高中物理万有引力与航天课件人教版必修二5宇宙航行5宇宙航行.pptVIP

5宇宙航行 一 人造卫星的发射原理二 宇宙速度三 人造卫星的运动规律四 人造卫星的超重和失重五 地球同步卫星 5宇宙航行 牛顿设想 抛出速度很大时 物体就不会落回地面 一 人造卫星的发射原理 设地球质量为m 半径为r 人造地球卫星在圆轨道上运行 质量为m 轨道半径为r 那么 在该轨道上做匀速圆周运动的卫星的速度v如何推算 卫星离地心越远 它运行的速度越慢 这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的最低发射速度 叫做第一宇宙速度 近地面的卫星的速度是多少呢 m 5 98 1024kg 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 二 宇宙速度 概念辨析发射速度和运行速度 1 发射速度 是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度 2 运行速度 是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度 r v 近地卫星 其它卫星 宇宙速度均指发射速度 第一宇宙速度为在地面发射卫星的最小速度 也是环绕地球运行的最大速度 练习 求近地卫星的周期 我们能否发射一颗周期为80min的卫星呢 法二 在某星球表面上以v0竖直上抛一物体 经时间t回到抛出点 问在此星球上至少以多大的速度水平抛出该物 才能是该物不再回到星球上 设星球的半径为r 例题分析 竖直上抛 近地运行 抛体运动与万有引力综合 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 gm r2 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 凡人造卫星的问题都可从下列关系去列运动方程 即 重力 万有引力 向心力 例题分析人造卫星的超失重问题 在火箭的实验平台上放有测试仪器 火箭起动后以g 2的加速度竖直匀加速上升 到某一高度时仪器对平台的压力为起动前对平台压力的17 18 求 此时火箭离地面的高度 已知地球半径为r 地面重力加速度为g 地面时 空中时 在绕地球做匀速圆周运动的航天飞机外表面 有一隔热陶磁片自动脱落 则 a 陶磁片做平抛运动b 陶磁片做自由落体运动c 陶磁片按原轨道做匀速圆周运动d 陶磁片做圆周运动 逐渐落后于航天飞机 c 例题分析完全解读p136第10题 四 地球同步卫星 1 所谓地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星 它在轨道上跟着地球自转 同步地做匀速圆周运动 它的周期 t 24h 2 所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上 即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合 卫星离地面高度及线速度均为定值 v f引 同步卫星 为了卫星之间不互相干扰 大约3 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 同步卫星 近地卫星 月球 近地卫星 同步卫星 月球三者比较 赤道轨道 极地轨道 倾斜轨道 同步轨道 自转轴 1999年5月10日 我国成功地发射了 一箭双星 将 风云1号 气象卫星和 实验5号 科学实验卫星送入离地面870km的轨道 已知地球半径为6400km 这两颗卫星的运动速度约为a 11 2km sb 7 9km sc 7 4km sd 2 1km s c 例题分析 用m表示地球通讯卫星 同步卫星 的质量 h表示它离开地面的高度 r0表示地球的半径 g0表示地面处的重力加速度 0表示地球自转的角速度 则通讯卫星所受的地球对它的万有引力的大小为 bc 例题分析 同步卫星离地距离r 运行速率为v1 加速度为a1 地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2 第一宇宙速度为v2 地球半径为r 则a b c d 例题分析 ad 11 我国自行研制发射的 风云一号 风云二号 气象卫星的飞行轨道是不同的 风云一号 是极地圆形轨道卫星 其轨道平面与赤道平面垂直 周期为t1 12h 风云二号 是同步轨道卫星 其轨道平面就是赤道平面 周期为t2 24h 两颗卫星相比 离地面较高 观察范围较大 运行速度大 若某天上午8点 风云一号 正好通过赤道附近太平洋上一个小岛的上空 那么 风云一号 下一次通过该小岛上空将是 二号 一号 一号 次日上午8点 卫星的追击问题 2006年江苏卷14 14 a是地球的同步卫星 另一卫星b的圆形轨道位于赤道平面内 离地面高度为h 已知地球半径为r 地球自转角速度 0 地球表面的重力加速度为g o为地球中心 1 求卫星b的运动周期 2 如卫星b绕行方向与地球自转方向相同 某时刻a b两卫星相距最近 o b a在同一直线上 则至少经过多长时间 它们再一次相距最近 解 1 联立 得 2 由题意得 b 0 t 2 由 得 代入 得 a 机械能逐渐减小 b 动能逐渐减小 c 运行周期逐渐减小 d 加速度逐渐减小 1 神六在绕地球运行的过程中 由于高空稀薄空气的阻力影响 将很缓慢地逐渐向地球靠近 做轨道逐渐减小的螺旋线运动 设每时刻可以近似看作是一个圆周运动 只是半径逐渐减小 则神六的 神州六号的相关问题 ac 卫星运动中的能量问题 例题分析 卫星的变轨问题 点火 改变v大小 改变所需向心力 变轨原理 2 神六变轨 神六飞船入轨后先是在近地点200公里 远地点350公里的椭圆轨道上运行 运行5圈时 然后变轨到距地面343公里的圆形轨道 为什么它的轨道是椭圆轨道 10月12日15时55分 北京航天飞控中心发出指令 启动神舟六号轨控发动机 从15时54分45秒开始 发动机工作了63秒 飞船的运动已接近圆形 飞船变轨如何实现 比较v1 v2 v3的大小 神州六号的相关问题 v1 v2 v2 v3 v1 v3 v1 v3 v2 10 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点 轨道2 3相切于p点 如图所示 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 若飞船要与轨道空间站对接 飞船为了追上轨道空间站 a 可以从较低的轨道上加速b 可以从较高的轨道上加速c 可以从与空间站同一轨道上加速d 无论在什么轨道上 只要加速都行 例题分析 a 12 如图所示 a b c是在地球大气层外圆形轨道上运动的3颗卫星 下列说法正确的是 a b c的线速度大小相等 且大于a的线速度 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加速可追上同一轨道上的b b减速可等候同一轨道上的c d a卫星由于某原因 轨道半径缓慢减小 其线速度将增大 例题分析 d 小结 一 宇宙速度1 第一宇宙速度 环绕速度 v1 7 9km s2 第二宇宙速度 脱离速度 v2 11 2km s3 第三宇宙速度 逃逸速度 v3 16 7km s二 同步卫星1 周期t 24h2 卫星轨道平面与地球赤道平面重合 例题分析完全解读p126考题6 解题思路 求r 求sin 求h 求s 例题分析完全解读p127考题8 日照 解题思路 求t1 求一个周期内通过光照面的次数n 求l 16分 某颗地球同步卫星正下方的地球表面上有一观察者 他用天文望远镜观察被太阳光照射的此卫星 试问 春分那天 太阳光直射赤道 在日落12小时内有多长时间该观察者看不见此卫星 已知地球半径为r 地球表面处的重力加速度为g 地球自转周期为t 不考虑大气对光的折射 2004年广西卷16 解 设所求的时间为t 用m m分别表示卫星和地球的质量 r表示卫星到地心的距离 春分时 太阳光直射地球赤道 如图所示 图中圆e表示赤道 s表示卫星 a表示观察者 o表示地心 由图可看出当卫星s绕地心o转到图示位置以后 设地球自转是沿图中逆时针方向 其正下方的观察者将看不见它 据此再考虑到对称性 有 rsin r 由以上各式可解得 设想宇航员完成了对火星表面的科学考察任务 乘坐返回舱返回围绕火星做圆周运动的轨道舱 如图所示 为了安全 返回舱与轨道舱对接时 必须具有相同的速度 已知返