3.4人造卫星 宇宙速度.ppt

3.4人造卫星宇宙速度,嫦娥奔月,敦煌飞天的壁画,外国人的“飞天”梦,牛顿的设想-发射人造卫星原理,牛顿对发射人造卫星的构想：,从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落点也就一次比一次离山脚远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将绕地球旋转成为一颗绕地球运动的人造地球卫星。,牛顿人造地球卫星的设想图,平抛,洲际导弹,人造卫星,增大,人造卫星,1895年，俄国宇航先驱齐奥尔科夫斯基在一篇名为天地幻想和全球引力效应的论文中率先提出了制造人造卫星的设想。1957年10月4日，苏联将第一颗人造卫星送入环绕地球的轨道。,齐奥尔科夫斯基,“宇宙航行之父”,1976年“东方红一号”中国第一颗人造地球卫星,要使卫星能够环绕地球飞行，最小发射速度多大？,平抛,洲际导弹,人造卫星,增大,宇宙速度,1.第一宇宙速度：使卫星能环绕地球运行所需的最小发射速度,方法：万有引力提供卫星做圆周运动的向心力,=,7.9km/s,算一算：要使卫星能够环绕地球飞行，最小发射速度是多大呢？（提示：以这个发射时，卫星刚好能以这个速度贴着地面飞行，已知=6.6710-11Nm2/kg2,地球质量M=5.91024kg,地球半径RE=6400km）,=,7.9km/s,思考，如果知道地球半径RE=6400km，重力加速度为g=9.8m/s2,能求第一宇宙速度吗？,=,推导第一宇宙速度的两种方法！,=,想一想：如果卫星发射速度大于7.9km/s，卫星将怎样运行？,11.2km/sv7.9km/s,11.2km/s,16.7km/s,宇宙速度,第一宇宙速度,第三宇宙速度,第二宇宙速度,7.9km/s,如果人造地球卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，它绕地球运动的轨迹是椭圆。,当物体的速度大于或等于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。,2.第二宇宙速度：,如果物体的速度大于或等于16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。,3.第三宇宙速度：,太阳,16,已知地球质量为M,万有引力常量为G,卫星绕地球做圆周运动,轨道半径为r.求卫星的加速度a、线速度v、角速度、周期T.,万有引力=向心力,基本方程,A,B,C,v1=7.9km/s,越高，越慢,三、人造卫星的运行规律,思考：向高轨道发射卫星难呢？还是向低轨道发射卫星难呢？,第一宇宙速度是：卫星能环绕地球运行的最小发射速度，卫星能环绕地球运行的最大绕行速度！即近地卫星的绕行速度！,例1.下列说法是否正确？为什么？（1）人造地球卫星由于大气阻力的作用，轨道半径逐渐减小，它的线速度将逐渐减小，而周期逐渐增大。,（2）因为高轨道卫星的运行速度小，所以高轨道卫星需要的发射速度也较小。,20m/s,例2：1990年3月，中国紫金山天文台将1965年9月20日发现的第753号小行星命名为吴健雄星，其直径为32km.如果该小行星的密度和地球相同，求该小行星的第一宇宙速度(已知地球半径R06400km，地球的第一宇宙速度v0取8km/s.),例3.A、B、C三颗卫星绕地球作圆周运动,卫星质量mC=2mA=2mB,轨道半径rB=rC=4rA.则卫星的:A.加速度aA:aB:aC=16:1:1B.线速度vA:vB:vC=2:1:1C.角速度A:B:C=1:1:1D.周期TA:TB:TC=1:8:8,【ABD】,23,某国家电视报道：该国发射了一颗周期1h的人造地球卫星。请你判断该新闻的正确性,Tmin=84min,R地=6400km，g取10m/s2,这是一则虚假新闻,例4.据观察，某行星外围有一个模糊不清的环。为了判断环是连续物还是卫星群，测出了环中各层的线速度V大小与该层至行星的中心的距离R，以下判断正确的是：A、若V与R成正相关，则环是连续物B、若V与R成反相关，则环是连续物C、若V与R成正相关，则环是卫星群D、若V与R成反相关，则环是卫星群,(A、D),注意：人造卫星的圆轨道圆心一定与地心共点.,F万,四、人造卫星的轨道特点：,近地卫星极地卫星同步卫星,卫星的轨道可能与纬度线或经度线所在平面始终重合吗？,同步卫星轨道,五、地球同步卫星,地球同步卫星：与地球自转同步,相对于地面静止的人造卫星,同步卫星特点：1.周期(T=24h)2.轨道在赤道平面上3.离地高度是定值（h6R）,冥王星为什么被“除名”？,双星系统：它们在彼此的万有引力作用下，绕连线上某点做匀速圆周运动,六、双星模型,例1.已知双星质量分别为m1、m2，间距始终为L，引力常量为G.求：(1)双星分别到旋转中心O的距离R1：R2(2)双星分别到旋转中心O的距离R1，R2（3）双星的周期T.,m1,m2,R1,o,保证L不变，从m1上取一些物体放到m2上，双星周期如何变化？,例2.已知双星质量分别为m1、m2，圆周运动周期为T，引力常量为G.求：双星系统的总质量,m1,m2,R1,o,（1）双星的向心力大小相同（2）双星的角速度、周期相同（3）双星间的万有引力提供向心力（4）双星的轨道半径与引力半径不等，两轨道半径之和是引力半径（5）双星轨道半径比是质量的反比（6）双星周期由引力半径L和总质量M决定,双星系统特点:,一种是三颗星位于同一直线上，你认为三颗星的质量、向心力来源具有什么特点？一种是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，你认为三颗星的质量、半径、向心力来源具有什么特点？,求：两种形式星体的运动周期？,三星模型,设：每颗星的质量均为m,相邻星体的距离为R.