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1、6.5宇宙航行宇宙航行(第第2课时课时)人人造造卫卫星星 宇宇宙宙速速度度卫星环绕地球做匀速圆周卫星环绕地球做匀速圆周运动的线速度运动的线速度宇宙速度宇宙速度推导推导（环环绕绕速速度度）第第一一宇宇宙宙速速度度卫星绕地球运的卫星绕地球运的最大速度最大速度发射卫星的最小发射卫星的最小速度速度知识回顾知识回顾一一.地球同步卫星地球同步卫星2.同步卫星特点同步卫星特点(1)在赤道平面内在赤道平面内 (2)周期一定周期一定T=24h(3)高度一定高度一定人类在宇宙发射了多种多样的人人类在宇宙发射了多种多样的人造卫星造卫星,其中有一种特别的卫星称其中有一种特别的卫星称为地球同步卫星为地球同步卫星(常用做
2、通讯卫星常用做通讯卫星)所有同步卫星只能分布在赤道上所有同步卫星只能分布在赤道上方一个确定轨道上方一个确定轨道上,定高度、定周定高度、定周期、定速率、定角速度、定轨道期、定速率、定角速度、定轨道3.同步卫星应用同步卫星应用:卫星通信、广播卫星通信、广播,天气预报、导航、地球天气预报、导航、地球资源探测、育种、军事应用等资源探测、育种、军事应用等1.地球地球同步卫星同步卫星:相对于地面静止相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星。星叫地球同步卫星。5.同步卫星的个数同步卫星的个数:大约大约3度角左右才能放置一颗卫星度角左右才能放置一颗卫星,地球地球的
3、同步通讯卫星只能有的同步通讯卫星只能有120颗颗.可见可见,空间位置也是一种资源空间位置也是一种资源.4.同步卫星高度固定不变同步卫星高度固定不变线速度：线速度：角速度：角速度：注注:凡是人造卫星的问题都可从凡是人造卫星的问题都可从万有引力万有引力=向心力向心力去去列运动方程列运动方程,即即:运运行行半半径径rR地地R地地6.6R地地运运行行周周期期T24h85分钟（分钟（1.4h）24h线线速速度度的计算的计算V=R地地向向心心加加速速度度的的计算计算ma=m2R=GMm/R地2=mgma=GMm/r近2ma=m2rGMm/r同2向向心心加加速速度度之之比比a同同/a物物 =r同同/ R=6
4、.6/1a同同/a近近r近近 2/r同同2=1/(6.6)2同步卫星同步卫星近地卫星近地卫星地球赤道上的地球赤道上的物体物体6.注意区别注意区别:地球赤道上的物体地球赤道上的物体,近地卫星近地卫星,同步卫星同步卫星人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)7.赤道上随地球自转的物体赤道上随地球自转的物体,近地卫星近地卫星,同步卫星都绕地心同步卫星都绕地心运动运动,但是万有引力但是万有引力(an) 有什么区别？有什么区别
5、？8.近地卫星、同步卫星、月球三者比较近地卫星、同步卫星、月球三者比较(1)谁周期长谁周期长?(2)谁角速度大谁角速度大?(3)谁轨道半径大谁轨道半径大?人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)h=3.6107mr=4.2107mv=3km/sT=24hh=3.8108mr3.8108mv=1km/sT=27天天h0r=6.4106mv=7.9km/sT=84分钟分钟同同步步卫卫星星近近地地卫卫星星月球月球人教版高中
6、物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)(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9.人造卫星的超重和失重人造卫星的超重和失重人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航
7、行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)AC例例1.关于地球同步卫星关于地球同步卫星,下列说法正确的是（下列说法正确的是（ ）A.它的运行速度小于它的运行速度小于7.9km/s B.它的运行速度大它的运行速度大7.9km/s C.它的周期是它的周期是24h,且轨道平面于赤道平面重且轨道平面于赤道平面重D.每一个地球同步卫星离开地面的高度是不同的每一个地球同步卫星离开地面的高度是不同的例例2.同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星,关于同关于同
