《人造卫星、宇宙速度》(教学)课件

1、2021年11月25日星期四嫦嫦娥娥奔奔月月2021年11月25日星期四2021年11月25日星期四19571957年年1010月月4 4日，前苏联发射了日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星世界上第一颗人造地球卫星我国在我国在19701970年年4 4月月2020日发射了日发射了第一颗人造地球卫星第一颗人造地球卫星20032003年年1010月月1515日，神州五号日，神州五号载人宇宙飞船发射升空载人宇宙飞船发射升空各种各样的卫星Main Ideav平抛平抛洲际洲际导弹导弹人造人造卫星卫星增大增大地面上的物体，怎样才能成为人造地球卫星呢？地面上的物体，怎样才能成为人造地球卫星呢？30030

2、0多多年前，年前，牛顿提牛顿提出设想出设想 人造卫星的发射原理人造卫星的发射原理由此可见，人造地球卫星运行遵从的规律是：由此可见，人造地球卫星运行遵从的规律是：卫星绕地球做圆周运动，地球对卫星的引力卫星绕地球做圆周运动，地球对卫星的引力 就就是向心力。是向心力。一、人造卫星：一、人造卫星： 在地球上抛出的在地球上抛出的物体，当它的速度足够物体，当它的速度足够大时，物体就永远不会大时，物体就永远不会落到地面上，它将围绕落到地面上，它将围绕地球旋转，成为一颗人地球旋转，成为一颗人造地球卫星。简称人造造地球卫星。简称人造卫星。卫星。2 2、人造卫星绕地球匀速圆周运动的原因、人造卫星绕地球匀速圆周运动

3、的原因 人造卫星受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作匀速圆周运动的向心力由万有引人造卫星作匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。力提供。 3 3、人造卫星的运行规律、人造卫星的运行规律设地球质量为设地球质量为M M，卫星质量为，卫星质量为m m，卫星的绕行速，卫星的绕行速度度v v 、角速度、角速度 、周期、周期T T、向心加速度、向心加速度a a与轨与轨道半径道半径 r r 的关系的关系r(a、V 、 、T )卫星运动的线速度、角速度、向心加速度和周期：卫星运动的线速度、角速度、向心加速度和周期：rGM(3)由由 得：得：3rGM (4)由由 得：得：可见：卫星运动情况可见：卫星运动情况(a

4、、V 、 、T )是是由由 r r 惟惟 一决定一决定(2)由由 得：得：GM mr2=mv2rGM mr2=m2rGM mr2=m( ) rT2GM42r3(1)由由 得：得：aGM mr2=maGMr2记忆口诀：记忆口诀：“高轨低速长周高轨低速长周期期”1234v1v2=v3v4T1T2=T32=34 人造地球卫星的运动规律人造地球卫星的运动规律练习：对于练习：对于绕地球绕地球运动的人造卫星：运动的人造卫星：（1）离地面越高，线速度越）离地面越高，线速度越（2）离地面越高，周期越）离地面越高，周期越（3）离地面越高，角速度越）离地面越高，角速度越（4）离地面越高，向心加速度越）离地面越高，

5、向心加速度越（5）离地面越高，向心力越）离地面越高，向心力越小小长长小小小小小小 两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，它们的质量不相等，轨道半径之运行，它们的质量不相等，轨道半径之比比r1:r2=1:4,则它们的则它们的(1)线速度大小之比线速度大小之比 v1:v2= (2)周期之比周期之比 T1:T2 = 课堂训练课堂训练rGMv 1 :2GMrT328: 1 12vvA. B. C. D. 3132RR21RR2221RR21RR高考链接：高考链接：2012山东理综第山东理综第15题题B20112011年年1111月月3 3日，日，“神州八号神州八号”飞船

6、与飞船与“天天宫一号宫一号”目标飞行器成功实施了首次交会对目标飞行器成功实施了首次交会对接。任务完成后接。任务完成后“天宫一号天宫一号”经变轨升到更经变轨升到更高的轨道，等待与高的轨道，等待与“神州九号神州九号”交会对接。交会对接。变轨前和变轨完成后变轨前和变轨完成后“天宫一号天宫一号”的运行轨的运行轨道均可视为圆轨道，对应的轨道半径分别为道均可视为圆轨道，对应的轨道半径分别为R1R1、R2R2，线速度大小分别为，线速度大小分别为V1V1、V2V2。则。则 等于等于( )( )设地球质量为设地球质量为M M地地，半径为，半径为r r。人造地球卫星在。人造地球卫星在近地圆轨道上运行，质量为近地圆

