高一物理_6.5人造卫星_宇宙速度

1、第第5节节 宇宙航行宇宙航行 浩瀚的宇宙浩瀚的宇宙0v 若抛出物体的水平初速度足够大若抛出物体的水平初速度足够大, ,物体物体将会怎样将会怎样? ?思考：以多大的速度将物体抛出，它才会思考：以多大的速度将物体抛出，它才会绕地球表面运动，不会落下来呢？绕地球表面运动，不会落下来呢？牛顿的思考与设想：抛出的速度v越大时，落地点越远，速度不断增大，将会出现什么结果？ 牛顿的设想过程地面上的物体，怎样才能地面上的物体，怎样才能成为人造地球卫星呢？成为人造地球卫星呢？ 人造地球卫星绕地球运行的动人造地球卫星绕地球运行的动力学原因：力学原因： 地球对人造卫星的万有引力提供了地球对人造卫星的万有引力提供了它

2、绕地球做匀速圆周运动所需的向心力它绕地球做匀速圆周运动所需的向心力112466.67 105.98 106.37 10/7.9/GMRvm skm s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？近地面的卫星的速度是多少呢？11226.67 10/GN mkg已知：66.37 10Rm245.98 10Mkg第一宇宙速度的另一表达式第一宇宙速度的另一表达式 根据地球表面物体的重力近拟于对物体的万有引力可得:RvmRMmGmg22skmsmgRv/9 . 7/104 . 68 . 96一、宇宙速度一、宇宙速度n 人们把人们把7.9km/s这

3、个速度称作第一宇这个速度称作第一宇宙速度宙速度 n 如果发射速度如小于第一宇宙速度如果发射速度如小于第一宇宙速度,卫星将卫星将落到地面落到地面;n 如果发射速度等于第一宇宙速度，卫如果发射速度等于第一宇宙速度，卫星刚好能贴着地球表面作匀速圆周运动。星刚好能贴着地球表面作匀速圆周运动。 概念辨析发射速度和运行(环绕）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。1GMvrr v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小速度，也是环绕地球运行的最大速度对第一宇宙速度的理解对第一宇宙速度的理解:gRvRGM11.

4、上式上式对其它天体也适用对其它天体也适用，R为天体半径为天体半径, M为天为天 体质量体质量, g为天体表面的重力加度为天体表面的重力加度,G为引力常量为引力常量.2.v1为为发射发射卫星卫星的的最小发射速度最小发射速度,又是卫星进入轨又是卫星进入轨道后道后最大的运行速度最大的运行速度 问题问题: : 若卫星的发射速度大于若卫星的发射速度大于7.9km/s ，会怎样呢？，会怎样呢？第二宇宙速度第二宇宙速度: :物体克服地球引力物体克服地球引力, ,永远脱离地球的速度永远脱离地球的速度. . （脱离速度）（脱离速度）第三宇宙速度第三宇宙速度: :物体挣脱太阳引力物体挣脱太阳引力, ,飞出太阳系的

5、速度飞出太阳系的速度. . ( (逃逸速度逃逸速度) )11.2 km/s V 7.9 km/sV = 16.7 km/sV = 11.2 km/sV = 7.9km/s绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭圆，发射速度越大，椭圆轨道越圆，发射速度越大，椭圆轨道越“扁扁”。 第一宇宙速度第一宇宙速度: :物体在地表附近绕地球做匀速圆周运动的速度物体在地表附近绕地球做匀速圆周运动的速度. （环绕速度）（环绕速度）二、宇宙速度 请同学判断地球卫星可能请同学判断地球卫星可能的轨道的轨道F1F2F3赤道平面赤道平面北北南南东东西西所有卫星的轨道必须过地心所有卫星的轨道必须

6、过地心倾斜倾斜轨道轨道极地极地轨道轨道赤道赤道轨道轨道FF1F2不存不存在在“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圆（或椭圆）轨道上心的圆（或椭圆）轨道上平面平面立体立体赤道平面赤道平面 设地球质量为设地球质量为M，半径为，半径为R。人造地球卫。人造地球卫星在圆轨道上运行，质量为星在圆轨道上运行，质量为m，轨道半径为，轨道半径为r。那么，在该轨道上做匀速圆周运动的卫。那么，在该轨道上做匀速圆周运动的卫星的星的速度速度v如何推算如何推算？ 22MmvGmrrGMvr卫星离地心越远，它运行的速度越慢。1rv

7、rmrMmG22rGMrTmrMmG22)2(marMmG2GMrT322rMGa 根据万有引力提供向心力可得：根据万有引力提供向心力可得：rmrMmG223rGMr越大越大，卫星运，卫星运行行速度速度v越小越小r越大越大，卫星角，卫星角速度速度 越小越小r越大越大，卫星周，卫星周期期T越大越大r越大越大，卫星加，卫星加速度速度a越小越小 二、人造卫星的运动规律二、人造卫星的运动规律同步卫星图片 所谓地球同步卫星是指与地球自所谓地球同步卫星是指与地球自转同步转同步,相对于地面静止的人造卫星相对于地面静止的人造卫星. 同步卫星必定点于同步卫星必定点于赤道正上方，且离地赤道正上方，且离地高度高度h

