人造卫星宇宙速教学

人造卫星宇宙速教学第1页/共59页19三月2023嫦娥奔月第2页/共59页19三月2023

敦煌飞天的美丽壁画第3页/共59页19三月20231957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星我国在1970年4月20日发射了第一颗人造地球卫星2003年10月15日，神州五号载人宇宙飞船发射升空第4页/共59页各种各样的卫星……第5页/共59页西昌卫星发射中心第6页/共59页酒泉卫星发射基地第7页/共59页太原卫星发射中心第8页/共59页第9页/共59页第10页/共59页v平抛洲际导弹人造卫星增大地面上的物体，怎样才能成为人造地球卫星呢？300多年前，牛顿提出设想人造卫星的发射原理第11页/共59页

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，地球对卫星的引力就是向心力。一、人造卫星：在地球上抛出的物体，当它的速度足够大时，物体就永远不会落到地面上，它将围绕地球旋转，成为一颗人造地球卫星。简称人造卫星。第12页/共59页2、人造卫星绕地球匀速圆周运动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力提供。

3、人造卫星的运行规律设地球质量为M，卫星质量为m，卫星的绕行速度v、角速度ω

、周期T、向心加速度a与轨道半径r的关系r(a、V、ω、T

)第13页/共59页卫星运动的线速度、角速度、向心加速度和周期：(3)由

得：ω＝

(4)由

得：Ｔ＝可见：卫星运动情况(a、V、ω

、T

)是由r

惟一决定(2)由

得：ｖ＝GMmr2=mv2rGMmr2=mω2rGMmr2=m()r２πT2GM4π2r3(1)由

得：a＝GMmr2=maGMr2记忆口诀：“高轨低速长周期”第14页/共59页1234v1>v2=v3>v4T1<T2=T3<T4ω1>ω2=ω3>ω4

人造地球卫星的运动规律第15页/共59页练习：对于绕地球运动的人造卫星：（1）离地面越高，线速度越——（2）离地面越高，周期越——（3）离地面越高，角速度越——（4）离地面越高，向心加速度越—（5）离地面越高，向心力越——小长小小小第16页/共59页

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，轨道半径之比r1:r2=1:4,则它们的(1)线速度大小之比v1:v2=(2)周期之比T1:T2=课堂训练第17页/共59页

A.B.C.D.高考链接：2012山东理综第15题B2011年11月3日，“神州八号”飞船与“天宫一号”目标飞行器成功实施了首次交会对接。任务完成后“天宫一号”经变轨升到更高的轨道，等待与“神州九号”交会对接。变轨前和变轨完成后“天宫一号”的运行轨道均可视为圆轨道，对应的轨道半径分别为R1、R2，线速度大小分别为V1、V2。则等于()第18页/共59页设地球质量为M地，半径为r。人造地球卫星在近地圆轨道上运行，质量为m卫，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如何推算？约去两边的那么，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？二、宇宙速度第19页/共59页对于靠近地面的卫星，可以认为此时的r近似等于地球半径R地，把r用地球半径R地代入，可以求出：这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线速度，叫做第一宇宙速度(环绕地球表面的速度，又称环绕速度)。近地面的卫星的速度第20页/共59页19三月2023

V1=7.9km/s地球11.2km/s>v>7.9km/s2、第二宇宙速度：

(脱离速度)V2=11.2km/sV3=16.7km/s3、第三宇宙速度：（逃逸速度）→人造行星→人造恒星人造卫星第21页/共59页概念辨析发射速度和运行速度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。r↗

v↘①宇宙速度均指发射速度②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第22页/共59页三、近地卫星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84分钟。其向心力由万有引力提供。第23页/共59页19三月2023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？?第24页/共59页四、地球同步卫星1、定义所谓地球同步卫星，是相对于地面静止的和地球具有相同周期的卫星，同步卫星必须位于赤道平面内，且到地面的高度一定。rvωTa“全部固定”第25页/共59页圆轨道在赤道平面，即在赤道的正上方；周期与地球自转周期相同，为24小时；绕行方向为自西向东。

