3-4 人造卫星宇宙速度 上课用.ppt

3-4人造卫星宇宙速度,中国人的飞天梦,外国人的“飞天”梦,(1)Fn和an：万有引力提供向心力，即Fn=man所以r增加，卫星的向心力Fn和向心加速度an都减小(2)线速度v：由得v所以r增加，v减小,一.描述卫星的各量与轨道半径r的关系,(3)角速度：由m2r得所以r增加，卫星减小(4)周期T：由得T2所以r增加，卫星的周期T增大,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如何计算？,所以：卫星离地面越近，它运行的速度越大。,3月30日21时52分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭，成功将首颗新一代北斗导航卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道。这是中国发射的第17颗北斗导航卫星，2015年预计发射5颗北斗导航卫星，预计在2020年前后实现5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星全球组网，实现全球区域覆盖。,人造卫星的发射原理,牛顿设想：抛出速度很大时，物体就不会落回地面,这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。,近地面的卫星的速度是多少呢？,一.第一宇宙速度,基本思路2：重力提供向心力,(2)从绕行角度分析：,是最大的环绕速度,(1)从发射角度分析：,是最小的发射速度,基本思路1:万有引力提供向心力,建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动,1.物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的线速度，叫第一宇宙速度，也叫环绕速度。,讨论不同天体的第一宇宙速度相同吗？,例、已知地球是月球质量的81倍，地球半径为月球半径的3.8倍，在地球表面上发射卫星，至少需要7.9km/s的速度，求在月球上发射一颗环绕月球表面运行的飞行物至少需要多大的速度？,3.结论：不同的天体的第一宇宙速度不同,解析：,二、第二和第三宇宙速度：,总结、宇宙速度,1、第一宇宙速度(环绕速度),V1=7.9km/s,地球,11.2km/sv7.9km/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,人造卫星,练习：求近地卫星的周期,我们能否发射一颗周期为80min的卫星吗？,三、人造卫星的超重和失重,1、发射和回收阶段,发射,2、沿圆轨道正常运行,只受万有引力、即重力,天平,弹簧秤测重力,液体压强计,回收,与重力有关的现象将消失,赤道轨道,极地轨道,倾斜轨道,同步轨道,自转轴,人造卫星的轨道,四、地球同步卫星,1.指相对于地面静止的人造卫星，它在轨道上做匀速圆周运动，跟地球自转同步，它的周期：T24h,地球同步卫星的特点:,地球同步卫星能否位于北京正上方某一确定高度h处？,2、同步卫星只能分布在赤道正上方的一个确定轨道上（静止轨道），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h为定值。,3、对同步卫星：其r、h、v、T、g均为确定值,同步卫星,同步卫星,近地卫星,月球,近地卫星、同步卫星、月球三者比较,五、凡是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,2卫星的稳定运行与变轨运行分析(1)圆轨道上的稳定运行：若卫星所受万有引力等于做匀速圆周运动的向心力，将保持匀速圆周运动，即mr2mr()2.,(2)变轨运行分析：当卫星由于某种原因速度突然改变时(开启或关闭发动机或空气阻力作用)，万有引力就不再等于向心力，卫星将做变轨运行当v增大时，所需向心力m增大，即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大，但卫星一旦进入新的轨道运行，由v知其运行速度要减小，但重力势能、机械能均增加,当卫星的速度突然减小时，向心力减小，即万有引力大于卫星所需的向心力，因此卫星将做向心运动，同样会脱离原来的圆轨道，轨道半径变小，进入新轨道运行时由v知运行速度将增大，但重力势能、机械能均减少(卫星的发射和回收就是利用了这一原理),(3)卫星的能量轨道半径越大，速度越小，动能越小，但重力势能越大，且总机械能也越大，也就是轨道半径越大的卫星，运行速度虽小，但发射速度越大,嫦娥一号轨迹图,发射同步卫星轨迹图,(1)卫星的a、v、T是相互联系的，其中一个量发生变化，其他各量也随之发生变化(2)a、v、T均与卫星的质量无关，只由轨道半径r和中心天体质量共同决定(3)卫星变轨时半径的变化，根据万有引力和所需向心力的大小关系判断；稳定在新轨道上的运行速度变化由v判断,注意,2、两颗人造地球卫星质量之比m1m2=12,轨道半径之比r1r2=31，下列有关数据之比正确的是()A、周期之比T1T2=31B、线速度之比v1v2=31C、向心力之比F1F2=19D、向心加速度之比a1a2