高一物理必修二第三章第4节(人造卫星、宇宙速度)课件.ppt

1、1、了解人造卫星的相关知识；了解人造卫星的相关知识；2、掌握人造卫星的运行规律；掌握人造卫星的运行规律；3、知道三个宇宙速度，并能计算第一宇宙知道三个宇宙速度，并能计算第一宇宙 速度；速度；4、通过了解人造卫星的运行原理，认识万通过了解人造卫星的运行原理，认识万 有引力定律对科学发展所起的作用；有引力定律对科学发展所起的作用；课时一课时一1、什么是卫星什么是卫星 ? 什么是人造卫星什么是人造卫星 ? 3、什么是同步卫星什么是同步卫星 ? 什么是近地卫星什么是近地卫星 ? 2、怎样计算卫星的绕行速度、周期、角速度、怎样计算卫星的绕行速度、周期、角速度 ?4、什么是宇宙速度什么是宇宙速度 ? 怎样

2、计算第一怎样计算第一宇宙速度宇宙速度 ? 一、什么是卫星一、什么是卫星 ? 什么是人造卫星什么是人造卫星 ? 1 1卫星：卫星：一些自然的或人工制造的、能在太空中绕一些自然的或人工制造的、能在太空中绕行星运动的物体。行星运动的物体。2 2人造卫星：人造卫星：人类应用火箭技术结合各种先进技术，发人类应用火箭技术结合各种先进技术，发射到太空中的用于通信、导航、收集气象数据射到太空中的用于通信、导航、收集气象数据和其他许多领域内进行科学研究的绕地球运动和其他许多领域内进行科学研究的绕地球运动的仪器。的仪器。3、人造卫星的运行规律：（、人造卫星的运行规律：（v、w、T）地球对卫星的万有引力提供卫星做圆

3、周运动地球对卫星的万有引力提供卫星做圆周运动的向心力。的向心力。22222(2)2(mvmmrfrTrmGmrMr 232MmGmrMrGr 2322()2MmGmrrTGMTr 22MmvGGMvmrrr 说明：说明：人造卫星的轨道可以是圆也可以是椭圆，人造卫星的轨道可以是圆也可以是椭圆，只有是圆的时候上述规律才适用只有是圆的时候上述规律才适用。 由于万有引力始终指向地心，所以卫由于万有引力始终指向地心，所以卫星星的轨道平面必过地心的轨道平面必过地心。一般卫星一般卫星极地卫星极地卫星赤道卫星赤道卫星 地面上的物体，怎样才能成为地面上的物体，怎样才能成为绕地球表面绕地球表面运动的人造地卫星呢？

4、运动的人造地卫星呢？ 发射速度不能小于发射速度不能小于7.9km/s播放播放怎样计算这个最小发射速度呢？（设地球质怎样计算这个最小发射速度呢？（设地球质量为量为M，半径为，半径为R，引力常量为，引力常量为G）RvRMmG22m62421104 . 61061067. 6RGMvsm/k9 . 7这样的卫星轨道半径为多少？这样的卫星轨道半径为多少？ 轨道半径为地球的半径即轨道半径为地球的半径即r=R地地绕地球表面绕地球表面（表面附近）运行的卫星我们把它称为（表面附近）运行的卫星我们把它称为近地卫星近地卫星7.9km/s等于近地卫星的运行速度。等于近地卫星的运行速度。7.9km/s是发射人造卫星的

5、是发射人造卫星的最小发射速度最小发射速度。（若小于（若小于7.9km/s则地球引力大于卫星所需要则地球引力大于卫星所需要的向心力，卫星将落回地面）的向心力，卫星将落回地面）22MmvGGMvmrrr 由由 知知r越大，越大，v越小，越小，r越小，越小，v越大。越大。则则7.9km/s是卫星最大的运行速度是卫星最大的运行速度。62421104 . 61061067. 6RGMvsm/k9 . 7第一宇宙速度第一宇宙速度二、什么是宇宙速度二、什么是宇宙速度? 1、第一宇宙速度（、第一宇宙速度（）：）：；（能够使卫星环绕地球运行所需的最小发射速度）（能够使卫星环绕地球运行所需的最小发射速度）怎样求解

