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1、人造卫星专题(发射、回收、变轨)探究问题一：探究问题一：（1）如图所示，）如图所示，a、b、c三轨道中三轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条？可以作为卫星轨道的是哪一条？abc提示：卫星作圆周运提示：卫星作圆周运动的向心力必须指动的向心力必须指向地心向地心思考：对于绕地球运动的人造卫星：思考：对于绕地球运动的人造卫星：（1 1）离地面越高，向心力越）离地面越高，向心力越 （2 2）离地面越高，线速度越）离地面越高，线速度越（3 3）离地面越高，周期越）离地面越高，周期越（4 4）离地面越高，角速度越）离地面越高，角速度越（5 5）离地面越高，向心加速度越）离地面越高，向心加速度越小小大大小小小小小
2、小探究问题二：探究问题二：（1）如图所示，）如图所示，a、b、c三轨道中三轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条？可以作为卫星轨道的是哪一条？abc（2）这三条轨道中哪一条轨道中）这三条轨道中哪一条轨道中的卫星可能和地球自转同步？的卫星可能和地球自转同步？二.同步卫星n1.定义:相对地面静止的,和地球具有相同周期的卫星.。二.同步卫星2.同步卫星的轨道分析同步卫星要定点在赤道上方同步卫星要定点在赤道上方分析：若同步卫星位于分析：若同步卫星位于 赤道赤道平面外的某一点平面外的某一点,则地球对则地球对它的万有引力它的万有引力F可分为一个可分为一个绕地球地轴旋转的向心绕地球地轴旋转的向心 力力F1,和一个
3、使卫星向赤道平和一个使卫星向赤道平面面 运动的力运动的力F2,使卫星向赤使卫星向赤道平面运动。道平面运动。FF1F2地轴地轴赤道赤道二.同步卫星3.计算同步算同步卫星高度星高度万有引力提供向万有引力提供向心力心力同步通讯卫星轨道半径：h+R=4.2二.同步卫星4.同步卫星的线速度同步卫星的线速度.解：万有引力提供向心力解：万有引力提供向心力 故故 =由此解出由此解出v=将地球质量M及轨道半径r带入5.几个问题几个问题1）、人造卫星为何向东发射？）、人造卫星为何向东发射？2）、至少几颗卫星才能）、至少几颗卫星才能覆盖整个赤道？覆盖整个赤道？为了卫星之间不互相干扰，大约为了卫星之间不互相干扰，大约
4、3 30 0左右才能左右才能放置放置1 1颗，这样地球的同步卫星只能有颗，这样地球的同步卫星只能有120120颗。颗。可见，空间位置也是一种资源。可见，空间位置也是一种资源。三颗同步卫星反射三颗同步卫星反射信号可以覆盖整个赤道信号可以覆盖整个赤道三.人造地球卫星中的超重和失重n1.发射过程发射过程n2.回收过程回收过程n3.进入正常圆轨道进入正常圆轨道三、人造卫星的超重和失重三、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
5、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注意：无论哪种状态都是视重的变化，其重力不变。注意：无论哪种状态都是视重的变化，其重力不变。四.卫星变轨卫星的变轨问题由万有引力与向心力的卫星的变轨问题由万有引力与向心力的大小比较判断得出：大小比较判断得出：F F mvmv2 2/r/r 卫星做近心运动卫星做近心运动 F F mvmv2 2/r/r 卫星做离心运动卫星做离心运动 由于技术上的原因，卫星的发射往往要分几个阶段，经过由于技术上的原因，卫星的发射往往要分几个阶段，经过由于技术上的原因，卫星的发射往往要分几个阶段，经过由于技术上的原因，卫星的发射往往要分几个
6、阶段，经过多次变轨后才能定点于预定的位置。多次变轨后才能定点于预定的位置。多次变轨后才能定点于预定的位置。多次变轨后才能定点于预定的位置。视频v1v2v3v4例例例例 如图所示，某次发射同步卫如图所示，某次发射同步卫如图所示，某次发射同步卫如图所示，某次发射同步卫星时，先进入一个近地的圆轨星时，先进入一个近地的圆轨星时，先进入一个近地的圆轨星时，先进入一个近地的圆轨道，然后在道，然后在道，然后在道，然后在P P点点火加速，进入点点火加速，进入点点火加速，进入点点火加速，进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道椭圆形转移轨道（该椭圆轨道椭圆形转移轨道（该椭圆轨道椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨
7、道上的的近地点为近地圆轨道上的的近地点为近地圆轨道上的的近地点为近地圆轨道上的P P，远地点为同步轨道上的远地点为同步轨道上的远地点为同步轨道上的远地点为同步轨道上的QQ），），），），到达远地点时再次自动点火加到达远地点时再次自动点火加到达远地点时再次自动点火加到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。设卫星在速，进入同步轨道。设卫星在速，进入同步轨道。设卫星在速，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为近地圆轨道上运行的速率为近地圆轨道上运行的速率为近地圆轨道上运行的速率为v v1 1，在，在，在，在P P点短时间加速后的速率为点短时间加速后的速率为点短时间加速后的速率为点短时间加