=19,例题分析,1、人造地球卫星的轨道半径越大，则()A、速度越小，周期越小B、速度越小，加速度越小C、加速度越小,周期越大D、角速度越小,加速度越大,BC,D,3、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、11.2kmsB、7.9kmsC、7.4kmsD、16.7kms,C,例题分析,4、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，才能使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,竖直上抛运动与万有引力综合,5、根据观察，在土星外层有一个环，为了判断环是土星的连续物还是小卫星群。可测出环中各层的线速度V与该层到土星中心的距离R之间的关系。下列判断正确的是：A、若V与R成正比，则环为连续物；B、若V2与R成正比，则环为小卫星群；C、若V与R成反比，则环为连续物；D、若V2与R成反比，则环为小卫星群。,例题分析,AD,6、同步卫星离地心距离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,7、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,8、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,9、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,10、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,从较高的轨道上减速，要实现飞船与轨道空间站对接很困难,11、关于人造地球卫星与宇宙飞船的下列说法中，正确的是()A、知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用引力恒量，就可算出地球质量B、两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形状差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期一定是相同的C、原来在同一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后，若要后一卫星追上前一卫星并发生碰撞，只要将后者速率增大一些即可D、一艘绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内慢慢走出并离开飞船，飞船因质量减小，所受万有引力减小，故飞行速度减小,AB,12、科学家在望远镜中看到太阳系以外某一恒星有一行星，测得它围绕该恒星运行一周的时间为1200年，它与该恒星的距离为地球到太阳距离的100倍假定该行星绕恒星运行的轨道和地球绕太阳运行的轨道都是圆周，仅由以上两个数据可以求出的量有（）A、恒星质量与太阳质量之比B、恒星密度与太阳密度之比C、行星质量与地球质量之比D、行星运行速度与地球公转速度之比,AD,13、发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火将卫星送入椭圆轨道2，然后再次点火，将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，2、3相切于P点，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上的角速度大于在轨道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,D,14、两个星球组成双星，它们在相互之间的万有引力作用下，绕连线上某点做周期相同的匀速圆周运动。现测得两星中心距离为R，其运动周期为T，求两星的总质量。,15、一卫星绕某行星做匀速圆周运动。已知行星表面的重力加速度为g行，行星的质量M与卫星的质量m之比Mm=81，行星的半径R行与卫星的半径R卫之比R行R卫=3.6，行星与卫星之间的距离r与行星的半径R行之比rR行=60。设卫星表面的重力加速度为g卫，则在卫星表面有GMmr2=mg卫,经过计算得出：卫星表面重力加速度为行星表面的重力加速度的1/3600。上述结果是否正确?若正确，列式证明；若错误，求出正确结果。,16、中子星是恒星演化过程的一种可能结果，它的密度很大。现有一中子星，观测到它的自转周期为T=(130)S。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。(引力常数G=6.671011m2kgs2)。,17、我国已启动月球探测计划“嫦娥工程”。图为设想中的“嫦娥一号”月球探测器飞行路线示意图。(1)在探测器飞离地球的过程中，地球对它的引力(填“增大”、“减小”、“不变”)。(2)已知月球与地球质量之比为M月：M地=1：18。当探测器飞至月地连线上某点P时，月球与地球对它的引力恰好抵消，此时P到月球球心与地球球心的距离之比为。(3)结合图中信息，通过推理，可以得出的结论是()探