引力常量为G.,（1）星体运动的向心力是由另外两星体对它的万有引力提供，则有,得:,（2）星体运动的向心力是由另外两星体对它的万有引力提供，则有,s,F,Fn,七、比较近地、同步和赤道处物体的运动：,例1：地球赤道上有一物体随地球的自转而做圆周运动，所受的万有引力为F1，向心力为F1,向心加速度为a1，线速度为v1，角速度为1;绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星受的向心力为F2，向心加速度为a2，线速度为v2，角速度为2;地球同步卫星所受的向心力为F3，向心加速度为a3，线速度为v3，角速度为3.地球表面重力加速度为g，第一宇宙速度为v。地球半径为R，同步卫星轨道半径为r，比较：F1、F1、F2、F3；g、a1、a2、a3；1、2、3；v、v1、v2、v3的大小关系.(假设三个物体质量相同),2020/5/31,关键：1.赤道处物体向心力由万有引力的一部分提供2.以同步卫星为桥梁3.赤道处和同步的联系是角速度相同4.近地和同步的联系是都是卫星模型,(A、D),例3、地球赤道上有一物体随地球的自转而做圆周运动，所受的向心力为F1，向心加速度为a1，线速度为v1，角速度为1;绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星受的向心力为F2，向心加速度为a2，线速度为v2，角速度为2;地球同步卫星所受的向心力为F3，向心加速度为a3，线速度为v3，角速度为3.地球表面重力加速度为g，第一宇宙速度为v，假设三者质量相等.则（）A.F1=F2F3B.a1=a2=ga3C.v1=v2=vv3D.1=32,注意区别在赤道上随地球自转的物体和贴近地表绕行的卫星,解析:赤道上的物体随地球自转的向心力为物体所受万有引力与地面支持力的合力，近地卫星的向心力等于万有引力，同步卫星的向心力等于同步卫星所在处的万有引力，故有F1F2，F2F3，加速度：a1a2，a2=g，a3a2，线速度：v1=1R，v3=1（R+h）.因此v1v3，而v2v3.角速度1=32.答案:D,比较：在1轨道上通过P点和在2轨道上通过P点下列量的大小关系：v1Pv2P;r1Pr2PF1PF2P;a1Pa2P,比较：在2轨道上通过Q点和在3轨道上通过Q点下列量的大小关系：v2Qv3Q;r2Qr3QF2QF3Q;a2Qa3Q,=,=,=,=,八、卫星变轨发射问题：,P,Q,1,2,3,比较大小：v1、v2P、v2Q、v3,2020/5/31,例.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1所示，则当卫星分别在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2上P的速率B卫星在轨道3上的速率大于在轨道2上Q的速率C卫星在轨道1的周期小于它在轨道2的周期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,ACD,变轨问题总结,1.卫星加速，才能从低轨道到高轨道2.卫星在变轨位置的不同轨道上，向心加速度是相等.3.比较速度时，注意：卫星模型中，高轨道速度小,2020/5/31,例：在火箭发射卫星的开始阶段，火箭与卫星一起竖直上升的运动可看作匀加速直线运动，加速度大小为，卫星封闭舱内用弹簧秤挂着一个质量m9Kg的物体，当卫星竖直上升到某高度时，弹簧秤的示数为85N，求此时卫星距地面的高度是多少？,九、卫星的直线发射问题：,2020/5/31,例：绕地球做匀速圆周运动的宇宙飞船中有一质量为10kg的物体挂在弹簧测力计上，这时弹簧测力计的示数()A等于98NB小于98NC大于98ND等于0,十、超失重问题：,哪些物理器材不能用？,完全失重！,在宇宙飞船中所有和重力有关的仪器都无法使用！,液体柱不再产生压强、浸在液体中的物体不再受浮力等天平失效、密度计不能测密度、单摆停摆（摆钟失效）等温度计仍可正常使用、测力计能工作（但不能测重力）,十一、追及相遇问题：,C,A如何调节速度，才能追上C？,例11如图5所示，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，地球自转角速度为0，地球表面的重力加速度为g，O为地球中心(1)求卫星B的运行周期(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，他们再一次相距最近？,十二、考虑地球自转的相关问题：,地球的自转周期达到多大，地球会解体（你会飘离地球表面）？用R、M表达？,例1、地球赤道上的物体重力加速度为g，物体在赤道上随地球自转的向心加速度为a，要使赤道上的物体“飘”起来，则地球转动的角速度应为原来的多少倍()ABCD,C,例2、中子星是恒星演化过程中的一种可能结果，它的密度很大现有一中子星，观测到它的自转周期为T1/30s问该中子星的最小密度应是多少才能维持该星体的稳定，不致因自转而瓦解？计算时星体可视为均匀球体，万有引力常量G6.671011m3/(kgs2),=1.271014kg/m3,当mg为零时，中子星瓦解，即：,例1：如图所示，宇航员站在某质量分布均匀的星球表面一斜坡上P点沿水平方向以初速度v0抛出一个小球，测得小球经时间t落到斜坡上另一点Q，斜面的倾角为，已知该星球半径为R，引力常量为G，求：(1)该星球表面的重力加速度g；(2)该星球的第一宇宙速度v；(3)人造卫星绕该星球做匀速圆周运动的最小周期T.,例2：为了对火星及其周围的空间环境进行探测，我国于2011年10月发射了第一颗火星探测器“萤火一号”假设探测器在离火星表面高度分别为h1和h2的圆轨道上运动时，周期分别为T1和T2.火星可视为质量