8、速后的速率为v v2 2，沿转移轨道刚到达远地点，沿转移轨道刚到达远地点，沿转移轨道刚到达远地点，沿转移轨道刚到达远地点QQ时的速率为时的速率为时的速率为时的速率为v v3 3，在，在，在，在QQ点短时间加点短时间加点短时间加点短时间加速后速后速后速后进入同步轨道后的速率为进入同步轨道后的速率为进入同步轨道后的速率为进入同步轨道后的速率为v v4 4。试比较。试比较。试比较。试比较v v1 1、v v2 2、v v3 3、v v4 4的大的大的大的大小，并用小于号将它们排列起小，并用小于号将它们排列起小，并用小于号将它们排列起小，并用小于号将它们排列起来来来来_。v1v2v3v4P PQQ解答
9、解答:根据题意有根据题意有v2v1,v4v3 而而v v1 1、v v4 4是绕地球做匀速是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的线圆周运动的人造卫星的线速度，由下式速度，由下式知知v v1 1 v v4 4故结论为故结论为v2v1v4v3 卫星沿椭圆轨道由卫星沿椭圆轨道由P PQ Q运行运行时，由时，由机械能守恒机械能守恒可知，其重可知，其重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，因此有力势能逐渐增大，动能逐渐减小，因此有v v2 2 v v3 3 卫星的回收实际上是卫星发射过程的逆过程卫星的回收实际上是卫星发射过程的逆过程 n1 1、圆轨道（低）、圆轨道（低）圆轨道（高）圆轨道（高）n（1 1）低轨道到高
10、轨道：增大速度变轨，）低轨道到高轨道：增大速度变轨，n（2 2）高轨道到低轨道：减小速度变轨，）高轨道到低轨道：减小速度变轨，PQ123n2 2、椭圆轨道、椭圆轨道 圆轨道圆轨道n（1 1）远地点处变轨：速度）远地点处变轨：速度增大增大进入高轨道。进入高轨道。n（2 2）近地点处变轨：速度）近地点处变轨：速度减小减小进入低轨道。进入低轨道。PQ123飞船变轨飞船变轨【例例】发射地球同步卫星时,先将卫星发射到近地圆轨道1,然后点火,使其沿椭圆轨道2运行,最后再次点火,将卫星送入同步圆轨道3.轨道1,2相切于Q点,轨道2,3相切于P点,如图所示,则当卫星分别在1,2,3轨道上正常运行时,下列说法中
11、正确的是:()A.卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率B.卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度C.卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度D.卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度BD解：解：不正确。应为 ,得 请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果。请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果。解：解：由 ，得 或由 ,得启示：注意把握知识间的内在联系，构建知识网络。启示：注意把握知识间的内在联系，构建知识网络。【例例】（20042004年广东卷）已知万有引力常量年广东卷）已知万有引力常量G G，地球半径
12、，地球半径R R，月球绕地球运动的轨道半径为月球绕地球运动的轨道半径为r r，同步卫星距地面的高度，同步卫星距地面的高度h h，月球绕地球的运转周期月球绕地球的运转周期T T1 1，地球的自转周期，地球的自转周期T T2 2，地球表面的，地球表面的重力加速度重力加速度g g。某同学根据以上条件，提出一种估算地球质。某同学根据以上条件，提出一种估算地球质量量M M的方法：同步卫星绕地球作圆周运动，由的方法：同步卫星绕地球作圆周运动，由 ,得得请判断上面的结果是否正确，并说明理由。如不正确，请请判断上面的结果是否正确，并说明理由。如不正确，请给出正确的解法和结果。给出正确的解法和结果。思考下列问题
13、思考下列问题1.月球也要受到地球引力的作用，为什么月球也要受到地球引力的作用，为什么 月亮不会落到地面上来？月亮不会落到地面上来？2.什么叫做人造地球卫星？什么叫做人造地球卫星？3.子弹从枪膛射出，其轨迹如何子弹从枪膛射出，其轨迹如何?4.物体做平抛运动时，飞行的距离与飞行物体做平抛运动时，飞行的距离与飞行的水平初速度有何关系的水平初速度有何关系?5.若抛出物体的水平初速度足够大，物体将会若抛出物体的水平初速度足够大，物体将会怎样？怎样？牛顿人造卫星原理图牛顿的思考与设想：牛顿的思考与设想：抛出的物体速度抛出的物体速度v越大时，落地点越远，越大时，落地点越远，速度不断增大，将会成为人造卫星速度
14、不断增大，将会成为人造卫星牛顿和你们的想法一样，曾依据平抛现象猜想了卫星的发射原理，但他没有看到他的猜想得以实现。牛顿的设想过程法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力法二：重力提供物体作圆周运动的向心力法二：重力提供物体作圆周运动的向心力探究问题一：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运探究问题一：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？动，不会落下来？(已知已知=6.6710-11Nm2/kg2,地球质量地球质量M=5.891024kg,地球半径地球半径R=6400km)（若已知地球表面重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km）一宇宙速度 1 1、第一宇宙速
