《高中物理 第三章 万有引力定律 4 人造卫星 宇宙速度课件 教科版必修2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 第三章 万有引力定律 4 人造卫星 宇宙速度课件 教科版必修2（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、卫星卫星-绕行星运动的物体绕行星运动的物体第第第第4 4节节节节 人造卫星人造卫星人造卫星人造卫星 宇宙速度宇宙速度宇宙速度宇宙速度问题：卫星是如何从地球上抛出去的？问题：卫星是如何从地球上抛出去的？问题：卫星是如何从地球上抛出去的？问题：卫星是如何从地球上抛出去的？模拟：模拟：在地球附近、水平发射飞行器在地球附近、水平发射飞行器发射速度发射速度v运动情况运动情况v7.9km/s7.9km/sv=7.9km/s=7.9km/s7.9km/s 7.9km/s v 11.2km/s11.2km/s11.2km/s11.2km/sv 16.7km/s 16.7km/s16.7km/s16.7km/s
2、 v第二宇宙速度第二宇宙速度( (脱离）脱离）第一宇宙速度第一宇宙速度( (环绕环绕) )第三宇宙速度（逃逸）第三宇宙速度（逃逸）物体落回地面物体落回地面物体在地面附近绕地物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动球做匀速圆周运动物体绕地球运转，运物体绕地球运转，运动轨迹是椭圆。动轨迹是椭圆。物体绕太阳运动物体绕太阳运动物体飞出太阳系物体飞出太阳系一、宇宙速度一、宇宙速度1、第一宇宙速度、第一宇宙速度v1=7.9Km/s（环绕）（环绕）2、第二宇宙速度、第二宇宙速度v2=11.2Km/s（脱离）（脱离）3、第三宇宙速度、第三宇宙速度v3=16.7Km/s（逃逸）（逃逸）4、求第一宇宙速度的思路、求第一
3、宇宙速度的思路例例:地球半径为地球半径为R，质量为，质量为M，地面附近的重力加速度，地面附近的重力加速度为为g，万有引力常量为，万有引力常量为G，则靠近地面运转的人造地球，则靠近地面运转的人造地球卫星环绕速度卫星环绕速度?建立模型建立模型：卫星卫星绕地球做匀速圆周运动绕地球做匀速圆周运动基本思路基本思路2 2：重力提供向心力重力提供向心力基本思路基本思路1:1:万有引力提供向心力万有引力提供向心力近地卫星近地卫星在在100-200km的的高度飞行，高度飞行，与地球半与地球半径径6400km相比完全相比完全可以说是可以说是在地面附在地面附近飞行近飞行讨论讨论:不同天体的第一宇宙速度相同吗？不同天
4、体的第一宇宙速度相同吗？是由中心天体的质是由中心天体的质量量M、半径、半径R决定。决定。 例、已知地球是月球质量的例、已知地球是月球质量的81倍，地球半径为倍，地球半径为月球半径的月球半径的3.8倍，在地球表面上发射卫星，至少需倍，在地球表面上发射卫星，至少需要要7.9km/s的速度，求在月球上发射一颗环绕月球表的速度，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？面运行的飞行物至少需要多大的速度？ =1.74km/s问题问题1：卫星的轨道圆心在哪儿：卫星的轨道圆心在哪儿？二、人造地球卫星二、人造地球卫星1、所有卫星的轨道圆心都在、所有卫星的轨道圆心都在地心地心上上按轨道分类按
5、轨道分类: :极地卫星极地卫星; ;赤道卫星赤道卫星; ;其他卫星其他卫星地球地球问题问题2： 两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，它们的质量相等，轨道半径不同它们的质量相等，轨道半径不同,比较它们的向心加速比较它们的向心加速度度an、线速度、线速度v v、角速度、角速度 、周期、周期T。建立模型建立模型建立模型建立模型设地球质量为设地球质量为设地球质量为设地球质量为MM，地球半径为地球半径为地球半径为地球半径为R R，卫星距地面高为卫星距地面高为卫星距地面高为卫星距地面高为h h，卫星质量为卫星质量为卫星质量为卫星质量为mm， 2、人造地球卫星的、人造
