高一物理人造衛(wèi)星 宇宙速度 課件1

1、人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星 宇宙速度宇宙速度 一、人造衛(wèi)星一、人造衛(wèi)星 1衛(wèi)星是一些自然的或人工的在太衛(wèi)星是一些自然的或人工的在太 空中繞行星運(yùn)動的物體空中繞行星運(yùn)動的物體 2人造衛(wèi)星用于通信、導(dǎo)航、收集人造衛(wèi)星用于通信、導(dǎo)航、收集 氣象數(shù)據(jù)和其他許多領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)氣象數(shù)據(jù)和其他許多領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué) 研究研究 地面上的物體，怎樣才能成為人造地球衛(wèi)地面上的物體，怎樣才能成為人造地球衛(wèi) 星呢？星呢？ 300多多 年前，年前， 牛頓提牛頓提 出設(shè)想出設(shè)想 由此可見，人造地球衛(wèi)星運(yùn)行遵從的規(guī)律是：由此可見，人造地球衛(wèi)星運(yùn)行遵從的規(guī)律是： 衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動，地球?qū)πl(wèi)星的衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動，地球?qū)πl(wèi)星的 引力引力

2、就是向心力。就是向心力。 設(shè)地球質(zhì)量為設(shè)地球質(zhì)量為M地 地，半徑為 ，半徑為r。人造地球衛(wèi)星。人造地球衛(wèi)星 在近地圓軌道上運(yùn)行，質(zhì)量為在近地圓軌道上運(yùn)行，質(zhì)量為m衛(wèi) 衛(wèi)，軌道半 ，軌道半 徑為徑為r。那么，在該軌道上做勻速圓周運(yùn)動。那么，在該軌道上做勻速圓周運(yùn)動 的衛(wèi)星的的衛(wèi)星的速度速度v如何推算如何推算？ r vm r mGM 2 2 衛(wèi)衛(wèi)地 約去兩邊的 衛(wèi) m 2 v r GM 地 r MG v 地 對于靠近地面的衛(wèi)星，可以認(rèn)為此時的對于靠近地面的衛(wèi)星，可以認(rèn)為此時的 r 近似等于近似等于 地球半徑地球半徑R地 地，把 ，把r用地球半徑用地球半徑R地 地代入，可以求出： 代入，可以求出：

3、skm sm R GM v /9 . 7 / 1037. 6 1089. 51067. 6 6 2411 1 = = 地 地 這就是人造地球衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓這就是人造地球衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓 周運(yùn)動所必須具有的周運(yùn)動所必須具有的線速度線速度，叫做，叫做第一宇宙速度第一宇宙速度 (環(huán)繞地球表面的速度，又稱環(huán)繞速度環(huán)繞地球表面的速度，又稱環(huán)繞速度)。 近地面的衛(wèi)星的速度近地面的衛(wèi)星的速度 )1089. 5 1037. 6,/1067. 6( 24 6 2211 kgM mRkgmNG = = 地 地 n1.運(yùn)行速度：衛(wèi)星進(jìn)入軌道后繞地運(yùn)行速度：衛(wèi)星進(jìn)入軌道后繞地 球運(yùn)動的線速度

4、球運(yùn)動的線速度 n2.發(fā)射速度：被發(fā)射物在地面附近發(fā)射速度：被發(fā)射物在地面附近 離開發(fā)射裝置時的速度離開發(fā)射裝置時的速度 n注意：因衛(wèi)星上升過程中要克服引注意：因衛(wèi)星上升過程中要克服引 力和空氣阻力（在大氣層中時力和空氣阻力（在大氣層中時），）， 故衛(wèi)星越高，發(fā)射速度就越大故衛(wèi)星越高，發(fā)射速度就越大 V1=7.9km/s地球 V2=11.2km/s V3=16.7km/s 11.2km/sv7.9km/s 1、第一宇宙速度第一宇宙速度：v=7.9km/s (地面附近、勻速地面附近、勻速 圓周運(yùn)動）圓周運(yùn)動） V1=7.9km/s 地球 11.2km/sv7.9km/s 2、第二宇宙速度、第二宇

5、宙速度：當(dāng)物體：當(dāng)物體 的速度大于或等于的速度大于或等于11.2km/s 時，衛(wèi)星就會脫離地球的吸時，衛(wèi)星就會脫離地球的吸 引，不在繞地球運(yùn)行。我們引，不在繞地球運(yùn)行。我們 把這個速度叫把這個速度叫第二宇宙速第二宇宙速度度 (或脫離速度或脫離速度)。達(dá)到第二宇。達(dá)到第二宇 宙速度的物體還受到太陽的宙速度的物體還受到太陽的 引力。引力。 V2=11.2km/s V3=16.7km/s 3、第三宇宙速度、第三宇宙速度：如果物體的速度等于或大于：如果物體的速度等于或大于 16.7km/s，物體就擺脫了太陽引力的束縛，飛到太陽，物體就擺脫了太陽引力的束縛，飛到太陽 系以外的宇宙空間去。這個速度叫系以外

6、的宇宙空間去。這個速度叫第三宇宙速度第三宇宙速度（或或 逃逸速度）。逃逸速度）。 衛(wèi)星運(yùn)行衛(wèi)星運(yùn)行( (圓周軌道圓周軌道) )的物理量的物理量 Main Idea 萬有引力萬有引力 = = 向心力向心力 重力近似重力近似 = =萬有引力萬有引力 基本方程基本方程 輔助方程輔助方程 2 r Mm G r v m 2 ma rm 2 2 r M Ga 3 r M G GM r T 3 2 M vG r A A B B C C 高軌道衛(wèi)星的運(yùn)行速度較高軌道衛(wèi)星的運(yùn)行速度較 小小, ,較容易發(fā)射，對嗎？較容易發(fā)射，對嗎？ v v1 1是最小是最小發(fā)射速度發(fā)射速度， 也是最大也是最大環(huán)繞速度環(huán)繞速度 v

