人造衛(wèi)星專題發(fā)射回收變軌

關(guān)于人造衛(wèi)星專題發(fā)射回收變軌第1頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三探究問題一：（1）如圖所示，a、b、c三軌道中可以作為衛(wèi)星軌道的是哪一條？abc提示：衛(wèi)星作圓周運(yùn)動的向心力必須指向地心第2頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三一.一般人造衛(wèi)星的知識1.軌道平面與地軸間的夾角可以是任意的.但該平面一定通過地球球心.第3頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三衛(wèi)星的軌道赤道軌道極地軌道其他軌道第4頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三2、衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動所需的向心力由萬有引力提供:線速度、角速度、周期、向心加速度與半徑的關(guān)系：第5頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三思考：對于繞地球運(yùn)動的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越（2）離地面越高，線速度越（3）離地面越高，周期越（4）離地面越高，角速度越（5）離地面越高，向心加速度越小大小小小第6頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三探究問題二：（1）如圖所示，a、b、c三軌道中可以作為衛(wèi)星軌道的是哪一條？abc（2）這三條軌道中哪一條軌道中的衛(wèi)星可能和地球自轉(zhuǎn)同步？第7頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三二.同步衛(wèi)星1.定義:相對地面靜止的,和地球具有相同周期的衛(wèi)星.。第8頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三二.同步衛(wèi)星2.同步衛(wèi)星的軌道分析同步衛(wèi)星要定點(diǎn)在赤道上方分析：若同步衛(wèi)星位于赤道平面外的某一點(diǎn),則地球?qū)λ娜f有引力F可分為一個繞地球地軸旋轉(zhuǎn)的向心力F1,和一個使衛(wèi)星向赤道平面運(yùn)動的力F2,使衛(wèi)星向赤道平面運(yùn)動。FF1F2地軸赤道第9頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三二.同步衛(wèi)星3.計算同步衛(wèi)星高度萬有引力提供向心力同步通訊衛(wèi)星軌道半徑：h+R=4.2第10頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三二.同步衛(wèi)星4.同步衛(wèi)星的線速度..解：萬有引力提供向心力故=由此解出v=將地球質(zhì)量 M及 軌道半徑r帶入第11頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三5.幾個問題1）、人造衛(wèi)星為何向東發(fā)射？2）、至少幾顆衛(wèi)星才能覆蓋整個赤道？為了衛(wèi)星之間不互相干擾，大約30左右才能放置1顆，這樣地球的同步衛(wèi)星只能有120顆。可見，空間位置也是一種資源。三顆同步衛(wèi)星反射信號可以覆蓋整個赤道第12頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三三.人造地球衛(wèi)星中的超重和失重1.發(fā)射過程2.回收過程3.進(jìn)入正常圓軌道第13頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三三、人造衛(wèi)星的超重和失重1、發(fā)射和回收階段發(fā)射加速上升超重回收減速下降超重2、沿圓軌道正常運(yùn)行只受重力a=g完全失重與重力有關(guān)的現(xiàn)象全部消失天平彈簧秤測重力液體壓強(qiáng)計注意：無論哪種狀態(tài)都是視重的變化，其重力不變。第14頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三四.衛(wèi)星變軌衛(wèi)星的變軌問題由萬有引力與向心力的大小比較判斷得出：F＞mv2/r

衛(wèi)星做近心運(yùn)動

F＜mv2/r

衛(wèi)星做離心運(yùn)動

由于技術(shù)上的原因，衛(wèi)星的發(fā)射往往要分幾個階段，經(jīng)過多次變軌后才能定點(diǎn)于預(yù)定的位置。第15頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三視頻第16頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三v1v2v3v4例

如圖所示，某次發(fā)射同步衛(wèi)星時，先進(jìn)入一個近地的圓軌道，然后在P點(diǎn)點(diǎn)火加速，進(jìn)入橢圓形轉(zhuǎn)移軌道（該橢圓軌道的近地點(diǎn)為近地圓軌道上的P，遠(yuǎn)地點(diǎn)為同步軌道上的Q），到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)時再次自動點(diǎn)火加速，進(jìn)入同步軌道。設(shè)衛(wèi)星在近地圓軌道上運(yùn)行的速率為v1，在P點(diǎn)短時間加速后的速率為v2，沿轉(zhuǎn)移軌道剛到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)Q時的速率為v3，在Q點(diǎn)短時間加速后進(jìn)入同步軌道后的速率為v4。試比較v1、v2、v3、v4的大小，并用小于號將它們排列起來______。第17頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三v1v2v3v4PQ解答:根據(jù)題意有v2>v1,v4>v3

而v1、v4是繞地球做勻速圓周運(yùn)動的人造衛(wèi)星的線速度，由下式知v1>v4故結(jié)論為v2>v1>v4>v3

衛(wèi)星沿橢圓軌道由P→Q運(yùn)行時，由機(jī)械能守恒可知，其重力勢能逐漸增大，動能逐漸減小，因此有v2>v3

衛(wèi)星的回收實際上是衛(wèi)星發(fā)射過程的逆過程第18頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三1、圓軌道（低）圓軌道（高）（1）低軌道到高軌道：增大速度變軌，（2）高軌道到低軌道：減小速度變軌，PQ123第19頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三2、橢圓軌道圓軌道（1）遠(yuǎn)地點(diǎn)處變軌：速度增大進(jìn)入高軌道。（2）近地點(diǎn)處變軌：速度減小進(jìn)入低軌道。PQ123第20頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三飛船變軌【例】發(fā)射地球同步衛(wèi)星時,先將衛(wèi)星發(fā)射到近地圓軌道1,然后點(diǎn)火,使其沿橢圓軌道2運(yùn)行,最后再次點(diǎn)火,將衛(wèi)星送入同步圓軌道3.軌道1,2相切于Q點(diǎn),軌道2,3相切于P點(diǎn),如圖所示,則當(dāng)衛(wèi)星分別在1,2,3軌道上正常運(yùn)行時,下列說法中正確的是:

()

A.衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率

B.衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度

C.衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點(diǎn)時的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過Q點(diǎn)時的加速度

D.衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點(diǎn)時的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過P點(diǎn)時的加速度BD第21頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三解：不正確。應(yīng)為

,得⑵請根據(jù)已知條件再提出兩種估算地球質(zhì)量的方法并解得結(jié)果。解：由

，得或由,得啟示：注意把握知識間的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)。【例】（2004年廣東卷）已知萬有引力常量G，地球半徑R，月球繞地球運(yùn)動的軌道半徑為r，同步衛(wèi)星距地面的高度h，月球繞地球的運(yùn)轉(zhuǎn)周期T1，地球的自轉(zhuǎn)周期T2，地球表面的重力加速度g。某同學(xué)根據(jù)以上條件，提出一種估算地球質(zhì)量M的方法：同步衛(wèi)星繞地球作圓周運(yùn)動，由

,得⑴請判斷上面的結(jié)果是否正確，并說明理由。如不正確，請給出正確的解法和結(jié)果。第22頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三再見!第23頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三第24頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三宇宙航行第25頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三思考下列問題1.月球也要受到地球引力的作用，為什么月亮不會落到地面上來？

2.什么叫做人造地球衛(wèi)星？

3.子彈從槍膛射出，其軌跡如何?4.物體做平拋運(yùn)動時，飛行的距離與飛行的水平初速度有何關(guān)系?5.若拋出物體的水平初速度足夠大，物體將會怎樣？

第26頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三牛頓人造衛(wèi)星原理圖牛頓的思考與設(shè)想：拋出的物體速度v越大時，落地點(diǎn)越遠(yuǎn)，速度不斷增大，將會成為人造衛(wèi)星牛頓和你們的想法一樣，曾依據(jù)平拋現(xiàn)象猜想了衛(wèi)星的發(fā)射原理，但他沒有看到他的猜想得以實現(xiàn)。第27頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三牛頓的設(shè)想過程第28頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三法一：萬有引力提供物體作圓周運(yùn)動的向心力法二：重力提供物體作圓周運(yùn)動的向心力探究問題一：以多大的速度拋出這個物體，它才會繞地球表面運(yùn)動，不會落下來？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2

,地球質(zhì)量M=5.89×1024kg,地球半徑R=6400km)

（若已知地球表面重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km）第29頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三一宇宙速度1、第一宇宙速度（環(huán)繞速度）v1=7.9km/s．它是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動所必須具備的速度．說明：（１）如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)；

（２）等于這個速度，衛(wèi)星剛好能在地球表面附近作勻速圓周運(yùn)動；第30頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三牛頓的設(shè)想過程第31頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三

（3）如果大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛(wèi)星將沿橢圓軌道繞地球運(yùn)行，地心就成為橢圓軌道的一個焦點(diǎn)．

第32頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三２、第二宇宙速度（脫離速度）

這是衛(wèi)星掙脫地球的引力束縛，成為繞太陽運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度．如果人造天體的速度大于11.2km/s而小于16.7km/s，則它的運(yùn)行軌道相對于太陽將是橢圓，太陽就成為該橢圓軌道的一個焦點(diǎn)．v2=11.2km/s第33頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三3、第三宇宙速度（逃逸速度）

這是衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度．如果人造天體具有這樣的速度，就可以擺脫地球和太陽引力的束縛而飛到太陽系外了．而成為人造恒星v3=16.7km/s第34頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三一、宇宙速度1、第一宇宙速度：

(環(huán)繞速度）

V1=7.9km/s地球11.2km/s>v>7.9km/s2、第二宇宙速度：

(脫離速度)V2=11.2km/sV3=16.7km/s3、第三宇宙速度：（逃逸速度）→人造行星→人造恒星人造衛(wèi)星第35頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三近地衛(wèi)星r↗

v↘其它衛(wèi)星

二、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度和運(yùn)行速度

發(fā)射速度與運(yùn)行速度是兩個不同的概念．

（1）發(fā)射速度：指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時的初速度，并且一旦發(fā)射后就再無能量補(bǔ)充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克服地球引力上升一定的高度，進(jìn)入運(yùn)動軌道．

（2）環(huán)繞速度：是指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動的線速度．當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面運(yùn)行時，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度．

第36頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三（3）發(fā)射速度和衛(wèi)星繞地旋轉(zhuǎn)的速度是不是同一速度？發(fā)射速度大說明什么？衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)速度大又說明什么？學(xué)生思考：（1）將衛(wèi)星送入低軌道和送入高軌道哪一個更容易？為什么？（2）所需要的發(fā)射速度，哪一個更大？為什么？向高軌道發(fā)射衛(wèi)星時，火箭須克服地球?qū)λ囊Χ龈嗟墓Γ瑢鸺囊蟾咭恍?，所以比較困難。第37頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三第一宇宙速度是最大環(huán)繞速度還是最小的環(huán)繞速度？探究問題三：第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度,也是最大的環(huán)繞速度結(jié)論:第38頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三能否發(fā)射一顆周期為80min的人造地球衛(wèi)星？

探究問題四：第39頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三

近地衛(wèi)星的周期最小我們不能發(fā)射一顆周期為80min的衛(wèi)星第40頁，講稿共43頁，2023年5月2日，星期三解1：萬有引力提供向心力

故=由此解出v=

若已知近地衛(wèi)星在“地面附近”飛行，可以用地球半徑R代表衛(wèi)星到地心的距離r，地球半徑R