6、地球卫星的向心加速度向心加速度an 、线速度、线速度v v、角速度、角速度 、周期、周期ThRvmhRMmG+=+22)()()(22hRmhRMmG+=+wmanhRMmG=+2)(anhRMG=+2)(a an n减小减小减小减小 减小减小减小减小T T增大增大增大增大v v减小减小减小减小 结论结论结论结论: :随随随随h h增大增大增大增大l 若两颗人造地球卫星的质量不等相等，结论不变，若两颗人造地球卫星的质量不等相等，结论不变，向心加速度向心加速度an、线速度、线速度v v、角速度角速度 、周期、周期T只由轨道半径只由轨道半径 r 决定，只是向心力不能确定决定，只是向心力不能确定l若
7、卫星在若卫星在近地轨道上近地轨道上运行，则有运行，则有h=0（rR），），周期最小周期最小=7.9km/s 运行速度最大运行速度最大 l第一宇宙速度为在地第一宇宙速度为在地面发射卫星的最小速度，面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最也是环绕地球运行的最大速度大速度问题问题3：若有一颗卫星相对地球静止，你能否：若有一颗卫星相对地球静止，你能否形象的描述它的轨道？形象的描述它的轨道？卫星位于赤卫星位于赤道的正上方道的正上方 的的某一高度某一高度轨道与赤道重合？轨道与赤道重合？ 资料资料1比较赤道上的某一点、近地卫星、同步卫星的比较赤道上的某一点、近地卫星、同步卫星的T、v、a向向用学过的知识解
8、释上述结果。用学过的知识解释上述结果。所有所有同步同步卫星都具有如下特点：卫星都具有如下特点：（1）只能分布在一个确定的）只能分布在一个确定的赤道轨道赤道轨道上。上。 （2）周期与地球自转的周期相同）周期与地球自转的周期相同:T24h。（3）角速度）角速度与地球的自转角速度相同。与地球的自转角速度相同。（4）离地面高度）离地面高度:h=36000km。（5）线速度）线速度: v =3.1km/s。3、同步卫星、同步卫星资料资料33 3颗同步卫星可实现全球覆盖颗同步卫星可实现全球覆盖1.1.同步卫星主要用同步卫星主要用同步卫星主要用同步卫星主要用于通讯。要实现全于通讯。要实现全于通讯。要实现全于
9、通讯。要实现全球通讯，只需三颗球通讯，只需三颗球通讯，只需三颗球通讯，只需三颗同步卫星即可。同步卫星即可。同步卫星即可。同步卫星即可。2.2.为了同步卫星之为了同步卫星之为了同步卫星之为了同步卫星之间不互相干扰，大间不互相干扰，大间不互相干扰，大间不互相干扰，大约约约约33左右才能放置左右才能放置左右才能放置左右才能放置1 1颗，这样地球的颗，这样地球的颗，这样地球的颗，这样地球的同步卫星只能有同步卫星只能有同步卫星只能有同步卫星只能有120120颗。可见，颗。可见，颗。可见，颗。可见，空空空空间位置也是一种资间位置也是一种资间位置也是一种资间位置也是一种资源。源。源。源。问题问题4：如何发射
10、同步卫星？：如何发射同步卫星？（课本（课本P54） 1、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三颗人造卫星，轨道上运行的三颗人造卫星，a和和b的质量相同而的质量相同而小于小于c的质量，下列说法中正确的是（的质量，下列说法中正确的是（ ）Ab、c的线速度大小相等，且小于的线速度大小相等，且小于a的线速度的线速度 Bb、c的周期相等，且大于的周期相等，且大于a的周期的周期Cb、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的向的向 心加速度心加速度Db所需的向心力最小所需的向心力最小ABD 2.通信卫星又叫同步卫星，下面关于同步卫星通信卫
11、星又叫同步卫星，下面关于同步卫星的说法中正确的说法中正确 的是的是 ( )A.所有的地球同步卫星都位于地球的赤道平面内所有的地球同步卫星都位于地球的赤道平面内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.所有的地球同步卫星绕地球作匀速圆周运所有的地球同步卫星绕地球作匀速圆周运 动的动的 角速度都相等角速度都相等D.所有的地球同步卫星离地球的高度都相等所有的地球同步卫星离地球的高度都相等 ACD 3、据报道，我国首颗数据中继卫星据报道，我国首颗数据中继卫星“天链一天链一号号01星星”，于，于2008.4.25在西昌卫星发射中心成功发射，在西昌卫星发射中心成功发射，经过四次变
