《人造卫星、宇宙速度》(教学)课件

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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(24 h) ③定高度,即离地面高度一定(h=36000 km) ④定速度,即运行速度一定(v≈3.1km/s)
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
光子火箭
超光速飞船“千年隼”号 《星球大战》
练习:求近地卫星的周期 3 r T 2 GM 地
(6.37 10 ) 2 3.14 s 11 24 6.67 10 5.98 10
6 3
5.06 10 s 84.3min
3
我们能否发射一颗周 期为80min的卫星?
2016年7月1日星期五
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。
r v ω T a “全部固定”
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?
2、地球同步卫星的运行特征
课堂训练
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 : 1 (2)周期之比
GM v r
T1:T2 =
1: 8
r3 T 2 GM
高考链接:2012山东理综第15题 2011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。 B 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 v1 R1、R2,线速度大小分别为V1、V2。则 v2 等于( )
人造卫星
V3=16.7km/s V2=11.2km/s
v2 11.2km / s
→人造行星
地球
V1=7.9km/s
3、第三宇宙速度:(逃逸速度)
11.2km/s>v>7.9km/s
v3 16.7km / s →人造恒星
2016年7月1日星期五
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
得:T=
可见:卫星运动情况(a、V 、ω 、T )是由 r 惟 一决定
人造地球卫星的运动规律
v1>v2=v3>v4 T1<T2=T3<T4
1
3 2
ω1>ω2=ω3>ω4
4
练习:对于绕地球运动的人造卫星:
小 (1)离地面越高,线速度越——
(2)离地面越高,周期越—— 长
小 (3)离地面越高,角速度越—— 小 (4)离地面越高,向心加速度越— 小 (5)离地面越高,向心力越——
GM 地m卫 m卫 v 2 r r
2
约去两边的
m卫
GM 地 2 v r
G M地 r
v
近地面的卫星的速度
(G = 6.67×10 N m / kg , R地 = 6.37×10 m
11 2 2 6
M 地 = 5.89×10 kg)
24
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:
A.
R R
3 1 3 2
B.
R2 R1
C.
2 R2 R12
D.
R2 R1
二、宇宙速度 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?
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?
r
记忆口诀:“高轨低速长周 期” 卫星运动的线速度、角速度、向心加速度和周期:
(1)由 (2)由
(3)由
G M m =ma r2 Mm v2 G 2 =m r r Mm G 2 =mω2r r
得:a= 得:v=
得:ω=
GM r2
GM r
GM 3 r
4π2r3
GM
2 2 π M m (4)由 G 2 =m( ) r r T
嫦 娥 奔 月
2016年7月1日星期五
敦煌飞天的美丽壁画
2016年7月1日星期五
1957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
2016年7月1日星期五
各种各样的卫星……
天平 弹簧秤测重力
液体压强计
七、卫星变轨
卫星变轨原理
V
m
A
F引
Mm F引 G 2 r
v2 F向 m r
F引<F向
F引>F向
F引 F向
M
在A点万有引力相同
A点速度—内小外大(在A点看轨迹)
第一次变轨:
v3
点火加速:
在椭圆轨 道上运行:
v2>v1
v4
v1
v2>v3
v4>v3
v2
第二次变轨: 点火加速: 在圆轨道上 稳定运行:
11 24 GM 地 6 . 67 × 10 × 5 . 89 × 10 v1 = = m/ s 6 R地 6.37×10
= 7.9km / s
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)。
2、第二宇宙速度: (脱离速度)
人造卫星的发射原理
v 增大
300多 年前, 牛顿提 出设想
平抛 洲际 导弹
Main Idea
人造 卫星
地面上的物体,怎样才能成为人造地球卫星呢?
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。
九、梦想成真(航空领域重大成就) 1、回顾航天史
14世纪
世界上第 一个想利 用火箭飞 行的人
1957年10月,苏联发射 第一颗人造地球卫星。 1961年4月12日苏联空军 少校加加林乘坐东方一 号载人飞船进入太空, 实现了人类进入太空的 梦想。
1969年7月20日,阿波罗 11号将人类送上了月球。
发射装置时的速度。
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
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。
GM v1 r
r↗ v↘
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。
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。
五、人造卫星的轨道
立体
赤道平面
平面
所有卫星都在以地心为圆 心的轨道上(原因?)
“高轨低速长周期”
人造卫星的轨道
高考链接:2011山东理综第17题
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( ) AC
“嫦娥奔月” 图
理性探究 发射、变轨、运行
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( )
发射 ①


转移轨道


⑧ ⑥
近 地 变 轨

轨道修正
八、对接问题:宇宙飞船与空间站的对接

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。
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。
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 (a、V 、ω 、T )
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( ) BD A、在轨道3上的速率大 于1上的速率 3 2 B、在轨道3上的角速度 1 小于1上的角速度 · P C、在轨道2上经过Q点时 Q 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
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。
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。
飞船
空间站
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( B ) 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
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
D
发射 近 地 变 轨



转移轨道





轨道修正
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Fra Baidu bibliotek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。
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
2016年7月1日星期五
六、人造卫星的超重和失重
1、发射和回收阶段
发射
回收
加速上升
减速下降
超重
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
2016年7月1日星期五
2、中国的航天成就
1970年4 月24日我 国第一颗 人造卫星 升空
2003年10 月15日神 舟五号 杨利伟
2005年10 月12日神 舟六号费 俊龙聂海 胜
2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功
2008年9月 25日神舟 七号翟志 刚刘伯明 景海鹏
3、展望未来 美国“凤凰”号火星探测器 2007年8月4日发射, 2008年5月25日在火星着陆。 “卡西尼”号土星探测器 1997年10月15日发射升空, 2004年1日飞抵土星。 “先驱者”10号太空探测器 1972年3月2日发射升空, 1986年6月飞出太阳系
v1>v4
v2>v1>v4>v3
卫星变轨原理
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。
·
万有引力相同
1、卫星在二轨道相切点
2、卫星在椭圆轨道运行
速度—内小外大(切点看轨迹) 近地点---速度大,动能大 远地点---速度小,动能小
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