8、，运行速率，运行速率，是，是惟一确定惟一确定的。的。)()2()(22hRTmhRMmG2gRGM 由以上两式联立解得：由以上两式联立解得：mgTRhR7322262221024.414.348 .9)360024()104 .6(43同步卫星距地面的高度为：同步卫星距地面的高度为： h=4.24107-6.4106m=3.56107m5.6R地地(黄金代换式黄金代换式)Why？hRmhRMmG22)(由上式解得：由上式解得：skm /07.3此外此外,同步卫星的运动方向与地球的自转方向相同。同步卫星的运动方向与地球的自转方向相同。轨道半径：轨道半径： r6.6R地地=4.24107m运行速度

9、：运行速度：=3.07km/s运行周期：运行周期：T=24h向心加速度：向心加速度：a=0.224m/s2 小结小结 ：地球同步卫星有关数据如下：地球同步卫星有关数据如下角速度 ,周期(T=24h)与地球相同,是一个恒量.轨道一定,在赤道平面上.距地面高度一定(h=3.6107m)即轨道平面一定即轨道平面一定, ,高度一定高度一定, ,运动快慢一定运动快慢一定地球同步卫星特点: 嫦娥一号变轨嫦娥一号变轨四、宇宙探测的新时代：四、宇宙探测的新时代： 第一颗人造地球卫星第一颗人造地球卫星 19571957年年1010月原苏联的第一颗人造地球卫星，重月原苏联的第一颗人造地球卫星，重量为量为83.68

10、3.6公斤。卫星发射升空后共飞行了公斤。卫星发射升空后共飞行了9292天，绕天，绕地球飞行了地球飞行了14401440圈。圈。“斯普特尼克斯普特尼克”1 1号号 1970年第一个观测年第一个观测X射线的小型天文卫星射线的小型天文卫星美国的美国的“自由号自由号”进入巡天轨道进入巡天轨道 法国监视雷达发现数十颗身法国监视雷达发现数十颗身份不明人造卫星份不明人造卫星 空间飞行器的进步，使人类在太空的活动更加自如。1971年，苏联发射第一个空间站。 1981年，美国第一次发射可以再次使用的航天飞机。 天空实验室天空实验室 和平号空间站和平号空间站各种各样的卫星各种各样的卫星“火星火星”号探测器号探测器

11、 19621962年年1111月月1 1日，前苏联发射第一个火星探测器日，前苏联发射第一个火星探测器火星火星1 1号。这个探测器本体重号。这个探测器本体重863.5863.5千克，直径千克，直径1.11.1米，高米，高2.32.3米，装有两块太阳能电池板和折米，装有两块太阳能电池板和折叠式抛物面天线。它在飞往火星叠式抛物面天线。它在飞往火星4 4个月后，在个月后，在距地球距地球1 1亿多千米的地方通信中断，考察失败。亿多千米的地方通信中断，考察失败。美国美国19621974年间发射的探测金星的年间发射的探测金星的“水手水手”号系号系列列1号号2号号5号号10号号土星探测器“卡西尼号”太空飞船于

12、2004年7月进入土星轨道美国“卡西尼”号飞船拍摄的土卫六表面照片，据推测，早期地球上也许存在大量类似甲烷的碳氢化合物。 1961年，苏联发射第一颗载人飞船，将宇航员加加林送入地球轨道，从而开辟了人类航天的新纪元。“阿波罗阿波罗”登月计登月计划划“东方红东方红”1 1号号19701970年年4 4月月2424日日2121时时3535分在甘肃酒泉东分在甘肃酒泉东风靶场一举成功风靶场一举成功“长征”号系列火箭 我国第一艘载人航天实验飞船“神舟”号 甘肃酒泉卫星发射中心我国三大卫我国三大卫星发射中心星发射中心之一：之一：四川西昌卫星发射中心我国三大卫我国三大卫星发射中心星发射中心之一：之一：山西太原

13、卫星发射中心我国三大卫我国三大卫星发射中心星发射中心之一：之一：2003年10月15日18：40分50秒，中国航天员杨利伟乘坐“神舟五号”飞船在太空中展示中国国旗和联合国旗2005年10月14日下午，神舟六号飞入祖国上空，费俊龙使用摄像机拍摄祖国大好河山。图为太空中拍摄的祖国大地对地球：对地球：v1=7.9km/s 7.9km/sv11.2km/s 时卫星轨时卫星轨 道不是圆道不是圆形而是椭圆。形而是椭圆。小结小结gRvRGM1a.第一宇宙速度第一宇宙速度(环绕速度环绕速度) ：一、人造卫星二、宇宙速度c.第三宇宙速度第三宇宙速度(逃逸速度逃逸速度):v3 =16.7km/sb.第二宇宙速度第二宇宙速度( (脱离速度脱离速度) ): v 2=11.2km/s三、同步卫星轨道平面一定轨道平面一定 -赤道平面上赤道平面上高度一定高度一定 -h=3.58x107m运动快慢一定运动快慢一定 -T=24h,v=3.1km/s月球月球月月球球轨轨道道地球地球地月转移轨道地月转移轨道点火加速点火加速减速制动减速制动月球探测卫星发射 例例11 我国发射的探月卫星我国发射的探月卫星“嫦娥一号嫦娥一号”的轨道半径是圆形的，的轨道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的1/801/80，月球的半，月球的半径约为地球半径的径约为地球半径的1/