12、轨控制后，于经过四次变轨控制后，于5.1成功定点在东京成功定点在东京770赤道赤道上空的同步轨道，关于成功定点上空的同步轨道，关于成功定点“天链一号天链一号01星星”说说法正确的是（法正确的是（ ） A.运行速度大于运行速度大于7.9km/sB.离地面高度一定，相对地面静止离地面高度一定，相对地面静止C.绕地球运行的角速度比月球运绕地球运行的角速度比月球运 行的角速度大行的角速度大D.向心加速度比静止在赤道上的向心加速度比静止在赤道上的 物体的向心加速度小物体的向心加速度小 BC 4、(05天津天津)土星周土星周围有美有美丽壮壮观的的“光光环”，组成成环的的颗粒是大小不等、粒是大小不等、线度从
13、度从1m到到10m的岩石、的岩石、尘埃，埃，类似于似于卫星，星，它它们与土星中心的距离从与土星中心的距离从7.3104km延伸到延伸到1.4105km。已知。已知环的外的外缘颗粒粒绕土星做土星做圆周运周运动的周期的周期约为14h，引力常量，引力常量为6.6710-11N m2/kg2，则土星的土星的质量量约为（估算（估算时不考不考虑环中中颗粒粒间的相互作用）（的相互作用）（）9.01016kg 6.41017kg9.01025kg 6.41026kgD 5、 同步卫星轨道半径为同步卫星轨道半径为R，运行速率为，运行速率为V1，加速度为，加速度为A1；地球赤道上的物体随地球自转；地球赤道上的物体
14、随地球自转的向心加速度为的向心加速度为A2；第一宇宙速度为；第一宇宙速度为V2；地球；地球半径为半径为R。则下列关系式正确的是（。则下列关系式正确的是（ ）A. B. C. D.AD 6、 (05北京北京)已知地球已知地球质量大量大约是月球是月球质量的量的81倍，地球倍，地球半径大半径大约是月球半径的是月球半径的4倍。不考倍。不考虑地球、月球自地球、月球自转的影响，由的影响，由以上数据可推算出以上数据可推算出（）地球的平均密度与月球的平均密度之比地球的平均密度与月球的平均密度之比约为9 8地球表面重力加速度与月球表面重力加速度之比地球表面重力加速度与月球表面重力加速度之比约为9 4C靠近地球表
15、面沿靠近地球表面沿圆轨道运行的航天器的周期与靠近月道运行的航天器的周期与靠近月球表面沿球表面沿圆轨道运行的航天器的周期之比道运行的航天器的周期之比约为 8 9D靠近地球表面沿靠近地球表面沿圆轨道运行的航天器道运行的航天器线速度与靠近月速度与靠近月球表面沿球表面沿圆轨道运行的航天器道运行的航天器线速度之比速度之比约为 81 4C 7、(07江江苏)假假设太阳系中天体的密度不太阳系中天体的密度不变，天体直径，天体直径和天体之和天体之间距离都距离都缩小到原来的一半，地球小到原来的一半，地球绕太阳公太阳公转近似近似为匀速匀速圆周运周运动，则下列物理量下列物理量变化正确的是化正确的是 （） A地球的向心
16、力地球的向心力变为缩小前的一半小前的一半B地球的向心力地球的向心力变为缩小前的小前的1/16 C地球地球绕太阳公太阳公转周期与周期与缩小前的相同小前的相同D地球地球绕太阳公太阳公转周期周期变为缩小前的一半小前的一半BC 8、发射地球同步射地球同步卫星星时，先将，先将卫星星发射至近地射至近地圆轨道道1，然后点火，使其沿，然后点火，使其沿椭圆轨道道2运行，最后再次点运行，最后再次点火。将火。将卫星送入同步星送入同步圆轨道道3。轨道道1、2相切于相切于Q点，点，轨道道2、3相切于相切于P点（如点（如图），），则当当卫星分星分别在在1，2，3 轨道上正常运行道上正常运行时，以下，以下说法正确的是（法正
17、确的是（）A卫星在星在轨道道3上的速率大于在上的速率大于在轨道道1的速率的速率B卫星在星在轨道道3上的角速度小于在上的角速度小于在轨道道1上的角速度上的角速度C卫星在星在轨道道1上上经过Q点点时的加速度大于它在的加速度大于它在轨道道2上上经过Q点点时的加速度的加速度D卫星在星在轨道道2上上经过P点的加点的加速度等于它在速度等于它在轨道道3上上经过P 点的加速度点的加速度BD1 1、19571957年年1010月，苏联发射第月，苏联发射第一颗人造地球卫星。一颗人造地球卫星。2 2、19611961年年4 4月月1212日苏联空军少日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞校加加林乘坐东方一号载人飞船
