi)星發(fā)射升空后共飛行了公斤。衛(wèi)星發(fā)射升空后共飛行了9292天，繞天，繞地球飛行了地球飛行了14401440圈。圈?！八蛊仗啬峥怂蛊仗啬峥恕? 1號(hào)號(hào) 1970年第一個(gè)觀測年第一個(gè)觀測X射線的小型天文衛(wèi)星射線的小型天文衛(wèi)星美國的美國的“自由號(hào)自由號(hào)”進(jìn)入巡天軌道進(jìn)入巡天軌道 法國監(jiān)視雷達(dá)發(fā)現(xiàn)數(shù)十顆身法國監(jiān)視雷達(dá)發(fā)現(xiàn)數(shù)十顆身份不明人造衛(wèi)星份不明人造衛(wèi)星 空間飛行器的進(jìn)步，使人類在太空的活動(dòng)更加自如。1971年，蘇聯(lián)發(fā)射第一個(gè)空間站。 1981年，美國第一次發(fā)射可以再次使用的航天飛機(jī)。 天空實(shí)驗(yàn)室天空實(shí)驗(yàn)室 和平號(hào)空間站和平號(hào)空間站各種各樣的衛(wèi)星各種各樣的衛(wèi)星“火星火星”號(hào)探測器號(hào)探測器

11、 19621962年年1111月月1 1日，前蘇聯(lián)發(fā)射第一個(gè)火星探測器日，前蘇聯(lián)發(fā)射第一個(gè)火星探測器火星火星1 1號(hào)。這個(gè)探測器本體重號(hào)。這個(gè)探測器本體重863.5863.5千克，直徑千克，直徑1.11.1米，高米，高2.32.3米，裝有兩塊太陽能電池板和折米，裝有兩塊太陽能電池板和折疊式拋物面天線。它在飛往火星疊式拋物面天線。它在飛往火星4 4個(gè)月后，在個(gè)月后，在距地球距地球1 1億多千米的地方通信中斷，考察失敗。億多千米的地方通信中斷，考察失敗。美國美國19621974年間發(fā)射的探測金星的年間發(fā)射的探測金星的“水手水手”號(hào)系號(hào)系列列1號(hào)號(hào)2號(hào)號(hào)5號(hào)號(hào)10號(hào)號(hào)土星探測器“卡西尼號(hào)”太空飛船于

12、2004年7月進(jìn)入土星軌道美國“卡西尼”號(hào)飛船拍攝的土衛(wèi)六表面照片，據(jù)推測，早期地球上也許存在大量類似甲烷的碳?xì)浠衔铩?1961年，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆載人飛船，將宇航員加加林送入地球軌道，從而開辟了人類航天的新紀(jì)元。“阿波羅阿波羅”登月計(jì)登月計(jì)劃劃“東方紅東方紅”1 1號(hào)號(hào)19701970年年4 4月月2424日日2121時(shí)時(shí)3535分在甘肅酒泉東分在甘肅酒泉東風(fēng)靶場一舉成功風(fēng)靶場一舉成功“長征”號(hào)系列火箭 我國第一艘載人航天實(shí)驗(yàn)飛船“神舟”號(hào) 甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心我國三大衛(wèi)我國三大衛(wèi)星發(fā)射中心星發(fā)射中心之一：之一：四川西昌衛(wèi)星發(fā)射中心我國三大衛(wèi)我國三大衛(wèi)星發(fā)射中心星發(fā)射中心之一：之一：山西太原

13、衛(wèi)星發(fā)射中心我國三大衛(wèi)我國三大衛(wèi)星發(fā)射中心星發(fā)射中心之一：之一：2003年10月15日18：40分50秒，中國航天員楊利偉乘坐“神舟五號(hào)”飛船在太空中展示中國國旗和聯(lián)合國旗2005年10月14日下午，神舟六號(hào)飛入祖國上空，費(fèi)俊龍使用攝像機(jī)拍攝祖國大好河山。圖為太空中拍攝的祖國大地對(duì)地球：對(duì)地球：v1=7.9km/s 7.9km/sv11.2km/s 時(shí)衛(wèi)星軌時(shí)衛(wèi)星軌 道不是圓道不是圓形而是橢圓。形而是橢圓。小結(jié)小結(jié)gRvRGM1a.第一宇宙速度第一宇宙速度(環(huán)繞速度環(huán)繞速度) ：一、人造衛(wèi)星二、宇宙速度c.第三宇宙速度第三宇宙速度(逃逸速度逃逸速度):v3 =16.7km/sb.第二宇宙速度第二宇宙速度( (脫離速度脫離速度) ): v 2=11.2km/s三、同步衛(wèi)星軌道平面一定軌道平面一定 -赤道平面上赤道平面上高度一定高度一定 -h=3.58x107m運(yùn)動(dòng)快慢一定運(yùn)動(dòng)快慢一定 -T=24h,v=3.1km/s月球月球月月球球軌軌道道地球地球地月轉(zhuǎn)移軌道地月轉(zhuǎn)移軌道點(diǎn)火加速點(diǎn)火加速減速制動(dòng)減速制動(dòng)月球探測衛(wèi)星發(fā)射 例例11 我國發(fā)射的探月衛(wèi)星我國發(fā)射的探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)嫦娥一號(hào)”的軌道半徑是圓形的，的軌道半徑是圓形的，且貼近月球表面。已知月球質(zhì)量約為地球質(zhì)量的且貼近月球表面。已知月球質(zhì)量約為地球質(zhì)量的1/801/80，月球的半，月球的半徑約為地球半徑的徑約為地球半徑的1/