7、轨道上运行，质量为m m卫卫，轨道半径为，轨道半径为r r。那么，在该轨道上做匀速圆周运动的卫星的那么，在该轨道上做匀速圆周运动的卫星的速速度度v v如何推算如何推算？ rvmrmGM22卫卫地约去两边的约去两边的卫m2vrGM地rMGv 地 那么，速度为多大时，物体将不会落回地那么，速度为多大时，物体将不会落回地面而成为绕地球旋转的人造卫星呢？面而成为绕地球旋转的人造卫星呢？二、宇宙速度二、宇宙速度对于靠近地面的卫星，可以认为此时的对于靠近地面的卫星，可以认为此时的 r r 近似等于近似等于地球半径地球半径R R地地，把把r r用地球半径用地球半径R R地地代入，可以求出：代入，可以求出：s

8、kmsmRGMv/9 . 7 /1037. 61089. 51067. 6624111=地地这这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆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周运动所必须具有的线速度线速度，叫做，叫做第一宇宙速度第一宇宙速度( (环绕地球表面的速度，又称环绕速度环绕地球表面的速度，又称环绕速度) )。近地面的卫星的速度近地面的卫星的速度)1089. 5 1037. 6,/1067. 6(24 6 2211kgMmRkgmNG=地地2021年11月25日星期四V1=7.9km/s地球11.2km/sv7.9km/s2 2、第二宇宙速度：、第二宇宙速度：( (脱

9、离速度脱离速度) ) V2=11.2km/sV3=16.7km/s3 3、第三宇宙速度：（、第三宇宙速度：（逃逸速度逃逸速度）211.2/vkm s316.7/vkm s人造行星人造行星人造恒星人造恒星人造卫星人造卫星概念辨析发射速度和运行速度1 1、发射速度：、发射速度：是指被发射物在地面附近离开是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度。发射装置时的速度。2 2、运行速度：、运行速度：是指卫星进入轨道后绕地球做是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。匀速圆周运动的速度。1GMvrr v宇宙速度均指发射速度宇宙速度均指发射速度第一宇宙速度是在地面发射卫星的最第一宇宙速度是在地面发射卫星

10、的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度小速度，也是环绕地球运行的最大速度三、近地卫星三、近地卫星 近地卫星是指卫星的轨道半径近地卫星是指卫星的轨道半径近似等于地球半径，其周期约为近似等于地球半径，其周期约为8484分钟。其分钟。其向心力向心力由万有引力提供。由万有引力提供。2021年11月25日星期四练习：求近地卫星的周期练习：求近地卫星的周期6 31124(6.37 10 ) 2 3.146.67 105.98 10 s 地GMrT323 5.06 1084.3mins我们能否发射一颗周我们能否发射一颗周期为期为80min的卫星？的卫星？四、地球同步卫星四、地球同步卫星 1、定义、定义所谓地

11、球同步卫星，是相对于地面所谓地球同步卫星，是相对于地面静止静止的和地球具有相同的和地球具有相同周期周期的卫星，同步卫的卫星，同步卫星必须位于星必须位于赤道平面内赤道平面内，且到地面的，且到地面的高高度一定度一定。r v T a “全部固定全部固定” 圆轨道在赤道平面，即圆轨道在赤道平面，即在赤道的正上方；周在赤道的正上方；周期与地球自转周期相期与地球自转周期相同，为同，为24小时；绕行小时；绕行方向为自西向东。方向为自西向东。 大家能否计大家能否计算出同步卫星算出同步卫星的高度，线速的高度，线速度呢？度呢？2 2、地球同步卫星的运行特征、地球同步卫星的运行特征可概括为四个一定可概括为四个一定定