18、进入太空，实现了人类进入船进入太空，实现了人类进入太空的梦想。太空的梦想。3 3、19691969年年7 7月月2020日，阿波罗日，阿波罗1111号将人类送上了月球。号将人类送上了月球。三、梦想成真三、梦想成真6、美国美国“凤凰凤凰”号火星探测器号火星探测器20072007年年8 8月月4 4日发射，日发射，20082008年年5 5月月2525日在火星着陆。日在火星着陆。5、“卡西尼卡西尼”号土星探测器号土星探测器19971997年年1010月月1515日发射升空，日发射升空，20042004年年1 1日飞抵土星。日飞抵土星。4 4、 “先驱者先驱者”1010号太空探测器号太空探测器197
19、21972年年3 3月月2 2日发射升空，日发射升空，19861986年年6 6月飞出太阳系月飞出太阳系19701970年年4 4月月2424日日我国第一我国第一颗人造人造卫星升空星升空 中国的航天成就中国的航天成就2007年年10月月24日日嫦娥一号嫦娥一号“月球探月球探测卫星测卫星”于月在西昌卫星发射中心于月在西昌卫星发射中心 由由“长征三号甲长征三号甲”运载火箭发射升运载火箭发射升空空.卫星发射后卫星发射后. 用用8天至天至9天时间完天时间完成调相轨道段成调相轨道段.地月转移轨道段和环地月转移轨道段和环月轨道段飞行月轨道段飞行.执行科学探测任务执行科学探测任务.完成科学任务：为月球完成科
20、学任务：为月球“画像画像”、分析月球表面有用元素含量和物质分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点、探测月壤厚度及类型的分布特点、探测月壤厚度及地月空间环境地月空间环境.“嫦娥二号嫦娥二号”预计预计2010年年底发射升空。年年底发射升空。嫦娥二号嫦娥二号”卫星的主要任务是卫星的主要任务是为为“嫦娥三号嫦娥三号”实现月球软着实现月球软着陆进行部分关键技术试验，并陆进行部分关键技术试验，并对对“嫦娥三号嫦娥三号”着陆区进行高着陆区进行高精度成像。目前，精度成像。目前，“嫦娥二号嫦娥二号”卫星突破了地月转移轨道发卫星突破了地月转移轨道发射、射、X频段测控、近月捕获、频段测控、近月捕获、环月飞行轨
21、道控制、深空测控环月飞行轨道控制、深空测控通信及高分辨率立体相机研制通信及高分辨率立体相机研制六项关键技术。六项关键技术。“19841984年年4 4月月8 8日日我国第一颗同我国第一颗同步卫星升空步卫星升空 20032003年年1010月月1515日日神舟五号神舟五号杨利伟杨利伟20052005年年1010月月1212日日神舟六号神舟六号费俊龙聂海胜费俊龙聂海胜20082008年年9 9月月2525日日神舟七号神舟七号翟志刚刘伯明翟志刚刘伯明景海鹏景海鹏展望未来展望未来课本课本P53中国国家航天计划示意图中国国家航天计划示意图绳系卫星放飞太空绳系卫星放飞太空1、绳系卫星不是从地面放飞出去、绳
22、系卫星不是从地面放飞出去 用绳子将卫星栓起来，然后像放风筝一样放出去。用绳子将卫星栓起来，然后像放风筝一样放出去。绳系卫星并不是从地面放出绳系卫星并不是从地面放出去的，它是从在太空中飞行的航天飞机、宇宙飞船或者空间站等航天器上放出去的。目去的，它是从在太空中飞行的航天飞机、宇宙飞船或者空间站等航天器上放出去的。目前用航天器释放绳系卫星主要有三种方式：可以将其挂在航天器后面，让他与航天器在前用航天器释放绳系卫星主要有三种方式：可以将其挂在航天器后面，让他与航天器在同一高度飞行；也可以利用卫星上配有的小型喷气推力器，把卫星推上较高的空间，让同一高度飞行；也可以利用卫星上配有的小型喷气推力器，把卫星
23、推上较高的空间，让它像风筝那样，在航天器上方高高运行；还可以让其挂在航天飞机的下方，就像热气球它像风筝那样，在航天器上方高高运行；还可以让其挂在航天飞机的下方，就像热气球下的挂蓝般。下的挂蓝般。2、绳系卫星还能自己发电、绳系卫星还能自己发电 绳系卫星的系绳还可以为卫星及它连接的航天器提供电能供应。由于地球是一个大绳系卫星的系绳还可以为卫星及它连接的航天器提供电能供应。由于地球是一个大磁场，当航天飞机或者其他航天器携带着绳系卫星在环绕着地球飞行时，连接绳系卫星磁场，当航天飞机或者其他航天器携带着绳系卫星在环绕着地球飞行时，连接绳系卫星的系绳由于是由导电材料制成，在绕地球运动时，他们不断地切割地球
