人造卫星和宇宙速度.ppt

东方红一号东方红一号”侦察卫星侦察卫星 “风云一号风云一号”气象卫星气象卫星 科学探测卫星科学探测卫星 人造卫星和宇宙速度人造卫星和宇宙速度牛顿人造地球卫星的设想图牛顿人造地球卫星的设想图v平抛平抛洲际洲际导弹导弹人造人造卫星卫星增大增大发射一颗发射一颗卫星最小卫星最小的速度是的速度是多少？多少？万有引力提万有引力提供向心力供向心力一、应用：发射卫星一、应用：发射卫星一、应用：发射卫星一、应用：发射卫星1.定义：人造地球卫星定义：人造地球卫星(近地近地卫星卫星)在地面附近在地面附近（因为（因为h«R）绕地球）绕地球做做匀速圆周运动的速度匀速圆周运动的速度2. 2.推导：推导：推导：推导：地球质量地球质量地球质量地球质量地球半径地球半径地球半径地球半径地球半径地球半径地球半径地球半径地面处重力加速度地面处重力加速度地面处重力加速度地面处重力加速度第一宇宙速度Rrh轨道半径轨道半径1 1、第一宇宙速度（环绕速度）　、第一宇宙速度（环绕速度）　v1=7.9km/sv>7.9km/s这就是人造地球卫星在地面附近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绕地球做匀速圆周运动所必须具有的有的最小发射速度最小发射速度，，也是也是最大的最大的环绕速度环绕速度，做，做第一宇宙速度第一宇宙速度。

卫星在不同轨道的环绕速度卫星在不同轨道的环绕速度r r越大，越大，v v越小越小最大的环绕速度，最大的环绕速度，也叫第一宇宙速度也叫第一宇宙速度R结论：第一宇宙速度只由结论：第一宇宙速度只由中心天体的中心天体的质量质量和和半径决定半径决定，，与卫星无关与卫星无关若有一天人类登上了火星，那么在若有一天人类登上了火星，那么在火星表面发射人造卫星的最小发射火星表面发射人造卫星的最小发射速度又是多少呢？速度又是多少呢？ 思考思考1：：发射一颗地球卫星绕地球转发射一颗地球卫星绕地球转一圈用时最短是多少？一圈用时最短是多少？思考思考2：：v v = =T T2π2πR RT T近近 = =V V2π2πR RT Tminmin≈85≈85分钟分钟, T卫卫>85分钟分钟 1、、设地球的质量不变设地球的质量不变,而地球半径增而地球半径增加为原来的加为原来的2倍倍,那么从地球发射的那么从地球发射的第一宇宙速度的大小应为原来的第一宇宙速度的大小应为原来的 ( ) A. 倍倍 B. 倍倍 C. 倍倍 D. 2倍倍B地球质量地球质量地球质量地球质量地球半径地球半径地球半径地球半径由由 要使卫星在离地面更远的轨道上要使卫星在离地面更远的轨道上运行，则需要更（运行，则需要更（ ）的发射速度，）的发射速度，来到新轨道上的运行速度变来到新轨道上的运行速度变（ ）。

