人造卫星专题发射回收变轨.ppt

卫星原理 卫星特点 同步卫星 探究问题一 1 如图所示 a b c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条 提示 卫星作圆周运动的向心力必须指向地心 一 一般人造卫星的知识 1 轨道平面与地轴间的夹角可以是任意的 但该平面一定通过地球球心 卫星的轨道 赤道轨道极地轨道其他轨道 2 卫星绕地球做匀速圆周运动所需的向心力由万有引力提供 线速度 角速度 周期 向心加速度与半径的关系 思考 对于绕地球运动的人造卫星 1 离地面越高 向心力越 2 离地面越高 线速度越 3 离地面越高 周期越 4 离地面越高 角速度越 5 离地面越高 向心加速度越 小 大 小 小 小 探究问题二 1 如图所示 a b c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条 2 这三条轨道中哪一条轨道中的卫星可能和地球自转同步 二 同步卫星 1 定义 相对地面静止的 和地球具有相同周期的卫星 二 同步卫星 2 同步卫星的轨道分析 同步卫星要定点在赤道上方 分析 若同步卫星位于赤道平面外的某一点 则地球对它的万有引力F可分为一个绕地球地轴旋转的向心力F1 和一个使卫星向赤道平面运动的力F2 使卫星向赤道平面运动 二 同步卫星 3 计算同步卫星高度 万有引力提供向心力 同步通讯卫星轨道半径 h R 4 2 二 同步卫星 4 同步卫星的线速度 解 万有引力提供向心力故 由此解出v 将地球质量M及轨道半径r带入 5 几个问题 1 人造卫星为何向东发射 2 至少几颗卫星才能覆盖整个赤道 为了卫星之间不互相干扰 大约30左右才能放置1颗 这样地球的同步卫星只能有120颗 可见 空间位置也是一种资源 三颗同步卫星反射信号可以覆盖整个赤道 三 人造地球卫星中的超重和失重 1 发射过程2 回收过程3 进入正常圆轨道 三 人造卫星的超重和失重 1 发射和回收阶段 发射 加速上升 超重 回收 减速下降 超重 2 沿圆轨道正常运行 只受重力 a g 完全失重 与重力有关的现象全部消失 天平 弹簧秤测重力 液体压强计 注意 无论哪种状态都是视重的变化 其重力不变 四 卫星变轨 卫星的变轨问题由万有引力与向心力的大小比较判断得出 F mv2 r 卫星做近心运动 F mv2 r 卫星做离心运动 由于技术上的原因 卫星的发射往往要分几个阶段 经过多次变轨后才能定点于预定的位置 视频 例如图所示 某次发射同步卫星时 先进入一个近地的圆轨道 然后在P点点火加速 进入椭圆形转移轨道 该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P 远地点为同步轨道上的Q 到达远地点时再次自动点火加速 进入同步轨道 设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1 在P点短时间加速后的速率为v2 沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3 在Q点短时间加速后进入同步轨道后的速率为v4 试比较v1 v2 v3 v4的大小 并用小于号将它们排列起来 P Q 解答 根据题意有v2 v1 v4 v3 而v1 v4是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的线速度 由下式 知v1 v4 故结论为v2 v1 v4 v3 卫星沿椭圆轨道由P Q运行时 由机械能守恒可知 其重力势能逐渐增大 动能逐渐减小 因此有v2 v3 卫星的回收实际上是卫星发射过程的逆过程 1 圆轨道 低 圆轨道 高 1 低轨道到高轨道 增大速度变轨 2 高轨道到低轨道 减小速度变轨 2 椭圆轨道圆轨道 1 远地点处变轨 速度增大进入高轨道 2 近地点处变轨 速度减小进入低轨道 飞船变轨 例 发射地球同步卫星时 先将卫星发射到近地圆轨道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点 轨道2 3相切于P点 如图所示 则当卫星分别在1 2 3轨道上正常运行时 下列说法中正确的是 A 卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率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点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度 BD 解 不正确 应为 得 请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果 解 由 得或由 得 启示 注意把握知识间的内在联系 构建知识网络 例 2004年广东卷 已知万有引力常量G 地球半径R 月球绕地球运动的轨道半径为r 同步卫星距地面的高度h 月球绕地球的运转周期T1 地球的自转周期T2 地球表面的重力加速度g 某同学根据以上条件 提出一种估算地球质量M的方法 同步卫星绕地球作圆周运动 由 得 请判断上面的结果是否正确 并说明理由 如不正确 请给出正确的解法和结果 再见 宇宙航行 思考下列问题1 月球也要受到地球引力的作用 为什么月亮不会落到地面上来 2 什么叫做人造地球卫星 3 子弹从枪膛射出 其轨迹如何 4 物体做平抛运动时 飞行的距离与飞行的水平初速度有何关系 5 若抛出物体的水平初速度足够大 物体将会怎样 牛顿人造卫星原理图 牛顿和你们的想法一样 曾依据平抛现象猜想了卫星的发射原理 但他没有看到他的猜想得以实现 牛顿的设想过程 法一 万有引力提供物体作圆周运动的向心力 探究问题一 以多大的速度抛出这个物体 它才会绕地球表面运动 不会落下来 已知 6 67 10 11Nm2 kg2 地球质量M 5 89 1024kg 地球半径R 6400km 若已知地球表面重力加速度g 9 8m s2 R 6400km 一宇宙速度 1 第一宇宙速度 环绕速度 v1 7 9km s 它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度 说明 如果卫星的速度小于第一宇宙速度 卫星将落到地面而不能绕地球运转 等于这个速度 卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动 牛顿的设想过程 3 如果大于7 9km s 而小于11 2km s 卫星将沿椭圆轨道绕地球运行 地心就成为椭圆轨道的一个焦点 第二宇宙速度 脱离速度 这是卫星挣脱地球的引力束缚 成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度 如果人造天体的速度大于11 2km s而小于16 7km s 则它的运行轨道相对于太阳将是椭圆 太阳就成为该椭圆轨道的一个焦点 v2 11 2km s 3 第三宇宙速度 逃逸速度 这是卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度 如果人造天体具有这样的速度 就可以摆脱地球和太阳引力的束缚而飞到太阳系外了 而成为人造恒星 v3 16 7km s 一 宇宙速度 1 第一宇宙速度 环绕速度 V1 7 9km s 地球 11 2km s v 7 9km s 2 第二宇宙速度 脱离速度 V2 11 2km s V3 16 7km s 3 第三宇宙速度 逃逸速度 人造行星 人造恒星 人造卫星 近地卫星 二 人造卫星的发射速度和运行速度 发射速度与运行速度是两个不同的概念 1 发射速度 指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度 并且一旦发射后就再无能量补充 被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度 进入运动轨道 2 环绕速度 是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度 当卫星 贴着 地面运行时 运行速度等于第一宇宙速度 3 发射速度和卫星绕地旋转的速度是不是同一速度 发射速度大说明什么 卫星运转速度大又说明什么 学生思考 1 将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易 为什么 2 所需要的发射速度 哪一个更大 为什么 向高轨道发射卫星时 火箭须克服地球对它的引力而做更多的功 对火箭的要求更高一些 所以比较困难 第一宇宙速度是最大环绕速度还是最小的环绕速度 探究问题三 能否发射一颗周期为80min的人造地球卫星 探究问题四 近地卫星的周期最小 我们不能发射一颗周期