29同步卫星分析.ppt

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1、同步卫星同步卫星1、环绕速度：、环绕速度：2、角速度：、角速度：3、周期：、周期：4、加速度：、加速度：推导人造卫星的环绕速度推导人造卫星的环绕速度(即线速度即线速度)、角速、角速度度、周期、周期T、加速度和轨道半径、加速度和轨道半径 的关系式的关系式一整套数据一整套数据r、v、TrvT小小结结：人造人造卫卫星的星的线线速度大小速度大小v、周期、周期T，角速度角速度、加速度、加速度a与与轨轨道半径道半径r是一一是一一对应对应的，的，轨轨道半径确定后，另外四个量也就唯一确定了道半径确定后，另外四个量也就唯一确定了。注意：注意：向心力向心力=万有引力，与万有引力，与卫卫星星质质量有关。量有关。【新

2、新课课学学习习】一、人造一、人造卫卫星的星的轨轨道道人造卫星的轨道人造卫星的轨道按轨道倾角分为：按轨道倾角分为：赤道轨道赤道轨道、极地轨道极地轨道和和倾斜轨道倾斜轨道。人造地球人造地球卫卫星星绕绕地球运行的地球运行的轨轨道是一条封道是一条封闭闭的曲的曲线线（圆圆或或椭圆椭圆）。）。这这条封条封闭闭曲曲线线形成的平面叫人造形成的平面叫人造地球地球卫卫星的星的轨轨道平面道平面，轨轨道平面道平面总总是通是通过过地心的。地心的。以下两种以下两种卫卫星的星的轨轨道都是道都是圆圆形的。形的。1.近地近地卫卫星星近地近地卫卫星的星的轨轨道半径道半径r 地球半径地球半径R；其其环绕环绕速度速度v=7.9km/

3、s；由此可得，由此可得，卫卫星的周期星的周期T=它们分别是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星它们分别是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星理论上的理论上的最大线速度最大线速度和和最小周期最小周期。2、地球同步、地球同步卫卫星星从地面上看，它是从地面上看，它是“静止的静止的”。地球同步。地球同步卫卫星星跟地跟地球有相同的周期球有相同的周期，相同的角速度相同的角速度，相，相对对地球是静地球是静止的止的（因此又叫静止（因此又叫静止轨轨道道卫卫星）星）。轨轨道平面与地道平面与地球的赤道平面重合球的赤道平面重合。F万万F向向F同步卫星在北半球（南半同步卫星在北半球（南半球）定不住，同步不了球）定不住，同步不了F万

4、万=F向向同步卫星只能在同步卫星只能在赤道圈上赤道圈上空空才能定得住，才能同步才能定得住，才能同步例例1、已知地球、已知地球质质量量为为M，半径，半径为为R，自，自转转周期周期为为T，地球同步，地球同步卫卫星星质质量量为为m，引力常量，引力常量为为G.求：同步求：同步卫卫星离地面的高度星离地面的高度h是多少？是多少？小小结结：地球同步：地球同步卫卫星的特点星的特点（1）周期）周期 ；（2）角速度）角速度 ；（3）环绕环绕速度速度 ；（4）向心加速度向心加速度 ；（4）轨轨道平面道平面 ；（5）高度）高度 例例2.关于同步关于同步卫卫星的下列星的下列说说法中正确的是法中正确的是()A运行速度大于

5、运行速度大于7.9 km/s B离地面高度一定，相离地面高度一定，相对对地面静止地面静止C绕绕地球运行的角速度比月球地球运行的角速度比月球绕绕地球运行的角地球运行的角速度大速度大D向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等度大小相等 比比较较：赤道上的物体和同步：赤道上的物体和同步卫卫星星 相同点：相同点：不同点：不同点：例例3、地球同步、地球同步卫卫星离地心的距离星离地心的距离为为 r，运，运动动速度速度为为 v1，加速度，加速度为为 a1；地球赤道上的物体随地球自；地球赤道上的物体随地球自转转的向心加速度的向心加速度为为 a2，第一宇宙速度，第一