大家能否计算出同步卫星的高度，线速度呢？第26页/共59页2、地球同步卫星的运行特征可概括为四个一定①定轨道平面,其运行轨道平面在赤道平面内；②定周期,即运行周期等于地球自转周期（24h）③定高度，即离地面高度一定（h=36000km）④定速度，即运行速度一定（v≈3.1km/s）第27页/共59页3、同步卫星的应用：主要用于通信3颗同步卫星可实现全球覆盖所以也叫通信卫星第28页/共59页

为了卫星之间不互相干扰，大约3°左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。第29页/共59页第30页/共59页第31页/共59页“高轨低速长周期”五、人造卫星的轨道极地轨道一般轨道赤道轨道所有卫星都在以地心为圆心的轨道上(原因？）平面立体赤道平面第32页/共59页人造卫星的轨道第33页/共59页19三月2023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，两卫星轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是()A．甲的周期大于乙的周期B．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D．甲在运行时能经过北极的正上方高考链接：2011山东理综第17题AC第34页/共59页19三月2023六、人造卫星的超重和失重1、发射和回收阶段发射加速上升超重回收减速下降超重2、沿圆轨道正常运行只受重力a=g完全失重与重力有关的现象全部消失天平弹簧秤测重力液体压强计第35页/共59页七、卫星变轨第36页/共59页VF引F引＜F向F引＞F向卫星变轨原理MmA点速度—内小外大（在A点看轨迹）在A点万有引力相同A第37页/共59页v1v2v3v4v2>v1v4>v3v1>v4v2>v1>v4>v3v2>v3点火加速：在椭圆轨道上运行:第一次变轨：第二次变轨：点火加速：在圆轨道上稳定运行：第38页/共59页·思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其在高轨道上运行，应采取什么措施？在低轨道上加速，使其沿椭圆轨道运行，当行至椭圆轨道的远点处时再次加速，即可使其沿高轨道运行。卫星变轨原理1、卫星在二轨道相切点万有引力相同速度—内小外大（切点看轨迹）2、卫星在椭圆轨道运行近地点---速度大，动能大远地点---速度小，动能小第39页/共59页第40页/共59页

1、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点，2、3相切于Q点。当卫星分别在1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是（）

A、在轨道3上的速率大于1上的速率

B、在轨道3上的角速度小于1上的角速度

C、在轨道2上经过Q点时的速率等于在轨道3上经过Q点时的速率

D、在轨道1上经过P点时的加速度等于在轨道2上经过P点时的加速度QP2·31BD第41页/共59页2、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h1的近地轨道Ⅰ上．在卫星经过A点时点火实施变轨，进入远地点为B的椭圆轨道Ⅱ上，最后在B点再次点火，将卫星送入同步轨道Ⅲ.已知地球表面重力加速度为g，地球自转周期为T，地球的半径为R．求：（1）近地轨道Ⅰ上的速度大小；（2）远地点B距地面的高度。第42页/共59页“嫦娥奔月”图第43页/共59页理性探究发射、变轨、运行第44页/共59页

2.2007年10月24日“嫦娥一号”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：12小时椭圆轨道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧，如图所示（）

A.“嫦娥一号”由⑤到⑥需加速、由⑦到⑧需减速

B.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度

C.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关

D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比

E.在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力①②③近地变轨轨道修正转移轨道④⑤⑥⑦⑧发射D第45页/共59页

3.2007年10月24日，“嫦娥一号”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：12小时椭圆轨道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧，如图所示。若月球半径为R，试写出月球表面重力加速度的表达式。①②③近地变轨轨道修正转移轨道④⑤⑥⑦⑧发射第46页/共59页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。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接呢？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。八、对接问题：宇宙飞船与空间站的对接第47页/共59页空间站飞船对接方法：飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对接，如图示。第48页/共59页例：在太空中有两飞行器a、b，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，a在前b在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想b尽快追上a并完成对接，b应采取的措施是（）A、沿运动方向喷气B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气C、沿运动反方向喷气D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气B第49页/共59页1、回顾航天史世界上第一个想利用火箭