物理课件专题复习人造卫星系列问题

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,专题复习,人造卫星系列问题,庞留根,吕叔湘中学,2007年7月,http:/,Email:,人造卫星系列问题,（一）,命题趋向与考点,（二）,复习精要,一、,第一宇宙速度,二、,两种最常见的卫星,地球的卫星,例1,三、,不同高度的卫星,例2,四、,卫星的变轨,五、,关于第二、第三宇宙速度,例4,六、,航天器的动力,例5,采用“太阳帆”,例6,利用地球磁场,例7,利用万有引力“弹弓效应”,07年佛山市教学质量检测16,07年扬州市期末调研测试14,07,届南京市第一次调研测试,17,2006年江苏高考题14,练习,1,练习,2,万有引力定律与牛顿运动三定律，并称经典力学四大定律；人造卫星问题综合运动定律与圆周运动的知识，与地球知识密切相关，与航天技术紧密联系，是理论性、实用性、思维性均很强的知识难点。高考命题主要是要求会用运动定律和圆周运动知识分析解决实际问题，有时要结合地理知识确定情景后再讨论，还易与其它知识综合。,卫星问题贴近科技前沿，且与物理知识（如万有引力定律、匀速圆周运动、牛顿运动定律等）及地理知识有十分密切的相关性，以此为背景的高考命题立意高、情景新、综合性强，对考生的理解能力、综合分析能力、信息提炼处理能力及空间想象能力提出了极高的要求，是新高考突出学科内及跨学科间综合创新能力考查的命题热点，亦是考生备考应试的难点.,（一）命题趋向与考点,考生应试失误的原因主要表现在：,（1）对卫星运行的过程及遵循的规律认识不清，理解不透，难以建立清晰的物理情景.,（,2,）对卫星运行中力与运动量间，能量转化间的关系难以明晰，对诸多公式含义模糊不清,.,（二）复习精要,一般情况下运行的卫星，其所受万有引力不是刚好提供向心力，此时，卫星的运行速率及轨道半径就要发生变化，万有引力做功，我们将其称为不稳定运行即变轨运动；,当卫星所受万有引力刚好提供向心力时，它的运行速率就不再发生变化，轨道半径确定不变从而做匀速圆周运动，我们称为稳定运行.,用,M、m,分别表示地球和卫星的质量，用,R,表示地球半径，,r,表示人造卫星的轨道半径，可以得到：,由此得出三个重要的结论：,即卫星离地心越远，它运行的速度越小。,即卫星离地心越远，它运行的周期越长。,即卫星离地心越远，它运行的角速度越小。,即对于稳定运行状态的卫星:,运行速率不变；轨道半径不变；,其轨道半径,r,、线速度大小,v,和周期,T,是一一对应的，其中一个量确定后，另外两个量也就唯一确定了。,而不稳定运行的卫星则不具备上述关系，其运行速率和轨道半径都在发生着变化.,在地球表面上的物体所受的万有引力大小可以认为和重力大小相等（万有引力的另一个分力是使物体随地球自转所需的向心力，最多只占万有引力的0.3%，计算中可以忽略）。因此有,一、第一宇宙速度,人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的最小发射速度，叫做第一宇宙速度。,前提是在地面附近绕地球做匀速圆周运动，对应的速度是唯一的,当,v,v,1,时，成为卫星,轨道不再是圆。,二、两种最常见的卫星,近地卫星,轨道半径近似地可认为等于地球半径，速率,v,=7.9km/s，周期,T,=85min。在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星中是线速度最大，周期最短。,神舟六号飞船的运行轨道离地面的高度为345 km，线速度约7.6km/s，周期约90min。,同步卫星,地球同步卫星是相对地球表面静止的稳定运行卫星.,(1)同步卫星一定位于赤道的正上方，非同步人造地球卫星其轨道平面可与地轴有任意夹角.,(2)同步卫星的运转周期与地球自转周期相同.即,T,=24,h,;,(3)轨道半径为,r,=4.2410,4,km.其离地面高度,h,=5.6,R,=3.610,4,km一定的.,(4),线速度大小为,v,=,0,r,=3.08,10,3,m/s,为定值，绕行方向与地球自转方向相同即由西向东,.,离地高度,h,轨道半径,r,运行速度,v,周期,T,近地卫星,0,6.410,6,m,7.9km/s,84.6min,=5000s,同步卫星,3.610,7,m,4.210,7,m,3.1km/s,1d,月球,3.810,8,m,3.810,8,m,1km/s,27.5d,地球的卫星,近地卫星和同步卫星,例1、,用,m,表示地球同步通信卫星的质量、,h,表示卫星离地面的高度、,M,表示地球的质量、,R,0,表示地球的半径、,g,0,表示地球表面处的重力加速度、,T,0,表示地球自转的周期、,0,表示地球自转的角速度，则：,（1）地球同步通信卫星的环绕速度,v,为 (),ABCD,2页,题目,3页,末页,解：,(1)设地球同步卫星离地心的高度为,r,则,r=R,0,+,h,则环绕速度,v,=,0,r,=,0,(,R,0,+,h,),同步卫星圆周运动由万有引力提供向心力：即,得,又有,则,2页,题目,3页,末页,（2）地球同步通信卫星所受的地球对它的万有引力,F,的大小为 (),解：,（2）地球同步卫星的重力加速度为,地球对它的万有引力大小可认为等于同步卫星的重力来提供向心力,即,ABCD,2页,题目,3页,末页,（3）地球同步通信卫星离地面的高度,h,为 (),A.