6、宇宙速度为为 v2，地球，地球半径半径为为 R，则则下列关系正确的是（下列关系正确的是（）二、人造二、人造卫卫星的星的发发射和射和轨轨道道调调整整1、人造、人造卫卫星的星的发发射射为为了减小地球大气了减小地球大气对对火箭的影响，升空火箭的影响，升空阶阶段火箭段火箭总总是是竖竖直直发发射的。射的。为为了减小地球自了减小地球自转带转带来的影响，来的影响，升空后的火箭常常是自西向升空后的火箭常常是自西向东东运运转转。例例4、2009年年5月，航天月，航天飞飞机在完成机在完成对对哈勃空哈勃空间间望望远镜远镜的的维维修任修任务务后，在后，在A点从点从圆圆形形轨轨道道进进入入椭椭圆轨圆轨道道，B为轨为轨道

7、道上的一点，如上的一点，如图图所示。关所示。关于航天于航天飞飞机的运机的运动动，下列，下列说说法不正确的有（法不正确的有（）A在在轨轨道道上上经过经过A点的速度小于点的速度小于经过经过B点的速度点的速度B在在轨轨道道上运上运动动的周期小于的周期小于轨轨道道上运上运动动的周的周期期C从从圆圆形形轨轨道道进进入入椭圆椭圆轨轨道道必必须须在在A点减速点减速D在在轨轨道道上上经过经过A点的点的加速度小于在加速度小于在轨轨道道经过经过A点的加速度点的加速度 2、轨轨道道调调整整在在圆圆形形轨轨道上运行的道上运行的卫卫星，星，后后轨轨道将道将变为变为距距离更离更远远的的椭圆轨椭圆轨道；道；后后轨轨道将道将

8、变为变为距离更近距离更近的的椭圆轨椭圆轨道。道。在椭圆轨道上运行的卫星，在远地点在椭圆轨道上运行的卫星，在远地点 能变为能变为半径更大的圆形轨道；在近地点半径更大的圆形轨道；在近地点 能变为半径能变为半径更小的圆形轨道。更小的圆形轨道。加速加速减速减速加速加速减速减速人造人造人造人造卫卫星星星星宇宙速度宇宙速度宇宙速度宇宙速度理论的威力：预测未知天体理论的威力：预测未知天体 亚当斯与勒维烈亚当斯与勒维烈预测在天王星附预测在天王星附近还有一颗行星。近还有一颗行星。天王星天王星？海王星海王星 问题：问题：抛出的石头会落地，为什么卫星、月亮没抛出的石头会落地，为什么卫星、月亮没有落下来？卫星月亮没有

9、落下来必须具备什么条有落下来？卫星月亮没有落下来必须具备什么条件？件？抛出的速度抛出的速度v越大时，越大时，落地点越远，速度不落地点越远，速度不断增大，将会出现什断增大，将会出现什么结果？么结果？现实：以多大的速度发射才不落回地面呢？现实：以多大的速度发射才不落回地面呢？理想与现实：人造卫星和宇宙速度理想与现实：人造卫星和宇宙速度 设想卫星环绕地球做匀速圆周运动，则地球对设想卫星环绕地球做匀速圆周运动，则地球对它的万有引力就是其所需的向心力。设地球质量为它的万有引力就是其所需的向心力。设地球质量为M，卫星质量为，卫星质量为m，卫星速度为，卫星速度为v，卫星到地心的，卫星到地心的距离为距离为r，

10、根据牛顿第二定律有，根据牛顿第二定律有:G=6.6710-11Nm2/kg2M=6.01024kg=7.9km/s这就是卫星在不同轨道运行时的速度表达式。这就是卫星在不同轨道运行时的速度表达式。近地卫星近地卫星rR地地=6.4106m1、建立模型：卫星绕地球做、建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动匀速圆周运动2、基本思路：向心力由地球对卫星的万有、基本思路：向心力由地球对卫星的万有 引力提供引力提供3、结论、结论:卫星离地心越远，它运行的速度越慢。卫星离地心越远，它运行的速度越慢。4、v=7.9km/s是人造地球卫星在地面附近绕地球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做匀速圆

11、周运动所必须具有的最小发射速度最小发射速度，叫，叫做做第一宇宙速度第一宇宙速度，也叫，也叫环绕速度环绕速度。小小 结结 提提 升升 思考思考4：请推导卫星的线速度：请推导卫星的线速度v、角速度、角速度、周期、周期T、加速度加速度a与轨道半径与轨道半径r的关系式。的关系式。线速度线速度v：角速度角速度：周期周期T：加速度加速度a小结：小结：人造地球卫星人造地球卫星的线速度的线速度v、角速度、角速度、周期、周期T、加速度加速度a都与都与 相匹配。相匹配。rr、v、T思考思考2:根据前面的学习可知根据前面的学习可知,在地面附近万有引近在地面附近万有引近似等于重力，即似等于重力，即 ，依据，依据 g和