6、第一宇宙速度？怎样求解第一宇宙速度？RvRMmG22mRGMvRvg交流讨论交流讨论 怎样得到的？怎样得到的？22MmmgGRMgGR 2GMgR gRRRRGMv2g3 3、第三宇宙速度（、第三宇宙速度（）：）：；（卫星挣脱太阳束缚所需的，在地球表面发射的最（卫星挣脱太阳束缚所需的，在地球表面发射的最小速度）小速度）2 2、第二宇宙速度（、第二宇宙速度（）：）：； （卫星挣脱地球束缚所需的，在地球表面发射的最小（卫星挣脱地球束缚所需的，在地球表面发射的最小速度）速度）三、什么是三、什么是同步同步卫星？它有怎样的特点？卫星？它有怎样的特点？1、运行方向一定。（运行方向一定。（与地球自转方向一致

7、）与地球自转方向一致）2、周期和角速度一定。（、周期和角速度一定。（运行周期与地球自运行周期与地球自转周期相同转周期相同T24 h）地球同步卫星的特点（地球同步卫星的特点（5个一定）个一定） 所谓地球同步卫星是指相对于地面静所谓地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星止的人造卫星轨道高度一定。（轨道高度一定。（所有的同步卫星的轨道高所有的同步卫星的轨道高度为一个定值，即度为一个定值，即所有的同步卫星处在同一轨所有的同步卫星处在同一轨道上道上） 2232224MmGMTGmR hhRTR h 解解得得: :代入数据得：代入数据得：h=3.6107(m)3、轨道一定、轨道一定轨道平面一定。（轨道平

8、面一定。（要与地球同步，要与地球同步，同步卫星同步卫星的轨道平面必须与赤道平面共面，的轨道平面必须与赤道平面共面，即即所有同步所有同步卫星都在赤道的正上方）卫星都在赤道的正上方）5、向心加速度一定。、向心加速度一定。4、速度一定。、速度一定。解得：解得： 一定一定hRGMv22222(2)2(mvmmrfrTrmGmrMr 22( )( )MmGma ga grMGr 22()()M mGm agagrMGr 22222(2)2(mvmmrfrTrmGmrMr 22222(2)2(mvmmrfrTrmGmrMr =hRvhRMmG22m由由1、为了同步卫星之间不互相干扰，大约、为了同步卫星之间

9、不互相干扰，大约3左右左右才能放置才能放置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120颗。可见，空间位置也是一种资源。颗。可见，空间位置也是一种资源。2、同步卫星主要用于、同步卫星主要用于通讯。要实现全球通通讯。要实现全球通讯，只需三颗同步卫讯，只需三颗同步卫星即可。星即可。人造卫星以地心为圆心做匀速圆周人造卫星以地心为圆心做匀速圆周运动，下列说法正确的是运动，下列说法正确的是( () ) A.半径越大，速率越大，周期越小半径越大，速率越大，周期越小 B.半径越大，速率越小，周期越大半径越大，速率越小，周期越大 C.所有卫星的角速度相同，与半径无关所有卫星的角速度相同，与半

10、径无关 D.所有卫星的速率均相同，与半径无关所有卫星的速率均相同，与半径无关 如图所示，如图所示，a a、b b、c c是大气层外圆形轨是大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星，道上运行的三颗人造地球卫星，a a、b b质量相同质量相同且小于且小于c c的质量，下面说法正确的是的质量，下面说法正确的是( () )A Ab b、c c的线速度大小相等且大于的线速度大小相等且大于a a的线速度的线速度B Bb b、c c的向心加速度相等且大于的向心加速度相等且大于a a的向心加速度。的向心加速度。C. C. b b、c c的周期相等且大于的周期相等且大于a a的周期。的周期。D Db b、c c

