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1、五、人造卫五、人造卫星星宇宙速度宇宙速度人造卫星人造卫星v1957年年10月月，前前苏苏联联发发射射了了世世界界上上第第一一颗颗人人造造地地球球卫卫星星，从从此此，开开创创了了人人类类航航天天时时代代的的新新纪纪元元我我国国在在1970年年4月月20日日发发射射了了第第一一颗颗人人造造地地球球卫卫星星，现现在在已已成成为为世世界界上上第第五五个个依依靠靠自自己己力力量量研研制制成成火火箭箭发发射射卫卫星星、第第三三个个掌掌握握卫卫星星回回收收技技术术、第第四四个个用用一一枚枚火火箭箭发发射射多多颗颗卫卫星星的的国国家家v卫卫星星主主要要有有侦侦察察卫卫星星、通通信信卫卫星星、导导航航卫卫星星、
2、气气象象卫卫星星、地地球球资资源源勘勘测测卫卫星星、科科学学研研究究卫卫星星、预警卫星和测地卫星等种类预警卫星和测地卫星等种类我国第一颗人造卫星我国第一颗人造卫星我国第一颗人造卫星我国第一颗人造卫星“东方红一号东方红一号东方红一号东方红一号”牛顿的猜想牛顿的猜想牛顿的手稿牛顿的手稿想一想想一想:物物体初速度达到多大时就可以成为一颗体初速度达到多大时就可以成为一颗人造卫星呢人造卫星呢?牛牛顿顿对对人人造造地地球球卫卫星星原原理理的的描描绘绘;在在高高山山上上物物体体作作平平抛抛运运动动的的初初速速度度越越大大，落落地地点点距距高高山山脚脚越越远远，当当抛抛出出速速度度足足够够大大时时，物物体体就
3、就不不会会落落到到地地面面上上，成成为为绕绕地地球球旋旋转转的的人人造造地地球球卫卫星星R 设地球和卫星的质设地球和卫星的质量分别为量分别为M和和m,卫星到卫星到地心的距离为地心的距离为r,求卫星求卫星运动的线速度运动的线速度v?由由F引引=F向向得到得到Mm 当r=R时即近地卫星,由 可得v=7.9km/s 在地球上抛出的物体，当它的速度足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，它够大时，物体就永远不会落到地面上，它将围地球旋转，成为一颗人造地球卫星简将围地球旋转，成为一颗人造地球卫星简称称 由此可见，人造地球卫星运行遵从的由此可见，人造地球卫星运行遵从的规律是：卫
4、星绕地球做圆周运动，地球对卫规律是：卫星绕地球做圆周运动，地球对卫星的引力就是星的引力就是向心力向心力。人造卫星人造卫星一、人造卫星一、人造卫星想一想想一想:卫星运动快慢跟什么有关呢卫星运动快慢跟什么有关呢?人造卫星运行的线速度，角速度，人造卫星运行的线速度，角速度，周期与轨道半径的关系周期与轨道半径的关系.根据 ，可得卫星运行的 线速度为 ；即 越大，越小。.根据 ，可得卫星运行 的角速度为 ；即 越大，越小.根据 ，可得卫星运行 的周期为 ；即 越大，越大 由由、式可以看出卫星式可以看出卫星的线速度随高度增大而减小，角速的线速度随高度增大而减小，角速度随高度增大而减小，周期随高度度随高度增
5、大而减小，周期随高度增大而增大。在增大而增大。在周期、角速度、线周期、角速度、线速度和轨道半径速度和轨道半径四个物理量中，四个物理量中，一一个量个量发生变化时，另外发生变化时，另外三个量三个量一定一定同时变化。同时变化。对于靠近地面的卫星，可以认为此时的对于靠近地面的卫星，可以认为此时的r r近似近似等于地球半径等于地球半径R R，把，把r r用地球半径用地球半径R R代入，可以求出代入，可以求出 这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速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速度，叫做圆周运动所必须具有的速度，叫做第一宇宙速度。第一宇宙速度。二二.宇宙速度宇宙速度.第一宇
6、宙速度（环绕速度）第一宇宙速度的另一表达式第一宇宙速度的另一表达式 根据地球表面物体的重力近拟于对物体的万有引力可得:对第一宇宙速度的理解对第一宇宙速度的理解:1.上式对其它天体也适用，上式对其它天体也适用，R为天体半径为天体半径,M为天为天 体质量体质量,g为天体表面的重力加度为天体表面的重力加度,G为引力常量为引力常量.2.v1为为发射发射卫星卫星的最小发射速度的最小发射速度,又是卫星进入轨又是卫星进入轨道后最大线速度道后最大线速度(最大环绕速度，最大运行速度最大环绕速度，最大运行速度).？人造卫星的发射速度与运行速度人造卫星的发射速度与运行速度 1 1、发射速度发射速度是指被发射物在地面