12、轨道平面定轨道平面, ,其运行轨道平面在赤道平面内；其运行轨道平面在赤道平面内；定周期定周期, ,即运行周期等于地球自转周期（即运行周期等于地球自转周期（24 h24 h）定高度定高度，即离地面高度一定（，即离地面高度一定（h=36000 kmh=36000 km）定速度定速度，即运行速度一定（，即运行速度一定（v3.1km/sv3.1km/s）3、同步卫星的应用：主要用于通信3 3颗同步卫星可实现全球覆盖颗同步卫星可实现全球覆盖所以也叫所以也叫通信卫星通信卫星 为了卫星之间不互相干扰，大约为了卫星之间不互相干扰，大约3 3左右才能放置左右才能放置1 1颗，这样地球的颗，这样地球的同步卫星只能

13、有同步卫星只能有120120颗。可见，空间颗。可见，空间位置也是一种资源。位置也是一种资源。“高轨低速长周期高轨低速长周期”极地轨道极地轨道一般轨道一般轨道赤道轨道赤道轨道所有卫星都在以地心为圆所有卫星都在以地心为圆心的轨道上心的轨道上(原因原因？）？）平面平面立体立体赤道平面赤道平面人造卫星的轨道人造卫星的轨道2021年11月25日星期四 甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是均可视为圆轨道。以下判断正确的是( )A甲的周期大于乙的

14、周期甲的周期大于乙的周期 B乙的速度大于第一宇宙速度乙的速度大于第一宇宙速度C甲的加速度小于乙的加速度甲的加速度小于乙的加速度 D甲在运行时能经过北极的正上方甲在运行时能经过北极的正上方高考链接：高考链接：2011山东理综第山东理综第17题题AC2021年11月25日星期四六、人造卫星的超重和失重六、人造卫星的超重和失重1、发射和回收阶段、发射和回收阶段发射发射加速上升加速上升超重超重回收回收减速下降减速下降超重超重2、沿圆轨道正常运行、沿圆轨道正常运行只受重力只受重力a = g完全失重完全失重与重力有关的现象全部消失与重力有关的现象全部消失天平天平弹簧秤测重力弹簧秤测重力液体压强计液体压强计

15、七、卫星变轨七、卫星变轨VF引rvmF2向2rMmGF 引向引FF F引引F向向F引引F向向卫星变轨原理卫星变轨原理MmA点速度点速度内小外大内小外大（在（在A点看轨迹）点看轨迹）在在A点万有引力点万有引力相同相同Av1v2v3v4v2v1v4v3v1v4v2v1v4v3v2v3 点火加速：点火加速：在椭圆轨在椭圆轨道上运行道上运行:第一次变轨：第一次变轨：第二次变轨：第二次变轨： 点火加速：点火加速：在圆轨道上在圆轨道上稳定运行：稳定运行：思考：思考：人造卫星在人造卫星在低轨道上运行低轨道上运行，要想让其在，要想让其在高轨道上运行高轨道上运行，应采取什么措施？，应采取什么措施？在在低轨道上加

16、速低轨道上加速，使其沿，使其沿椭椭圆轨道圆轨道运行，当行至椭圆轨运行，当行至椭圆轨道的道的远点远点处时再次处时再次加速加速，即，即可使其沿可使其沿高轨道运行高轨道运行。卫星变轨原理卫星变轨原理1 1、卫星在二轨道相切点、卫星在二轨道相切点万有引力万有引力相同相同速度速度内小外大内小外大（切点看轨迹）（切点看轨迹）2 2、卫星在椭圆轨道运行、卫星在椭圆轨道运行近地点近地点-速度速度大大，动能大，动能大远地点远地点-速度速度小小，动能小，动能小 1 1、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道近地圆轨道1 1，然后经点火使其沿然后经点火使其沿椭圆

17、轨道椭圆轨道2 2运行；最后再次点火将其送入同步运行；最后再次点火将其送入同步圆圆轨道轨道3 3。轨道。轨道1 1、2 2相切于相切于P P点，点，2 2、3 3相切于相切于Q Q点。当卫星分别在点。当卫星分别在1 1、2 2、3 3上正常运行时，以下说法正确的是（上正常运行时，以下说法正确的是（ ） A A、在轨道、在轨道3 3上的速率大上的速率大 于于1 1上的速率上的速率 B B、在轨道、在轨道3 3上的角速度上的角速度 小于小于1 1上的角速度上的角速度 C C、在轨道、在轨道2 2上经过上经过Q Q点时点时 的速率等于在轨道的速率等于在轨道3 3上经过上经过Q Q点时的速率点时的速率