11、的向心力相等且大于的向心力相等且大于a a的向心力。的向心力。Cabc人造卫星的天线偶然折断，天线人造卫星的天线偶然折断，天线 将做（将做（ ） A.A.自由落体运动自由落体运动 B.B.平抛运动平抛运动 C.C.远离地球飞向太空远离地球飞向太空 D.D.继续和卫星一起沿轨道运转继续和卫星一起沿轨道运转 下列关于同步通信卫星的说法中不下列关于同步通信卫星的说法中不正确的是正确的是 ( () )A A同步通信卫星和地球自转同步卫星的高度和速率同步通信卫星和地球自转同步卫星的高度和速率都是确定的。都是确定的。B B同步通信卫星的角速度虽已被确定，但高度和速同步通信卫星的角速度虽已被确定，但高度和速

12、率可以选择高度增加，速率增大。高度降低，率可以选择高度增加，速率增大。高度降低，速率减小，仍同步。速率减小，仍同步。C C我国发射第一颗人造地球卫星的周期是我国发射第一颗人造地球卫星的周期是114 min114 min， 比同步通信卫星的周期短，所以第一颗人造卫星比同步通信卫星的周期短，所以第一颗人造卫星离地面的高度比同步卫星低离地面的高度比同步卫星低D D同步通信卫星的运行速率比我国发射的第一颗人同步通信卫星的运行速率比我国发射的第一颗人造卫星的运行速率小造卫星的运行速率小B金星的半径是地球的金星的半径是地球的0.950.95倍，质量为地倍，质量为地球的球的0.820.82倍，已知地球的第一

13、宇宙速度为倍，已知地球的第一宇宙速度为7.97.9km/skm/s则金星的第一宇宙速度是多大则金星的第一宇宙速度是多大 ? ?设地球半径为设地球半径为R R，金星的半径为，金星的半径为R R=0.95=0.95R R，地球质量为地球质量为M M，金星质量，金星质量M M =0.82=0.82m m，金星的第金星的第一宇宙速度为一宇宙速度为v v1 1，则由题可得：，则由题可得：对地球：对地球：RvRMmG22m对金星：对金星：RvRMmG212msRGMRGMvv/km3 . 79 . 795. 082. 095. 082. 095. 082. 01sRGMv/km9 . 7得：得：得：得：课

14、时二课时二1、理解掌握近地卫星、同步卫星和赤道上、理解掌握近地卫星、同步卫星和赤道上 随地球自转的物体三种匀速圆周运动的随地球自转的物体三种匀速圆周运动的 异同。异同。2、同步卫星变轨问题的分析与处理。、同步卫星变轨问题的分析与处理。3、掌握双星问题的处理方法。、掌握双星问题的处理方法。一、近地卫星、同步卫星和赤道上随地球一、近地卫星、同步卫星和赤道上随地球 自转的物体三种匀速圆周运动的异同自转的物体三种匀速圆周运动的异同动力学规律动力学规律：近地卫星和同步卫星都只受万：近地卫星和同步卫星都只受万有引力作用，满足万有引力充当向心力所决有引力作用，满足万有引力充当向心力所决定的天体运行规律。赤道

15、上的物体由万有引定的天体运行规律。赤道上的物体由万有引力的分力充当向心力力的分力充当向心力) )，它的运动规律不同，它的运动规律不同于卫星的运动规律于卫星的运动规律比较方法：比较方法：同步卫星与赤道上物体比较。同步卫星与赤道上物体比较。同步卫星与近地卫星比较。同步卫星与近地卫星比较。1 1、轨道半径、轨道半径：近地卫星与赤道上物体的轨道半径：近地卫星与赤道上物体的轨道半径相同，同步卫星的轨道半径较大。相同，同步卫星的轨道半径较大。r r同同 r r近近r r物物3 3近近同同物物：同同步步卫卫星星的的周周期期与与地地球球表表面面上上物物体体的的周周期期相相同同，r r由由T T = = 2 2