7、附近离开发射是指被发射物在地面附近离开发射 装置时的速度装置时的速度,并且一旦发射就再也没有补充能并且一旦发射就再也没有补充能量量,被发射物仅依靠自身的初动能克服地球引力被发射物仅依靠自身的初动能克服地球引力 做功上升一定高度做功上升一定高度,进入运行轨道进入运行轨道.因卫星上升过因卫星上升过程中要克服引力和空气阻力程中要克服引力和空气阻力(在大气层中时在大气层中时)做功做功消耗动能消耗动能,所以卫星越高所以卫星越高,发射速度越大发射速度越大2 2、运行运行速度速度(环绕速度环绕速度)是是指卫星在进入轨道后指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度绕地球做匀速圆周运动的线速度,根据根据 可
8、可知知,卫星越高轨道半径越大卫星越高轨道半径越大,卫星运行速度卫星运行速度(环绕速环绕速度度)就越小就越小,近近 地卫星可认为地卫星可认为v v发发=v=v运运 ,其它较高卫其它较高卫星的星的v v发发v v运运.rV发V环故:第一宇宙速度v1=7.9km/s是近地卫星的发射速度和环绕速度,是人造卫星的最小发射速度最大环绕速度.如果人造地球卫星进入地面附近的轨道速度大如果人造地球卫星进入地面附近的轨道速度大于于7.9km/s7.9km/s，而小于，而小于11.2km/s11.2km/s，它绕地球运动的轨，它绕地球运动的轨迹是迹是椭圆椭圆。当物当物体的速度体的速度(发射速度发射速度)大大于或等于
9、于或等于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。我们把这个速度叫第二宇宙速度。绕地球运行。我们把这个速度叫第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。2.第二宇宙速度（脱离速度）第二宇宙速度（脱离速度）卫星挣脱地球束缚的最小发射速度卫星挣脱地球束缚的最小发射速度达到达到第二宇宙速度第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力的物体还受到太阳的引力 如果物如果物体的体的(发射速度发射速度)速速度等于或大于度等于或大于16.7km/s16.7km/s，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞，物体就摆脱了太阳引力的束
10、缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。我们把这个速度到太阳系以外的宇宙空间去。我们把这个速度叫第三宇宙速度。叫第三宇宙速度。3.第三宇宙速度（逃逸速度）第三宇宙速度（逃逸速度）卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度三个宇宙速度三个宇宙速度V=16.7km/s三三：卫星的轨道卫星的轨道 应用卫星轨道有应用卫星轨道有地球同步轨道、极地球同步轨道、极地轨道和其他轨道，地轨道和其他轨道，如图所示如图所示 （必须（必须以地心为轨以地心为轨道圆心道圆心或焦点。）或焦点。）地地球球同步同步卫星卫星 特点特点:(1)1)角速度角速度 ,周期周期(T=24h)(T=24h)与地球相同与地球相同,
11、是一个恒是一个恒量量.(2)(2)轨道一定轨道一定,在赤道平面上在赤道平面上.(3)距地面高度一定距地面高度一定(h=3.610107 7m)m)（4 4）运动快慢一定（）运动快慢一定（v=3.1km/sv=3.1km/s）即即轨道平面一定轨道平面一定,高度一定高度一定,运动快慢一定运动快慢一定 所谓地球同步卫星是指与地球自转同步所谓地球同步卫星是指与地球自转同步,相对于地面静止的人造卫星相对于地面静止的人造卫星.同步卫星主要应用于通信同步卫星主要应用于通信同步卫星主要应用于通信同步卫星主要应用于通信 极地卫星一般用与侦查和勘测极地卫星一般用与侦查和勘测极地卫星一般用与侦查和勘测极地卫星一般用
12、与侦查和勘测同步卫星图片想一想:哪一个是同步卫星？同步卫星发射过程练习；如图所示的练习；如图所示的a、b、c，其圆心均在地球的，其圆心均在地球的自转轴上，对环绕地球自转轴上，对环绕地球做匀速圆周运动的卫星做匀速圆周运动的卫星的轨道而言，不可能的的轨道而言，不可能的轨道是轨道是。abcc（1）人造卫星在发射升空时，有一段加）人造卫星在发射升空时，有一段加速运动：在返回地面时，有一段减速运动，速运动：在返回地面时，有一段减速运动，这两个过程加速度方向均向上，因而都是这两个过程加速度方向均向上，因而都是超重状态。超重状态。人造卫星的超重与失重人造卫星的超重与失重（2）人造卫星在沿圆轨道运行时，由于万