12、和R你能否推出你能否推出“第一宇宙速度第一宇宙速度”？解：由解：由可得：可得：思考思考3：卫星在轨道上环绕地球做匀速圆周运动，：卫星在轨道上环绕地球做匀速圆周运动，若速度增大了，卫星还能在原来的轨道上运动若速度增大了，卫星还能在原来的轨道上运动吗？若不能，将如何运动？吗？若不能，将如何运动？答：不能；卫星将在新的椭圆轨道上运动。答：不能；卫星将在新的椭圆轨道上运动。延伸：（延伸：（1）卫卫星的星的发发射速度越大，其运行射速度越大，其运行轨轨道离道离 地面将越地面将越远远。（2）如果发射速度大于）如果发射速度大于7.9km/s，而小于，而小于11.2km/s时，卫星将绕地球做椭圆轨道运动。时，卫

13、星将绕地球做椭圆轨道运动。（3）如果发射速度等于或大于）如果发射速度等于或大于11.2km/s时，卫星时，卫星将挣脱地球的引力，成为绕太阳运动的人造卫星将挣脱地球的引力，成为绕太阳运动的人造卫星或飞到其他行星上去。人们将或飞到其他行星上去。人们将v=11.2km/s称为称为第第二宇宙速度二宇宙速度，又叫，又叫脱离速度脱离速度。(4)如果要使如果要使卫卫星星挣挣脱太阳的引力，脱太阳的引力，飞飞出太阳系，出太阳系，其其发发射速度至少要达到射速度至少要达到v=16.7km/s，这这一速度称一速度称为为第三宇宙速度第三宇宙速度，又叫，又叫逃逸速度逃逸速度。环绕速度环绕速度 指卫星在稳定的轨道上绕地球转

14、动指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度的线速度发射速度发射速度 指被发射物体离开地面时的水平初指被发射物体离开地面时的水平初速度速度区区 别别v发射发射v环绕环绕思考思考4：根据：根据 可知，卫星轨道离地球越可知，卫星轨道离地球越远，其运动速度越小。现在我们又得到一个远，其运动速度越小。现在我们又得到一个结论：卫星的发射速度越大，其运行轨道离结论：卫星的发射速度越大，其运行轨道离地面越远。这两者是否矛盾呢？地面越远。这两者是否矛盾呢？答：答：不矛盾。不矛盾。发射速度大时，由于万有引力不足发射速度大时，由于万有引力不足以提供所需的向心力，卫星将做离心运动飞到较以提供所需的向心力，卫星将做离心运

15、动飞到较高的轨道，在此过程需要克服地球的引力而消耗高的轨道，在此过程需要克服地球的引力而消耗能量能量(减速减速)，速度将会减小。，速度将会减小。小结：第一宇宙速度既是理论上使卫星环绕地小结：第一宇宙速度既是理论上使卫星环绕地球运动所需的球运动所需的最小的发射速度最小的发射速度，也是理论上，也是理论上最最大的环绕速度大的环绕速度。1、请推导人造卫星的角速度请推导人造卫星的角速度、周期周期T和轨道半和轨道半径径r的关系式。的关系式。解：解：设设人造人造卫卫星的星的质质量量为为m，地球，地球质质量量为为M，引，引力常量力常量为为G，人造，人造卫卫星的向心力是由星的向心力是由 提供的，因此有：提供的，因此有：万有引力万有引力角速度角速度：周期周期T：2、一星球的质量为、一星球的质量为M，半径为，半径为R，已知万有引力，已知万有引力恒量为恒量为G，试计算：，试计算：(1)该星球的第一宇宙速度为该星球的第一宇宙速度为多大？多大？(2)一质量为一质量为m的卫星在距离该星球表面距的卫星在距离该星球表面距离为离为h的轨道上的轨道上运行的周期为多大？运行的周期为多大？解解:（1）设卫星的质量为）设卫星的质量为m,万有引力提供向心力万有引力提供向心力可得：可得：（2）同理可得：）同理可得：解得：解得：三个等量关系万有万有引力引力重力重力向心力向心力mg提供提供需要需要