16、知知：近近地地卫卫星星的的周周期期小小于于同同步步卫卫星星的的周周期期，有有G GM MT T TT近近 （ 轨轨道半径大的周期就大，所以道半径大的周期就大，所以T T同同 TT近近 ） 3 3、角速度、角速度：W W近近 W W同同W W物物 （由（由 知：轨道知：轨道半径大的角速度就小，所以半径大的角速度就小，所以 W W近近 W W同同 ）232MmGmrMrGr 4 4、线速度、线速度：V V近近 V V同同 V V物物 （由（由V=rwV=rw知：角速度知：角速度相同，轨道半径大的线速度就大，所以相同，轨道半径大的线速度就大，所以 V V同同 V V物物 。由由 知知轨道半径大的线速

17、度就小，所以轨道半径大的线速度就小，所以V V近近 V V同同）22MmvGGMvmrrr 22()()M mGm agagrMGr 22( )( )MmGma ga grMGr =5 5、向心加速度：、向心加速度： 由由 知：知： 知：知： 近地卫星、同步卫星和赤道上随地球近地卫星、同步卫星和赤道上随地球自转的物体向心力来源不一样，切不可把它自转的物体向心力来源不一样，切不可把它们看成同类型的圆周运动来比较。们看成同类型的圆周运动来比较。二、同步卫星变轨问题的分析与处理。二、同步卫星变轨问题的分析与处理。若供需，供求平衡若供需，供求平衡物体做匀速圆周运动物体做匀速圆周运动若供需，供不应求若供

18、需，供不应求物体做离心运动物体做离心运动若供需，供过于求若供需，供过于求物体做向心运动物体做向心运动pQABC 同步卫星的发射和回收过程一般需要对卫星加速或同步卫星的发射和回收过程一般需要对卫星加速或减速，使其变轨，并逐步把卫星送到更高的轨道或更低减速，使其变轨，并逐步把卫星送到更高的轨道或更低的轨道，从而达到卫星的发射和回收。如下图的轨道，从而达到卫星的发射和回收。如下图:先把卫星先把卫星送到离地面较低的圆轨道送到离地面较低的圆轨道A，在，在P点经过点火加速，把卫点经过点火加速，把卫星送到椭圆轨道星送到椭圆轨道B，然后在，然后在Q点再次加速，把卫星送到点再次加速，把卫星送到同步卫星轨道上。同

19、步卫星轨道上。VAP VBPVBQ VCQVCQ VAPVAQ VCQ VAP VBPAP= =BPBQ= =CQCQ APBQ= =CQ AP= =BP 变轨问题比较切点速度时不能直接由变轨问题比较切点速度时不能直接由此处此处 （ ）来比较。）来比较。它只它只适用圆轨道的比较，椭圆轨道不适用。关键适用圆轨道的比较，椭圆轨道不适用。关键看是加速还是减速来比较。看是加速还是减速来比较。同样比较切点处加速度时也不能用同样比较切点处加速度时也不能用 来比较。关键看此处的合力，即要用来比较。关键看此处的合力，即要用 来比较。来比较。 rvMmG22mrrGMv22222(2)2(mvmm rfrTrm

20、Gm rMr 22()()M mGm agagrMGr =22( )( )MmGma ga grMGr 22()()M mGm agagrMGr =注意：注意：思考：同一轨道运行的两颗卫星，其中一颗思考：同一轨道运行的两颗卫星，其中一颗 加加 速或减速，两卫星会相撞吗？为什么？速或减速，两卫星会相撞吗？为什么？A A卫星在轨道卫星在轨道B B上由上由P P向向Q Q运动的过程中速率越运动的过程中速率越来越小来越小B B卫星在轨道卫星在轨道C C上经过上经过Q Q点的速率大于在轨道点的速率大于在轨道A A上经过上经过P P点的速率点的速率C C卫星在轨道卫星在轨道B B上经过上经过P P点时的向

