人造卫星 宇宙速度5

1、 人造卫星 宇宙速度 主讲 刘艳华湖南隆回九中湖南隆回九中 智能目标智能目标l1.知道并理解人造卫星绕地球的运动可视为匀速圆周运动。l2.知道并理解人造卫星的第一宇宙速度，了解第二宇宙速度和第三宇宙速度。l3.能熟练运用万有引力定律和牛顿第二定律处理同步卫星问题。 引言引言l 1957年10月4日,苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星,从此开创了人类航天时代的新纪元.l 我国在1970年4月20日发射了第一颗人造地球卫星,现在已经世界上第五个依靠自己力量研制成功火箭发射卫星,第三个掌握卫星回收技术,第四个用一枚火箭发射多颗卫星的国家.l 卫星主要有侦察卫星,通信卫星,导航卫星,气象卫星,地球资源

2、勘测卫星,科学研究卫星,预警卫星和测地卫星等种类.l 科学技术的进一步发展，还可以建立空间站和宇宙飞船、航天飞机和外星探测器等等。 一一.人造卫星地发射原理人造卫星地发射原理l 请同学们思考下列问题：l (1)在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗不计空气阻力，它们的落地点相同吗?l (2)假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又怎样呢形又怎样呢? l 3）什么叫人造卫星？）什么叫人造卫星？1：l它们的落地不同，速度越大，落地点离山脚越远。因为在同一座山上抛出，它们在空中运动的

3、时间相同，速度大的水平位移大，所以落地点也较远。2：l牛顿牛顿曾经设想过：从高山上用不同的水平初速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也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，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运行的人造地球卫星，简称人造卫星。答l如果在地面上抛出一个物体时的速度足够如果在地面上抛出一个物体时的速度足够大大,那么它将不再落回地面那么它将不再落回地面,而成为一个绕地而成为一个绕地球运转的卫星球运转的卫星,这个物体这时就可以被认为这个物体这时就可以被认为是一颗是一颗 人造地球卫星.演示牛顿曾经依据平抛现象设想了卫星的发射原理,但他没有看到他的

4、设想得以实现.今天我们的科学家们把牛顿的设想变成了现实.l 动画演示（牛顿的设想）：l 发射原理发射原理.SWFl 神舟六号发射神舟六号发射思考：思考：l当平抛物体的初速度足够大时就可以成为卫星,那么,大到什么程度就叫足够大了呢？l人造卫星的运动速率跟它的轨道半径之间有什么关系呢？.宇宙速度宇宙速度l请同学们思考下列三个问题：l卫星环绕地球运转的动力学方程是什么？卫星环绕地球运转的动力学方程是什么？l卫星环绕地球运行的速度怎样推导？卫星环绕地球运行的速度怎样推导？l卫星环绕地球运行的速度跟哪些因素有关卫星环绕地球运行的速度跟哪些因素有关?动力学方程:l F引=Fn.l 即:222224MmvG

5、mmrmrrrTF引anvMmr推导推导l 由l 得22M mvGmrrG Mvr(绕行速度绕行速度)MmvrF引讨论讨论l （1）由l GM一定一定 ，r越大，越大，v越小。越小。l (2)由l 得l 即:r越大,w则越小l (3)由l 得l 即:r越大,则越大G Mvr22M mGm rr2224M mGm rrT3GMr32rTGMvvv动画演示l线速度、角速度、周期跟高度的关系请思考请思考l距地面越高的卫星运转速率越小，那么，是向高轨道发射困难，还是向低轨道发射卫星困难呢？l向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难，因为向高轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力要做更多的功；因此，在地

6、面需要较大的发射速度将他发射上去。深入探究：l人造卫星绕地球运转的最小半径是多少？l（卫星运转的最小半径近似等于地球的的半径，即在地球表面附近绕地运转。此时,卫星的速度称为第一宇宙速度.）l在地球上空,最大的绕行速度是_.l(第一宇宙速度.)l你能够推导出第一宇宙速度吗?l(由动力学方程：F引=Fn且r=R 得：22/M mvGmRRvG MR-第一宇宙速度第一宇宙速度由于万有引力近似等于物体的重力，所以动力学方程也可为：l另一种推导：2nm gFvm gmRvg R-第一宇宙速度第一宇宙速度讨论讨论l 第一宇宙速度是卫星绕地球的最大速度，为什么？l （卫星进入轨道正常运转的最大绕行速度，即所