24、磁场，就会变成的系绳由于是由导电材料制成，在绕地球运动时，他们不断地切割地球磁场，就会变成一台发电机，向绳系卫星和牵引它的航天器供电。绳系还可以完成卫星和其他航天器或一台发电机，向绳系卫星和牵引它的航天器供电。绳系还可以完成卫星和其他航天器或者卫星之间的通信功能，从而保证他们之间通信的畅通无阻。将来，绳系卫星或许还可者卫星之间的通信功能，从而保证他们之间通信的畅通无阻。将来，绳系卫星或许还可以在地球和月球之间进行等距离设置。这样人们便可以像排队传递重物一般，把要输送以在地球和月球之间进行等距离设置。这样人们便可以像排队传递重物一般，把要输送到月球上去的东西，通过系绳的摆动，甩给相邻的卫星，实现
25、不需推进器的空间运输。到月球上去的东西，通过系绳的摆动，甩给相邻的卫星，实现不需推进器的空间运输。3、绳系卫星发展面临很多困难、绳系卫星发展面临很多困难 它不像我们在地面放风筝那样简单，由于其整个操作和控制过程都是在太空中进它不像我们在地面放风筝那样简单，由于其整个操作和控制过程都是在太空中进行，其动力学特性相当复杂，因此要想让这个技术完善有许多具有挑战性的技术需要突行，其动力学特性相当复杂，因此要想让这个技术完善有许多具有挑战性的技术需要突破。另外，现在太空中到处都是太空垃圾，一不小心，这些垃圾就会将绳系卫星的绳子破。另外，现在太空中到处都是太空垃圾，一不小心，这些垃圾就会将绳系卫星的绳子划
26、断，从而让卫星消失的无影无踪。金栋平教授表示，他做绳系卫星的研究才几年时间，划断，从而让卫星消失的无影无踪。金栋平教授表示，他做绳系卫星的研究才几年时间，该项目还有很多难题需要突破，目前中国要实现绳系卫星工程还有很多现实困难。但是该项目还有很多难题需要突破，目前中国要实现绳系卫星工程还有很多现实困难。但是他坚信，随着以后研究的深入，相关的技术一定会越来越成熟。他坚信，随着以后研究的深入，相关的技术一定会越来越成熟。资料（摘自北京青年报）资料（摘自北京青年报） 中继卫星中继卫星被称为被称为“卫星的卫星卫星的卫星”，可为卫星、飞船等航天器提供数，可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务，极大提
27、高各类卫星使用效益和应急能力，能使资源卫据中继和测控服务，极大提高各类卫星使用效益和应急能力，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，为应对重大自然灾害赢得更多预警时间星、环境卫星等数据实时下传，为应对重大自然灾害赢得更多预警时间 “天链一号天链一号01星星”将在三个方面得到应用并将产生巨大效益：将在三个方面得到应用并将产生巨大效益：远望号测量船队加上远望号测量船队加上10余个地面站，才能为神舟飞船提供余个地面站，才能为神舟飞船提供12%的的测控覆盖率。一颗中继卫星即可覆盖卫星或飞船测控覆盖率。一颗中继卫星即可覆盖卫星或飞船50%的飞行弧段，无论是的飞行弧段，无论是经济效益还是使用效率都有了质的
28、提高。经济效益还是使用效率都有了质的提高。航天器在太空中出现故障，抢救时机往往以秒计，一旦错过就可航天器在太空中出现故障，抢救时机往往以秒计，一旦错过就可能造成永远无法挽回的损失。随着我国卫星数量的增多，故障率不可避免能造成永远无法挽回的损失。随着我国卫星数量的增多，故障率不可避免要增加。张建启说，中继卫星投入应用后，将使航天器故障能够及早发现、要增加。张建启说，中继卫星投入应用后，将使航天器故障能够及早发现、尽早解决。尽早解决。资源卫星、环境卫星等应用卫星获得的科学数据，要在卫星经过资源卫星、环境卫星等应用卫星获得的科学数据，要在卫星经过地面站上空时才能下传使用，如果突发重大自然灾害，就会失掉最佳的应地面站上空时才能下传使用，如果突发重大自然灾害，就会失掉最佳的应对处置时机。中继卫星可使各类卫星实现数据实时下传，及时应用，是各对处置时机。中继卫星可使各类卫星实现数据实时下传，及时应用，是各类应用卫星的效能倍增器。类应用卫星的效能倍增器。资料资料作业：作业：1、课本、课本P54 1-62、课本、课本P56 1-7