13、）人造卫星在沿圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力，所以处于完全失重状态，有引力提供向心力，所以处于完全失重状态，在这种情况下凡是与重力有关的力学现象都在这种情况下凡是与重力有关的力学现象都会停止发生。因此，在卫星上的仪器，凡是会停止发生。因此，在卫星上的仪器，凡是制造原理与重力有关的均不能使用，同理，制造原理与重力有关的均不能使用，同理，与重力有关的实验也将无法进行。与重力有关的实验也将无法进行。1人造地球卫星的轨道半人造地球卫星的轨道半径越径越大，大，则（则（）A.速度越小，周期越小速度越小，周期越小B.速度越小，周期越大速度越小，周期越大C.速度越大，周期越小速度越大，周期越小D.速度越
14、大，周期越大速度越大，周期越大B课堂练习2:同步卫星是指相对于地同步卫星是指相对于地面不面不动的人造卫动的人造卫星（星（）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，且离且离地心的距离可按需要选择不同的值地心的距离可按需要选择不同的值B.它可以在地面上任一点的它可以在地面上任一点的正上方，但正上方，但离离地心的距离是一定的地心的距离是一定的C.它只能在赤道的正上方，但离地它只能在赤道的正上方，但离地心的心的距距离可按需要选择不同的值离可按需要选择不同的值D.它只能在赤道的正上方它只能在赤道的正上方，切，切离地心的距离地心的距离是一定的离是一定的D3关于人造地球卫星及其中物体
15、的超重、关于人造地球卫星及其中物体的超重、失重问题，下列说法正确的是（失重问题，下列说法正确的是（）A.在发射过程中向上加速时在发射过程中向上加速时产生超重现象产生超重现象B.在降落过程中向下减速时产在降落过程中向下减速时产生失重现象生失重现象C.进入轨道时作匀速圆周运动，进入轨道时作匀速圆周运动，产生失重现象产生失重现象D.失重是由于地球对卫星内物失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的体的作用力减小而引起的A C4火星有两颗卫星，分别是火卫一和火卫火星有两颗卫星，分别是火卫一和火卫二，它们的轨道近似为圆，已知火卫一的周二，它们的轨道近似为圆，已知火卫一的周期为期为7小时小时39分，火
16、卫二的周期为分，火卫二的周期为30小时小时18分，则两颗卫星相比（分，则两颗卫星相比（）A.火卫一距火星表面较近火卫一距火星表面较近B.火卫二的角速度较大火卫二的角速度较大C.火卫一的运动速度较大火卫一的运动速度较大D.火卫二的向心加速度较大火卫二的向心加速度较大AC5 5火星与地球的质量之比为火星与地球的质量之比为a，半径，半径之比为之比为b，下列说法正确的是，下列说法正确的是()()A.火星表面的第一宇宙速度与地球表火星表面的第一宇宙速度与地球表面第一宇宙速度之比为面第一宇宙速度之比为B.B.火星表面的重力加速度与地球表面火星表面的重力加速度与地球表面的重力加速度之比为的重力加速度之比为
17、C.C.火星表面附近运动的卫星与地球表火星表面附近运动的卫星与地球表面运动的卫星周期之比为面运动的卫星周期之比为 D.D.火星和地球的上空运行的卫星其火星和地球的上空运行的卫星其 的比值为的比值为 ABC6.已知地球的质量约为月球质已知地球的质量约为月球质量的量的81倍倍,地地球半径于约为月球半球半径于约为月球半径的径的4倍倍,在地球上发在地球上发射近地卫星的环绕速度为射近地卫星的环绕速度为7.9km/s,周期为周期为84min,那么在月球上发射一颗近地那么在月球上发射一颗近地卫星的卫星的环绕速度多大环绕速度多大?它的周期多大它的周期多大?解:又又对地球：对地球：v1=7.9km/s 7.9km/sv11.2km/s 时卫星轨时卫星轨道不是圆形而是椭圆。道不是圆形而是椭圆。小结小结:a.第一宇宙速度第一宇宙速度(环绕速度环绕速度)：（对任何天体都适用）（对任何天体都适用）一、人造卫星二、宇宙速度c.第三宇宙速度第三宇宙速度(逃逸速度逃逸速度):v3=16.7km/sb.第二宇宙速度第二宇宙速度(脱离速度脱离速度):v 2=11.2km/s三、同步卫星轨道平面一定轨道平面一定-赤道平面上赤道平面上高度一定高度一定-h=3.58x107m运动快慢一定运动快慢一定-T=24h,v=3.1km/s作业作业