大大小小1 1、、第一宇宙速度第一宇宙速度：：v=7.9km/s (地面附近、匀速圆周运动）地面附近、匀速圆周运动） 11.2km/s>v>7.9km/s V1=7.9km/s地球V2=11.2km/s2 2、第二宇宙速度、第二宇宙速度：：当物体的当物体的速度大于或等于速度大于或等于11.2km/s时，时，卫星就会脱离地球的吸引，卫星就会脱离地球的吸引，不在绕地球运行我们把这不在绕地球运行我们把这个速度叫第二宇宙速度达个速度叫第二宇宙速度达到第二宇宙速度的物体还受到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力，成为绕太阳到太阳的引力，成为绕太阳运动的人造行星运动的人造行星V3=16.7km/s3 3、第三宇宙速度、第三宇宙速度：：如果物体的速度等于或大于如果物体的速度等于或大于16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去这个速度叫第三宇宙速度系以外的宇宙空间去这个速度叫第三宇宙速度V1=7.9km/s地球V2=11.2km/sV3=16.7km/s11.2km/s>v>7.9km/sMM发射速度发射速度发射速度发射速度环绕速度环绕速度环绕速度环绕速度注意区分发射速度和环绕速度注意区分发射速度和环绕速度2、关于宇宙速度，下列说法正确的（关于宇宙速度，下列说法正确的（ ））A.第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的最小发射速度的最小发射速度B.第一宇宙速度使人造地球卫星绕地球飞第一宇宙速度使人造地球卫星绕地球飞行的最小速度行的最小速度C.第二宇宙速度使卫星在椭圆轨道上运行第二宇宙速度使卫星在椭圆轨道上运行时的最大速度时的最大速度D.第三宇宙速度是发射人造地球卫星的最第三宇宙速度是发射人造地球卫星的最小速度小速度A二、卫星的运行二、卫星的运行二、卫星的运行二、卫星的运行( (圆周轨道圆周轨道圆周轨道圆周轨道) ) 万有引力万有引力 = = 向心力向心力重力近似重力近似 = =万有引力万有引力基本方程基本方程辅助方程辅助方程A AB BC Cv v1 1=7.9km/s=7.9km/sV VA A V VB B V VC Ca aA A a aB B a aC CT TA A T TB B T TC C轨道半径增大时加速度、线速度、角轨道半径增大时加速度、线速度、角速度均减小速度均减小 ，周期变长，周期变长水星水星--金星金星--地球地球--火星火星---木星木星---土星土星---天王星天王星----海王星海王星人造卫星以地心为圆心做人造卫星以地心为圆心做匀速圆周运动匀速圆周运动，，下列说法正确的是（下列说法正确的是（ ））A.半径越大，速率越大，周期越小半径越大，速率越大，周期越小B.半径越大，速率越小，周期越大半径越大，速率越小，周期越大C.所有卫星的角速度相同，与半径无关所有卫星的角速度相同，与半径无关D.所有卫星的速率均相同，与半径无关所有卫星的速率均相同，与半径无关3、、B4 4、火星有两颗卫星、火星有两颗卫星分别是火卫一和分别是火卫一和火卫二火卫二它们的它们的轨道近似为圆轨道近似为圆. .已知火已知火卫一的周期为卫一的周期为7 7小时小时3939分分. .火卫二的周期火卫二的周期为为3030小时小时1818分分则两颗卫星相比则两颗卫星相比 （（ ））A.A.火卫一距火星表面较近火卫一距火星表面较近 B.B.火卫二的角速度较大火卫二的角速度较大 C.C.火卫一的运动速度较大火卫一的运动速度较大 D.D.火卫二的向心加速度较大火卫二的向心加速度较大A C5 5、、( (双选，双选，2011 2011 年汕头质检年汕头质检) )如图如图 3 3－－2 2－－3 3 所示，所示，T T 代表代表““天宫一号天宫一号””飞行器，飞行器，S S 代表代表““神舟八号神舟八号””飞船，它们都绕地球做匀飞船，它们都绕地球做匀速圆周运动，其轨道如图中所示，则速圆周运动，其轨道如图中所示，则( ( ））A图 3－2－3A.T 的周期大于的周期大于 S 的周期的周期B.T 的线速度大于的线速度大于 S 的线速的线速度度C.T 的向心加速度大于的向心加速度大于 S 的的向心加速度向心加速度三、两种最常见的卫星三、两种最常见的卫星（一）近地卫星（一）近地卫星• 轨道半径近似地可认为等于地球半径，轨道半径近似地可认为等于地球半径，速率速率v=7.9km/s，周期，周期T=85min。

在在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星中是星中是线速度最大，周期最短线速度最大，周期最短•神舟六号飞船的运行轨道离地面的高神舟六号飞船的运行轨道离地面的高度为度为345 km，线速度约，线速度约7.6km/s，周，周期约期约90min 地球同步卫星，是相对于地面静止，即地球同步卫星，是相对于地面静止，即与与地球自转具有相同周期地球自转具有相同周期的卫星，又叫通讯卫星的卫星，又叫通讯卫星思考：思考：地球同步卫星的运行轨道平面有何特点？（二）、地球同步卫星（二）、地球同步卫星F向向= F引引F向向F引F引引①①定平面定平面③③定周期定周期②②定位置定位置（二）、地球同步卫星（二）、地球同步卫星④④定轨道定轨道代入数据解得：代入数据解得：V=V=3.08km/s⑤⑤定速度定速度试中试中M M、、R R分别为地球的分别为地球的质量和半径，质量和半径，h h为卫星为卫星离地面的高度离地面的高度（二）、地球同步卫星（二）、地球同步卫星①①定平面定平面：轨道平面一定在：轨道平面一定在赤道平面赤道平面内内②②定位置定位置：在：在赤道正上方赤道正上方相对地面静止相对地面静止③③定周期定周期：运动周期：运动周期等于地球自转的周期等于地球自转的周期 T＝＝24h=86400s④④定轨道定轨道：轨道：轨道离地高度离地高度h=36000km⑤⑤定速度定速度：线速度大小：线速度大小v=3.08km/s人造卫星的轨道人造卫星的轨道人造卫星的轨道人造卫星的轨道注意：注意：注意：注意：卫星的轨道平面必须通过地心卫星的轨道平面必须通过地心卫星的轨道平面必须通过地心卫星的轨道平面必须通过地心极地卫星极地卫星极地卫星极地卫星一般轨道卫星一般轨道卫星一般轨道卫星一般轨道卫星通讯卫星（同步卫星）通讯卫星（同步卫星）通讯卫星（同步卫星）通讯卫星（同步卫星）赤道赤道赤道赤道卫星卫星卫星卫星三颗同步卫星三颗同步卫星反射信号可以覆盖全球反射信号可以覆盖全球 大约大约3 3度角左右才能放置一颗卫星，地球的度角左右才能放置一颗卫星，地球的同步通讯卫星只能有同步通讯卫星只能有120120颗。