8、步卫星的说法中正确的是步卫星的说法中正确的是( )A.它可以在地面上任一点的正上方它可以在地面上任一点的正上方,且离地心的距离可按且离地心的距离可按需要选择不同值需要选择不同值B.它可以在地面上任一点的正上方它可以在地面上任一点的正上方,但离地距离是一定的但离地距离是一定的C.它只能在赤道的正上方它只能在赤道的正上方,但离地心的距离可按需要选择但离地心的距离可按需要选择不同值不同值D.它只能在赤道的正上方它只能在赤道的正上方,且离地心的距离是一定的且离地心的距离是一定的 D人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物
9、理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)例例3.如图所示如图所示,有有A、B两个卫星绕地球做圆周运动两个卫星绕地球做圆周运动,旋转方旋转方向相同向相同,A卫星的周期为卫星的周期为T1,B卫星的周期为卫星的周期为T2,在某一时刻两在某一时刻两卫星第一次相遇卫星第一次相遇(即两卫星距离最近即两卫星距离最近)求求:1.多少时间后两卫星第二次相遇多少时间后两卫星第二次相遇?2.多少时间后两卫星第一次相距最远多少时间后两卫星第一次相距最远?QPv3v1v23.神六变轨神六变轨:神六飞船入轨后先是在近神六飞船入轨后先是在近地点地点200公里公里,远
10、地点远地点350公里的椭圆公里的椭圆轨道上运行轨道上运行,然后变轨到距地面然后变轨到距地面343公公里的圆形轨道里的圆形轨道.比较比较v1、v2、v3的大小的大小?v1_v2v2_v3v1_v3v1v3v2人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)二二.卫星变轨卫星变轨人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二
11、6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)VF引引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人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)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
12、（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，动能小人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)v vF F引引12R卫星在圆轨道运行速度V1V2900减小卫星变轨原理人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)v v3
13、 3F F引引L卫星变轨原理使使卫卫星星进进入入更更高高轨轨道道做做圆圆周周运运动动v3 3v4 4卫星的回收 1 1、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地近地圆轨道圆轨道1 1，然后经点火使其沿，然后经点火使其沿椭圆轨道椭圆轨道2 2运行；最后再次运行；最后再次点火将其送入同步点火将其送入同步圆轨道圆轨道3 3。轨道。轨道1 1、2 2相切于相切于P P点，点，2 2、3 3相切于相切于Q Q点。当卫星分别在点。当卫星分别在1 1、2 2、3 3上正常运行时，以下上正常运行时，以下说法正确的是（说法正确的是（ ） A A、在轨道、在轨道3 3
14、上的速率大上的速率大 于于1 1上的速率上的速率 B B、在轨道、在轨道3 3上的角速度上的角速度 小于小于1 1上的角速度上的角速度 C C、在轨道、在轨道2 2上经过上经过Q Q点时点时 的速率等于在轨道的速率等于在轨道3 3上经过上经过Q Q点时的速率点时的速率 D D、在轨道、在轨道1 1上经过上经过P P点时的加速度等于在轨道点时的加速度等于在轨道2 2上上 经过经过P P点时的加速度点时的加速度 QP231BD“嫦娥奔月” 图理性探究理性探究 发射、变轨、运发射、变轨、运行行 2. 2007 2. 2007年年1010月月2424日日“嫦娥一号嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕卫星
15、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：地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：1212小时椭圆轨小时椭圆轨道道2424小时椭圆轨道小时椭圆轨道4848小时椭圆轨道小时椭圆轨道修正轨道修正轨道地月转移轨道地月转移轨道。1111月月5 5日日1111时，当卫星经过距月球表面高度时，当卫星经过距月球表面高度为为h h的的A A点时，再经三次变轨：点时，再经三次变轨：1212小时椭圆轨道小时椭圆轨道3.53.5小时椭圆小时椭圆轨道轨道最后进入周期为最后进入周期为T T的极月圆轨道的极月圆轨道 ，如图所示（，如图所示（ ） A.A.“嫦娥一号嫦娥一号”由由到到需加速、由需加速、