7、有卫星的绕行速度都小于此速度。）l 为什么说第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度？l 发射卫星进入最低轨道必须具有的最小速度。基础知识应用l (1)要使人造卫星绕地球运行，它进入地面附近轨道速度是v1 = km/s，要使卫星脱离地球引力不再绕地球运行，必须使它的轨道速度等于或大于v2=_km/s,要使它飞行到太阳系以外的地方，它的速度必须等于或大于v3=_km/sl (7.9km/s;l 11.2km/s; l 16.7km/s)l (2)关于第一宇宙速度，下面说法正确的是：l 它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度l 它是近地圆形轨道上人造卫星的运行速度l 它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射

8、速度l 它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度l （答：B C）（1）1124166.67106 107.9/6.4 10GMvkm sR269.86.4107.9/vmgmRvgRkms22M mvGmrr问题问题l 什么叫第一宇宙速度,第二宇宙速度,第三宇宙速度?l 人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动时所必须具有的速度，叫l 第一宇宙速度（环绕速度）。l 当物体的速度等于或大于11.2KM/S时，就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。这个速度就叫 l 第二宇宙速度（脱离速度）。l 要想使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去，必须使它的速度等于或大于16.7KM/S，这个速

9、度叫做l 第三宇宙速度（逃逸速度）。三.同步卫星l 1.什么叫地球同步卫星？l 地球同步卫星又叫地球静止卫星，它的特点是相对地面静止不动，绕地球转动的周期与地球自转周期相同：l T=24h l 2.同步卫星的离地面高度、线速度l 由于同步卫星的周期是确定的，所以它离地面的高度约为36000km、线速度约为3.1km/s,都是确定的。l 3.同步卫星的轨道：2242()()TMmGm RhRh27323.6104G M ThRmRhF引引根据牛顿第二定律和万有引力定律赤道平面2004.2.28湖南隆回九中 刘艳华同步卫星的轨道 由于地球对同步卫星的引力提供同步卫星做匀速圆周运动的向心力，所以，同

10、步卫星具有一般卫星的特点：圆轨道的圆心在地心。 同步卫星的轨道平面与地轴垂直，与赤道共面。 同步卫星的周期与地球自转周期相等，所以，离地面的高度必定是一定的。2004.2.28湖南隆回九中 刘艳华例题1l万有引力做向心力2004.2.28湖南隆回九中 刘艳华例题2：l卫星的信号传送本课小结人造卫星人造卫星宇宙速度宇宙速度线速度、角速度、加速度、周期与高度的关系三个宇宙速度同步卫星由动力学方程：1.线速度： r越大，v越小。 2.角速度： r越大，角速度越小 3.加速度： r越大，加速度越小 4.周期： r越小，周期越大。 3G Mr222224MmvGmmrmrrrTG Mvr32rTG M2

11、GMar三个宇宙速度l 第一宇宙速度第一宇宙速度：当当r=R时时,v 最最大大:v1=7.9km/s;其为最大的绕其为最大的绕行速度，亦为最小的发射速度行速度，亦为最小的发射速度l 第二宇宙速度第二宇宙速度:l v2=11.2km/sl 第三宇宙速度第三宇宙速度:l v3=16.7km/s1124666.67 105.89 107.9/6.37 109.8 6.4 107.9/GMvkm srvgRkm s同步卫星的特点l 周期：l 离地面高度:l 轨道平面:l 圆心:l 轨道的圆心与地心重合l与地球自转周期相同。T=24hlh=36000km与赤道平面重合练习：l 1.某行星的卫星在靠近行星

12、的轨道上飞行，若要计算行星的密度，需要测出的物理量是l A.行星的半径 B.卫星的半径l C.行星运行的线速度 D.卫星运行的周期l 答：（ D ）l 2.关于人造地球卫星与宇宙飞船的下列说法中，正确的是l A.如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力常量，就可以算出地球质量l B.两颗人造地球卫星，只要他们的绕行速率相等，不管他们的质量和形状差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期一定是相同的l C.原来在同一轨道上沿着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，只要后者速率增大一些即可l 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，飞船因质量减少，所受万有引力减小，故飞行速度减小l 答：（ AB ）提高l 3.一颗人造卫星离地面高h=3R（R为地球半径），若已知地球表面的重力加速度为g，则卫星作匀速圆周运动的速度是，角速度是，周期是。若已知地球质量为M。万有引力常量为G，则卫星作匀速圆周运动的速度是，角速度是，周期是。l (答)l 答4.地球同步卫星到地心的距离r可由 求出。可知式中的a单位是m，b的单位是s，c的单位是m/s2，则（）l A.a是地球半径，b是地球自转周期，c是地球表面处的重力加速度l B.a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动