7、 v1 1=7.9km/s=7.9km/s 2 2 T mr 近地衛(wèi)星的周期近地衛(wèi)星的周期 min5 .841007. 5 1089. 51067. 6 )1037. 6( 14. 32 3 2411 36 s s 地 GM r T 3 2 我們能否發(fā)射一顆周期為我們能否發(fā)射一顆周期為 50min的衛(wèi)星呢？的衛(wèi)星呢？ 這種衛(wèi)星繞地球運(yùn)動的角速度這種衛(wèi)星繞地球運(yùn)動的角速度 與地球自轉(zhuǎn)的速度相同，所以與地球自轉(zhuǎn)的速度相同，所以 從地面上看，它總在某地的正從地面上看，它總在某地的正 上方，因此叫地球同步衛(wèi)星。上方，因此叫地球同步衛(wèi)星。 疑問：疑問：為什么北為什么北 京的上空沒有地球同京的上空沒有地球

8、同 步衛(wèi)星？步衛(wèi)星？ 地心地心 o F 問題：同步衛(wèi)星問題：同步衛(wèi)星 的可能軌道的可能軌道 ? ? 請同學(xué)們積極思 考，認(rèn)真分析！ 地球地球同步衛(wèi)同步衛(wèi) 星的實(shí)際軌道星的實(shí)際軌道 地球同步衛(wèi)星的地球同步衛(wèi)星的實(shí)實(shí) 際際軌道為赤道平面軌道為赤道平面 上離地面高度一定上離地面高度一定 的圓軌道的圓軌道 地地 軸軸 地心地心o F km TGM h T h T h h T m h m h 4 2 2 3 2 2 3 2 2 3 2 2 106 . 3R 4 4 GM R 4 GM )(R )(R) 2 ( )(R GM 地 地 地 地 地 地 地衛(wèi) 地 衛(wèi)地 解得 由 設(shè)衛(wèi)星離地面高度為 h 同步衛(wèi)

9、星離地面高度同步衛(wèi)星離地面高度 地球同步衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星能否位于廈門正上方某一確定高度能否位于廈門正上方某一確定高度h ？ 1、周期、周期 T = = 24 h 2、所有同步衛(wèi)星環(huán)繞、所有同步衛(wèi)星環(huán)繞 地球的速度地球的速度(V)都相同。都相同。 3、同步衛(wèi)星在通過赤道的平面上運(yùn)行，、同步衛(wèi)星在通過赤道的平面上運(yùn)行， 離開地面的高度離開地面的高度h為定值。為定值。 T = 23小時小時56分分04秒秒 V = 3千米千米/秒秒 h = 35786千米千米 設(shè)想：設(shè)想：在太空中需要幾顆在太空中需要幾顆 同步衛(wèi)星？同步衛(wèi)星？ 地地 球球 B h H C A O r 單顆衛(wèi)星信號單顆衛(wèi)星信號 所能覆蓋

10、的最大面所能覆蓋的最大面 積為地球總表面的積為地球總表面的 42%左右。地球的左右。地球的 同步衛(wèi)星只能分布同步衛(wèi)星只能分布 在赤道正上方的一在赤道正上方的一 條圓弧上，為了衛(wèi)條圓弧上，為了衛(wèi) 星之間不相互干擾，星之間不相互干擾， 大約大約3度角左右才度角左右才 能放置一顆衛(wèi)星。能放置一顆衛(wèi)星。 空間位置空間位置 也是一種也是一種 資源。資源。 在南北兩極緯度在南北兩極緯度 82以上是盲區(qū)。以上是盲區(qū)。 同步衛(wèi)星 大約大約3 3度角左右才能放置一顆衛(wèi)星，地球的同步度角左右才能放置一顆衛(wèi)星，地球的同步 通訊衛(wèi)星只能有通訊衛(wèi)星只能有120120顆。可見空間位置也是一種資源。顆。可見空間位置也是一種

11、資源。 為了衛(wèi)星之間不互相干擾，為了衛(wèi)星之間不互相干擾， 大約大約3左右才能放置左右才能放置1顆，這樣顆，這樣 地球的同步衛(wèi)星只能有地球的同步衛(wèi)星只能有120顆?？深w。可 見，空間位置也是一種資源。見，空間位置也是一種資源。 h=3.6107m r=4.2107m v=3km/s T=24h h=3.8108m r3.8108m v=1km/s T=27天天 h0 r=6.4106m v=7.9km/s T=84分鐘分鐘 同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星 近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星 月球月球 近地衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、 同步衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、 月球三者比較月球三者比較 Main Idea 神五發(fā)射神五發(fā)射衛(wèi)星發(fā)射的軌跡衛(wèi)星發(fā)射的軌跡 三、人造地球衛(wèi)星的變軌三、人造地球衛(wèi)星的變軌 Main Idea v1 v2 v3 v4 v2v1 v4v3 v1v4 v2v1v4v3 A A B B 已知小圓半徑為已知小圓半徑為R,R,周期周期 為為T,T,大圓半徑為大圓半徑為r,r,你能你能 求出衛(wèi)星從求出衛(wèi)星從A A運(yùn)動到運(yùn)動到B B的的 時間嗎？時間嗎？ 2 3 2 3 2 2 AB T rR T R 試比較下列各處速度和加速度的大小試比較下列各處速度和加速度的大小 a1 = a2 a3 = a4 赤道軌道赤道軌道 極地軌道極地軌道 傾斜傾斜 軌道軌道 同步同步 軌道軌道 自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)軸 衛(wèi)