21、心加速度与点时的向心加速度与在轨道在轨道A A上经过上经过P P点的向心加速度是相等的点的向心加速度是相等的D D卫星在轨道卫星在轨道B B上经过上经过Q Q点时受到地球的引力点时受到地球的引力小于经过小于经过P P点时受到地球的引力点时受到地球的引力【练习练习】 如上图所示，轨道如上图所示，轨道A A与轨道与轨道B B相切于相切于P P点，轨道点，轨道B B与轨道与轨道C C相切于相切于Q Q点，以下说法正点，以下说法正确的是确的是( ( ) )ACACD D三、双星问题的分析与处理三、双星问题的分析与处理 两颗离得很近的恒星称为双星，这两颗星两颗离得很近的恒星称为双星，这两颗星必须以一定速

22、率绕某一中心转动，才不至于由必须以一定速率绕某一中心转动，才不至于由于万行引力作用而吸引在一起。已知质量分别于万行引力作用而吸引在一起。已知质量分别为为m ml l、m m2 2，相互之间的距离为，相互之间的距离为L L，引力常量为，引力常量为G.G.试求这两颗星转动中心的位置距试求这两颗星转动中心的位置距m m2 2的距离的距离 这两颗星的转动线速度。这两颗星的转动线速度。om m1 1m m2 2特点：特点：m1、m2周期角速度相等。周期角速度相等。m1、m2向心力大小相等，向心力大小相等， 为它们之间的万有引力。为它们之间的万有引力。解析：解析：设设m m1 1、m m2 2做圆周运动的

23、半径分别为做圆周运动的半径分别为r r1 1、r r2 2, ,角速度均为角速度均为。根据题意有：根据题意有： r r1 1+r+r2 2=L =L 根据万有引力定律和牛顿运动定律根据万有引力定律和牛顿运动定律, ,有：有：211221wrmmmLG222221wrmmmLG2211rmrm由由解得：解得：r r1 1= r= r2 2= = Lmmm212Lmmm2111211221vrmmmLG2222221vrmmmLG212212212vmmLGmLmmmLmG211211122vmmLGmLmmmLmG【练习练习】（08宁夏理综宁夏理综23)天文学家将相距较近、天文学家将相距较近、仅

24、在彼此的引力作用下运行的两颗恒星称为双仅在彼此的引力作用下运行的两颗恒星称为双星星.双星系统在银河系中很普遍双星系统在银河系中很普遍.利用双星系统中利用双星系统中两颗恒星的运动特征可推算出它们的总质量两颗恒星的运动特征可推算出它们的总质量.已已知某双星系统中两颗恒星围绕它们连线上的某知某双星系统中两颗恒星围绕它们连线上的某一固定点分别做匀速圆周运动一固定点分别做匀速圆周运动,周期均为周期均为T,两颗两颗恒星之间的距离为恒星之间的距离为r,试推算这个双星系统的总质试推算这个双星系统的总质量量.（万有引力常量为（万有引力常量为G）解析：解析：设两颗恒星的质量分别为设两颗恒星的质量分别为m1、m2,做圆做圆周运动的半径分别为周运动的半径分别为r1、r2,角速度均为角速度均为。根据根据题意有：题意有：r1+r2=r 根据万有引力定律和牛顿运动定律有：根据万有引力定律和牛顿运动定律有： 联立联立式解得：式解得：T221根据角速度与周期的关系知根据角速度与周期的关系知道：道：3224rGT联立联立式解得：式解得：m1 + m2 =1211221rmrmmG2222221rmrmmGGrrrmm/)(2212121