7.4 宇宙航行 课件-2022-2023学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

7.4 宇宙航行 1 第一课时讲到同步卫星，“梦想成真”部分和6.6节为一课时。 一、人造卫星 1.牛顿的设想： 牛顿曾设想, 从高山上用不同的水平速度抛出物体,速度一次比一次大,则落点一次比一次远,如不计空气的阻力,当速度足够大时, 物体就永远不会落到地面上来。而围绕地球旋转,成为一颗人造地球卫星了。 2.卫星的轨道： （1）.卫星的轨道可以是圆，也可以是椭圆。 （2）.卫星的轨道平面：赤道轨道，极地轨道，倾斜轨道。 地心一定在卫星轨道所在平面上。 赤道轨道 极地轨道 倾斜轨道 思考:同步卫星的轨道属于哪一种？ 天宫一号 卫星类型 近地卫星 离地高度 约370Km 周期 90分钟 风云一号 风云二号 卫星类型 极地卫星 同步卫星 离地高度 20000Km 36000Km 周期 12h 24h 3.对人造卫星分析： （1）.一般情况下，卫星轨道近似是圆轨道。 （2）.任意一颗地球(M)卫星，设轨道半径为r，则： 线速度(v)表达式： 得： 角速度(ω)表达式: 得： 周期(T)表达式: 得： 结论：轨道半径越小，卫星围绕地球转动越快。 二、宇宙速度 问题：地球人造卫星的最大环绕速度是多少？ 设地球的质量为M，绕地球做匀速圆周运动的卫星的质量为m，飞行器的速度为v，它到地心的距离为r由： 解得： 地球半径R=6400km，若是近地卫星，可认为在“地 面附近”飞行，则r≈R，可得v=7.9km/s。 1、第一宇宙速度（最大环绕速度）：v=7.9km/s，物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，也称为“最小发射速度”。 说明： （1）发射速度：卫星在地面附近离开发射火箭的初速度。假若卫星发射后不再补充能量，那么要发射一颗人造地球卫星，其发射速度就不能小于第一宇宙速度； （2）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（向心运动）； （3）等于7.9km/s，卫星刚好在地球表面附近作匀速圆周运动。 V = 7.9km/s V = 11.2 km/s 11.2 km/s >V > 7.9 km/s V = 16.7 km/s 2、第二宇宙速度（脱离速度）　 当v=11.2km/s时，卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运行人造卫星的最小发射速度。 如果人造天体的速度大于11.2km/s而小于16.7km/s，则它成为太阳的卫星。 3、第三宇宙速度（逃逸速度） v=16.7km/s是卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。 如果人造天体具有这样的速度，就可以摆脱地球和太阳引力的束缚而飞到太阳系外。 10 10 1、地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星，和地球具有相同周期的卫星，T＝24h。 2、同步卫星的高度：所有的同步卫星只能分布在赤道正上方的一个确定轨道上 。 h 设同步卫星轨道高度是h 三、地球同步卫星 (1)运行方向一定：同步卫星的运行方向与地球自转方向一致； (2)周期一定：同步卫星的运转周期与地球自转周期相同； (3)轨道平面一定：同步卫星的轨道平面均在赤道平面上， 即所有的同步卫星都在赤道的正上方； (4)高度一定：距离地面的高度一定（约距地面36000km） (5)速率一定：约为3.1km/s。 3、同步卫星的五个“一定” 4、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 同步卫星也叫做通信卫星 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。 四、卫星变轨 v F引 F引=Fn F引Fn F引Fn 卫星在某一点，由于加速或者减速，离开圆轨道，做离心运动或近心运动，都属于卫星变轨。 v F引 F引=Fn F引Fn F引Fn 1.制动变轨：卫星做近心运动，轨道半径减小，卫星减速。 2.加速变轨：卫星做离心运动，轨道半径增大，卫星速度瞬时增大离心过程中速度不断变小。 五、同步卫星发射与回收 1. V2P 2. V2Q 2. L 3. 3.同步轨道 1.圆轨道 2.轨道 Q P 1.卫星发射： 1.比较卫星在1轨道通过P点时的a1向和2轨道通过P点时的a2向的大小关系？ 无论卫星在1轨道P点，还是2轨道P点，万有引力是相等的，并且全部提供做向心力，故a1向=a2向 2.比较卫星在 1轨道通过P点的速度为v1 2轨道通过P点的速度为v2P，2轨道通过P点的速度为v2Q 3轨道速度v3 的大小关系？ 卫星回收过程是卫星发射的逆过程： A B 卫星经过2，3轨道交点A时减速，做近心运动进入椭圆轨道； 经过1，2轨道交点B时再次减速，做近心运动进入圆轨道1；