可见空间位置也是颗可见空间位置也是一种资源一种资源h≈0R=6.4x106mT=24hh=3.6×107mr=4.2×107mv=3km/sT=24hh≈0r=6.4×106mv=7.9km/sT=85分钟分钟同同步步卫卫星星近近地地卫卫星星（三）近地卫星、同步卫星、地球赤道上物体三者比较（三）近地卫星、同步卫星、地球赤道上物体三者比较赤道上的物体赤道上的物体 6 6．．通信卫星又叫同步卫星，下面关于同通信卫星又叫同步卫星，下面关于同步卫星的说法中正确的是步卫星的说法中正确的是 [ [ ] ] A A、所有的地球同步卫星都位于地球的赤、所有的地球同步卫星都位于地球的赤道平面内道平面内 B B、所有的地球同步卫星的质量都相等、所有的地球同步卫星的质量都相等 C C、所有的地球同步卫星绕地球作匀速圆、所有的地球同步卫星绕地球作匀速圆周运动的角速度都相等周运动的角速度都相等 D D、所有的地球同步卫星离地心的距离都、所有的地球同步卫星离地心的距离都相等相等 ACDACD6 6关于地球同步卫星，下列说法正确的是（关于地球同步卫星，下列说法正确的是（ ））A.A.它的运行速度小于它的运行速度小于7.9km/s7.9km/sB.B.它的运行速度大于它的运行速度大于7.9km/s 7.9km/s C.C.它的周期是它的周期是24h24h，且轨道平面于赤道平面，且轨道平面于赤道平面重重D.D.每一个地球同步卫星离开地面的高度是每一个地球同步卫星离开地面的高度是一样的一样的ACD7、若、若A是赤道上随地球自转的物体、是赤道上随地球自转的物体、B是赤是赤道上空的近地卫星、道上空的近地卫星、C是地球同步卫星，它们是地球同步卫星，它们的运动都可视为匀速圆周运动，以下是对的运动都可视为匀速圆周运动，以下是对A、、B、、C三个物体的运动中的物理量的大小关系三个物体的运动中的物理量的大小关系的判断，其中正确的是的判断，其中正确的是( )A．三者周期的大小关系为．三者周期的大小关系为TA>TB>TCB．三者向心加速度的大小关系为．三者向心加速度的大小关系为aA>aB>aCC．三者角速度的大小关系为．三者角速度的大小关系为ωA<ωC<ωBD．三者线速度的大小关系为．三者线速度的大小关系为vA