16、由到到需减速需减速 B.B.发射发射“嫦娥一号嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度的速度必须达到第三宇宙速度 C.C.在绕月圆轨道上在绕月圆轨道上, ,卫星周期与卫星质量有关卫星周期与卫星质量有关 D.D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比 E.E.在绕月圆轨道上在绕月圆轨道上, ,卫星受地球的引力大于受月球的引力卫星受地球的引力大于受月球的引力近地变轨轨道修正转移轨道发射D注注意意:万万有有引引力力中中两两星星相相距距是是L,而而向向心心力力表表达达式式中中半半径径为为r1、r2,不可混淆不可混淆.宇宙中有相距较近宇宙中有相距较近,质
17、量可以相比的两颗星质量可以相比的两颗星(其他星体对其他星体对它们的影响忽略不计它们的影响忽略不计),围绕它们连线上的某一固定点做围绕它们连线上的某一固定点做同周期的匀速圆周运动同周期的匀速圆周运动.这种结构叫做双星这种结构叫做双星角速度必定相同角速度必定相同，因此，因此周期也必然相同周期也必然相同。每颗星的每颗星的向心力大小必然相等向心力大小必然相等如果两颗星的质量相差悬殊，如如果两颗星的质量相差悬殊，如m mM M，则，则r=L,R=Or=L,R=O， 这是可以把大质量星看作静止的，这是可以把大质量星看作静止的， 小质量星围绕大小质量星围绕大质量星运动。质量星运动。三三.双星问题双星问题例1
18、.两个星球组成双星，它们在相互之间的万有引力作用下，绕连线上某点做周期相同的匀速圆周运动。现测得两星中心距离为R，其运动周期为T，求两星的总质量。O解析：设两星质量分别为M1和M2，都绕连线上O点作周期为T 的圆周运动，星球1和星球2到O 的距离分别为l 1和 l2 由万有引力定律和牛顿第二定律及几何条件可得l 1l 2M2M1l 1+l2=R联立解得例例2.2.在天体运动中，把两颗相距很近的恒在天体运动中，把两颗相距很近的恒星称为双星，这两颗星必须各自以一定的星称为双星，这两颗星必须各自以一定的速率绕某一中心转动才不至于由于万有引速率绕某一中心转动才不至于由于万有引力而吸在一起。已知两恒星的
19、质量分别为力而吸在一起。已知两恒星的质量分别为M M1 1和和M M2 2两恒星距离为两恒星距离为L L。求：。求：(1)(1)两恒星转动中两恒星转动中心的位置；心的位置；(2)(2)转动的角速度。转动的角速度。O人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT) 分析：如图所示，两颗恒星分别以转动中心O作匀速圆周运动，角速度相同，设M1的转动半径为r1，M2的转动半径为r2=L-r1；它们之间的万有引力是各自的向心力。解答：
20、（1）对M1，有对M2，有O向向121221rMLMMGF= = =人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)故M12r1=M22(L-r1)（2）将r1值代入式人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)周期、角速度一定周期、角速度一定,与地球
21、自转周期与地球自转周期(T=24h) 角速度相角速度相轨道平面在赤道平面上轨道平面在赤道平面上; 距离地心的距离一定距离地心的距离一定:h=3.95104km; 距离地面的高度为距离地面的高度为3.6104km 环绕速度一定环绕速度一定:v=3.1km/s,环绕方向与地球自转方向相同环绕方向与地球自转方向相同向心加速度大小一定向心加速度大小一定:a=0.23m/s2课堂小结课堂小结1.同步卫星的特点同步卫星的特点速度增加速度增加(F引引F向心向心离心运动离心运动)半径增大半径增大(F引引为阻力为阻力)速度减小速度减小 (新轨道新轨道r新新r;V新新V)速度减小速度减小(F引引F向心向心向心运动向心运动)半径减小半径减小(F引引为动力为动力)速度增大速度增大 (新轨道新轨道r新新r;V新新V)2.变轨变轨人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)人教版高中物理必修二人教版高中物理必修二 6.56.5宇宙航行宇宙航行 ( (共共3333张张PPT)PPT)