15、度（环绕速度）、第一宇宙速度（环绕速度）v v1 1=7.9km/s=7.9km/s它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度动所必须具备的速度 n说明：说明：（）如果卫星的速度小于第一宇宙速度，（）如果卫星的速度小于第一宇宙速度，卫星将落到地面而不能绕地球运转；卫星将落到地面而不能绕地球运转；（）等于这个速度，卫星刚好能在地球表（）等于这个速度，卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动；面附近作匀速圆周运动；牛顿的设想过程 （3 3）如果大于）如果大于7.9km/s，而小于而小于11.2km/s，卫星将沿椭圆轨道绕地球卫星将沿椭圆轨道绕地
16、球运行，地心就成为椭圆轨道的一个焦运行，地心就成为椭圆轨道的一个焦点点 、第二宇宙速度、第二宇宙速度（脱离速度）（脱离速度）n这是卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕这是卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运行的太阳运行的人造行星人造行星的最小发射速度的最小发射速度n如如果果人人造造天天体体的的速速度度大大于于11.2km/s而而小小于于16.7km/s，则则它它的的运运行行轨轨道道相相对对于于太太阳阳将将是是椭椭圆圆，太太阳阳就就成成为为该该椭椭圆圆轨轨道道的的一一个个焦点焦点v2=11.2 km/s3 3、第三宇宙速度（逃逸速度）、第三宇宙速度（逃逸速度）n这这是是卫卫星星挣挣脱脱太太阳阳引引力力
17、束束缚缚的的最最小小发发射射速速度度n如如果果人人造造天天体体具具有有这这样样的的速速度度，就就可可以以摆摆脱脱地地球球和和太太阳阳引引力力的的束束缚缚而而飞飞到到太太阳阳系系外外了了而成为而成为人造恒星人造恒星v3=16.7 km/s一、宇宙速度一、宇宙速度1 1、第一宇宙速度：、第一宇宙速度：(环绕速度环绕速度）V1=7.9km/s地球11.2km/sv7.9km/s2 2、第二宇宙速度：、第二宇宙速度：(脱离速度脱离速度)V2=11.2km/sV3=16.7km/s3 3、第三宇宙速度：、第三宇宙速度：（逃逸速度逃逸速度）人造行星人造行星人造恒星人造恒星人造卫星人造卫星近地卫星近地卫星r
18、 v其它卫星其它卫星 二、人造卫星的发射速度和运行速度 发射速度与运行速度是两个不同的概念发射速度与运行速度是两个不同的概念（1 1）发发射射速速度度：指指被被发发射射物物在在地地面面附附近近离离开开发发射射装装置置时时的的初初速速度度，并并且且一一旦旦发发射射后后就就再再无无能能量量补补充充，被被发发射射物物仅仅依依靠靠自自己己的的初初动动能能克克服服地地球球引引力力上上升升一一定定的的高度，进入运动轨道高度，进入运动轨道（2 2）环绕速度：是指卫星在进入运行轨道后绕地球做）环绕速度：是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度当卫星匀速圆周运动的线速度当卫星“贴着贴着”地面运行时，
19、地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度运行速度等于第一宇宙速度 （3）发射速度和卫星绕地旋转的速度是不是）发射速度和卫星绕地旋转的速度是不是同一速度？发射速度大说明什么？卫星运转速同一速度？发射速度大说明什么？卫星运转速度大又说明什么？度大又说明什么？学生思考：学生思考：（1）将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易）将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易？为什么？为什么？（2）所需要的发射速度，哪一个更大？为什么？）所需要的发射速度，哪一个更大？为什么？向高轨道发射卫星时，火箭须克服地球对它向高轨道发射卫星时，火箭须克服地球对它的引力而做更多的功，对火箭的要求更高一的引力而做更多的功，对火箭
20、的要求更高一些，所以比较困难。些，所以比较困难。第一宇宙速度是最大环绕速度还是最小的环第一宇宙速度是最大环绕速度还是最小的环绕速度？绕速度？探究问题三：第一宇宙速度是最小的发射速度第一宇宙速度是最小的发射速度,也是最大的环绕速度也是最大的环绕速度结论:能否发射一颗周期为能否发射一颗周期为80min80min的人造地球卫星？的人造地球卫星？探究问题四：探究问题四：近地卫星的周期最小近地卫星的周期最小我们不能发射一颗周期为我们不能发射一颗周期为80min的卫星的卫星n解解1：万有引力提供向心力：万有引力提供向心力n n 故故 =n由此解出由此解出v=v 若已知近地卫星在若已知近地卫星在“地面附近地面附近”飞行，可以用地球半径飞行，可以用地球半径R 代表卫星到地心的距离代表卫星到地心的距离r，地球半径地球半径R=6400km，地球地球质量质量M=5.891024kg,把数据代入上式可解得：把数据代入上式可解得：v v v=7.9km/s=7.9km/s 两种求第一宇宙速度的方法两种求第一宇宙速度的方法n解解2 2：在地球表面忽略地球自转的影响，则：在地球表面忽略地球自转的影响，则n =mg =mg n n 即即 mg=mg=n n 解得：解得：V=V=