发射发射同步卫星同步卫星v1v2v3v2>v1v4>v3v1>v4v2>v1>v4>v3v2>v3 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(P点点)：：第二次变轨（第二次变轨（Q点）：点）： 点火加速：点火加速：在在圆轨道圆轨道上稳定运行：上稳定运行：PQv4（（1））v1、、v2、、v3、、v4大小关系？大小关系？1、速率、速率v大小关系大小关系2、加速度大小关系呢？、加速度大小关系呢？v1v2v3PQv4（（1）分别以）分别以圆轨道、圆轨道、椭圆轨道椭圆轨道运行运行经过经过P点时点时加速度大小关系加速度大小关系（以（以v1、、v2经过经过P点点时的加速度大小关系）时的加速度大小关系）经过经过P点时，万有引力全部提供向心力，所以以点时，万有引力全部提供向心力，所以以圆轨道、椭圆轨道圆轨道、椭圆轨道运行运行经过经过P点时点时加速度加速度一样一样3、低轨与高轨的互变：、低轨与高轨的互变：PQP点点近地点近地点加速加速椭圆椭圆减速减速Q点点远地点远地点圆圆减速减速加速加速圆圆低轨变高轨：低轨变高轨： 向后喷向后喷 气、加速，最终气、加速，最终v低低>v高高高轨变低轨：高轨变低轨：向前喷气、减速，最终向前喷气、减速，最终v低低>v高高P12Qv地球地球3、低轨与高轨的互变：、低轨与高轨的互变：1 1、发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地、发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道圆轨道1 1，然后点火，使其沿椭圆轨道，然后点火，使其沿椭圆轨道2 2运行，最运行，最后再次点火，将卫星送入同步轨道后再次点火，将卫星送入同步轨道3 3。

轨道轨道1 1、、2 2相切相切Q Q点，轨道点，轨道2 2、、3 3相切相切P P点，则当卫星分别在点，则当卫星分别在1 1、、2 2、、3 3轨道上正常运行时，以下说法正确的是：轨道上正常运行时，以下说法正确的是：A A．在轨道．在轨道3 3上的速率大于在轨道上的速率大于在轨道1 1上的速率上的速率B B．在轨道．在轨道3 3上的角速度小于在轨道上的角速度小于在轨道1 1上的角速度上的角速度C C．在轨道．在轨道1 1上经过上经过Q Q点时的加速度大于它在轨道点时的加速度大于它在轨道2 2上经过上经过Q Q点时的加速度点时的加速度D D．分别在轨道．分别在轨道2 2、、3 3上运行上运行经过经过P P点时的加速度相等点时的加速度相等BD123pQ2、、如图所示，如图所示，a、、b、、c是在地球大气层外圆形是在地球大气层外圆形轨道上运行的轨道上运行的3颗人造卫星，下列说法正确的是：颗人造卫星，下列说法正确的是：A．．b、、c的线速度大小相等，且大于的线速度大小相等，且大于a的线速度的线速度B．．b、、c的向心加速度大小相等，且大于的向心加速度大小相等，且大于a的向心的向心加速度加速度C．．c加速可追上同一轨道上的加速可追上同一轨道上的b，，b减速可等到同减速可等到同一轨道上的一轨道上的c D．．a卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，其卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将变大线速度将变大地球地球acbD3、宇宙飞船和空间站在同一轨道上运动，若飞船、宇宙飞船和空间站在同一轨道上运动，若飞船想与前面的空间站对接，飞船为了追上轨道空间想与前面的空间站对接，飞船为了追上轨道空间站，可采取的方法是：站，可采取的方法是：•A. 飞船加速直到追上空间站，飞船加速直到追上空间站，完成对接完成对接•B. 飞船从原轨道减速至一个较低轨道，飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站完成对接再加速追上空间站完成对接•C. 飞船加速至一个较高轨道再减速追上飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接空间站完成对接•D. 无论飞船采取何种措施，均不能与空无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接间站对接B甲甲乙乙V1 v2 ω1 ω2T1 T2 a1 a2F1 F2不确定不确定 4、甲乙两颗卫星在不同轨道上绕地球作圆、甲乙两颗卫星在不同轨道上绕地球作圆周运动轨道半径分别是周运动轨道半径分别是R1、、R2，且，且R1＞＞R2，确定两颗卫星的运转速度，确定两颗卫星的运转速度v1、、v2，，角速度角速度ω1、、ω2，，周期周期T1、、T2，，向心加速度向心加速度a1、、a2，，向心力向心力F1、、F2的大小关系。

的大小关系＜＜＜＜＞＞＜＜二、人造卫星的超重和失重二、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5、宇航员在围绕地球做匀速圆周运动的、宇航员在围绕地球做匀速圆周运动的航天飞机中，处于完全失重状态，则航天飞机中，处于完全失重状态，则下列说法中正确的是（下列说法中正确的是（ ））A．宇航员不受重力作用．宇航员不受重力作用B．宇航员受到平衡力的作用．宇航员受到平衡力的作用C．宇航员只受重力的作用．宇航员只受重力的作用D．宇航员所受的重力产生向心加速度．宇航员所受的重力产生向心加速度CD万有引力定律的应用万有引力定律的应用(2)“天上天上”：： 万有引力提供向心力（（1））“人间人间”：：万有引力近似等于重力。