18、 D D、在轨道、在轨道1 1上经过上经过P P点时的加速度等于在轨道点时的加速度等于在轨道2 2上上 经过经过P P点时的加速度点时的加速度 QQP P231BD2 2、如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将、如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将卫星发射至距地面高度为卫星发射至距地面高度为h h1 1的近地轨道的近地轨道上在卫星上在卫星经过经过A A点时点火实施变轨，进入远地点为点时点火实施变轨，进入远地点为B B的椭圆轨道的椭圆轨道上，最后在上，最后在B B点再次点火，将卫星送入同步轨道点再次点火，将卫星送入同步轨道.已知地球表面重力加速度为已知地球表面重力加速度为g g，地

19、球自转周期为，地球自转周期为T T，地，地球的半径为球的半径为R R求：求：（1 1）近地轨道）近地轨道上的速度大小；上的速度大小；（2 2）远地点）远地点B B距地面的高度。距地面的高度。“嫦娥奔月嫦娥奔月” 图图理性探究 发射、变轨、运行 2. 2. 20072007年年1010月月2424日日“嫦娥一号嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：1212小时椭圆轨小时椭圆轨道道2424小时椭圆轨道小时椭圆轨道4848小时椭圆轨道小时椭圆轨道修正轨道修正轨道地月转移轨道。地月转移轨道。1111

20、月月5 5日日1111时，当卫星经过距月球表面高度时，当卫星经过距月球表面高度为为h h的的A A点时，再经三次变轨：点时，再经三次变轨：1212小时椭圆轨道小时椭圆轨道3.53.5小时椭圆小时椭圆轨道轨道最后进入周期为最后进入周期为T T的极月圆轨道的极月圆轨道 ，如图所示（，如图所示（ ） A.“A.“嫦娥一号嫦娥一号”由到需加速、由到需减速由到需加速、由到需减速 B.B.发射发射“嫦娥一号嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度的速度必须达到第三宇宙速度 C.C.在绕月圆轨道上在绕月圆轨道上, ,卫星周期与卫星质量有关卫星周期与卫星质量有关 D.D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成

21、反比卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比 E.E.在绕月圆轨道上在绕月圆轨道上, ,卫星受地球的引力大于受月球的引力卫星受地球的引力大于受月球的引力近地变轨近地变轨轨道修正轨道修正转移轨道转移轨道发射发射D 3. 3. 20072007年年1010月月2424日，日，“嫦娥一号嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：1212小时椭圆轨小时椭圆轨道道2424小时椭圆轨道小时椭圆轨道4848小时椭圆轨道小时椭圆轨道修正轨道修正轨道地月转移轨道。地月转移轨道。1111月月5 5日日1111

22、时，当卫星经过距月球表面高度时，当卫星经过距月球表面高度为为h h的的A A点时，再经三次变轨：点时，再经三次变轨：1212小时椭圆轨道小时椭圆轨道3.53.5小时椭圆小时椭圆轨道轨道最后进入周期为最后进入周期为T T的极月圆轨道的极月圆轨道 ，如图所示。，如图所示。 若月球半径为若月球半径为R R，试写出月球表面重力加速度的表达式。，试写出月球表面重力加速度的表达式。近地变轨近地变轨轨道修正轨道修正转移轨道转移轨道发射发射l空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何到达空间站，空间站上的人又如何地球上的人如何到达空间站，空间站上的人

23、又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？接呢？不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间站对接。来的圆轨道而无法与空间站对接。八、对接问题：八、对接问题：宇宙飞船与空间站的对接宇宙飞船与空间站的对接飞船飞船对接方法： 飞船首先在比空间站低飞船首先在比空

24、间站低的轨道运行，当运行到适的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。一个椭圆轨道。 通过控制轨道使飞船跟通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，此时飞船轨道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对接，适当减速，便可实现对接，如图示。如图示。例：在太空中有两飞行器例：在太空中有两飞行器a a、b b，它们在绕地，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，球的同一圆形轨道上同向运行，a a在前在前b b在后，在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想机，现要想b b 尽快追上尽快追上a a 并完成对接，并完成对接，b b应采应采取的措施是（取的措施是（ ）A A、沿运动方向喷气、沿运动方向喷气 B B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气、先沿运动方