因地球同步通信卫星和地球自转同步，则卫星离地面的高度就被确定,D.地球同步通信卫星的角速度虽已确定，但卫星离地面的高度可以选择.高度增加，环绕速度增大，高度降低，环绕速度减小，仍能同步,B.C.,解：,（3）因为,式中,R,0,、,g,0,、,0,都是确定的，故,h,被确定,ABC,2页,题目,3页,末页,三、不同高度的卫星,由式,可知,在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星中,离地面越高的卫星,轨道半径越大、线速度越小、周期越大。,卫星由低轨道运行变到高轨道运行,:,速度减小,动能减小，卫星的动能可计算得到,重力加速度,g,随高度增大而减小,重力势能不能再用,E,p,=,mgh,计算,而用公式 计算,重力势能增大.,总机械能为,所以,同样质量的卫星,轨道半径越大,即离地面越高,卫星具有的机械能越大,发射需要的总能量越多,就越困难。,例2、,“神舟六号”顺利发射升空后，在离地面345km的圆轨道上运行了108圈。运行中需要进行多次“轨道维持”。所谓“轨道维持”就是通过控制飞船上发动机的点火时间和推力的大小方向，使飞船能保持在预定轨道上稳定运行。如果不进行轨道维持，由于飞船受轨道上稀薄空气的摩擦阻力，轨道高度会逐渐降低，在这种情况下飞船的动能、重力势能和机械能变化情况将会是 (),A.动能、重力势能和机械能都逐渐减小,B.重力势能逐渐减小,动能逐渐增大,机械能不变,C.重力势能逐渐增大,动能逐渐减小,机械能不变,D.重力势能逐渐减小,动能逐渐增大,机械能逐渐减小,D,解答,:,由于阻力很小，轨道高度的变化很慢，卫星运行的每一圈仍可认为是匀速圆周运动。由于摩擦阻力做负功所以卫星的机械能减小；由于重力做正功所以重力势能减小；由上述规律可知卫星动能将增大,(,说明重力做的功大于克服阻力做的功，外力做的总功为正,),。,四、卫星的变轨,由于技术上的原因，卫星的发射往往要分几个阶段，经过多次变轨后才能定点于预定的位置。,例3、,如图所示，某次发射同步卫星时，先进入一个近地的圆轨道，然后在,P,点点火加速，进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的,P,，远地点为同步轨道上的,Q,），到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为,v,1,，在,P,点短时间,加速后的速率为,v,2,，沿转移轨道,刚到达远地点,Q,时的速率为,v,3,，,在,Q,点短时间加速后进入同步,轨道后的速率为,v,4,。试比较,v,1,、,v,2,、,v,3,、,v,4,的大小，并用大于号,将它们排列起来,。,v,1,P,v,2,Q,v,3,v,4,解,：,v,1,P,v,2,Q,v,3,v,4,根据题意在,P、Q,两点点火加速过程中，卫星速度将增大，所以有,v,2,v,1,、,v,4,v,3,，,而,v,1,、,v,4,是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的线速度，由于它们对应的轨道半径,r,1,r,4,，所以,v,1,v,4,。,卫星沿椭圆轨道由,PQ,运行时，由于只有重力做负功，卫星机械能守恒，其重力势能,逐渐增大，动能逐渐减小，因此,有,v,2,v,3,把以上不等式连接起来，,可得到结论：,v,2,v,1,v,4,v,3,五.关于第二、第三宇宙速度,质量为,m,的物体在距离,地,心,r,处的万有引力势能,(,以无穷远处势能为零,),，,将物体从地球表面向上提高,h,，相当于式中的,r,由,R,增大到,R+h,，因此其势能的增加量为,(在地面附近时，可认为,R+h=R,，因此有,E,P,=,mgh,，若取地面为重力势能的参考平面，则有,E,p,=,mgh,),物体为了脱离地球的引力而飞离地球，必须具有足够大的动能：,这就是第二宇宙速度。,当物体的速度大于或等于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的吸引，不再绕地球运行。把这个速度叫第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的还受到太阳的引力。,任何星球都有这样的“第二宇宙速度”,若某星球的第二宇宙速度超过光速,c,，则任何物体都无法摆脱该星球的引力，从宇宙的其他部分看来，它就象是消失了一样，这就是所谓的“黑洞”。,如果物体的速度等于或大于,16.7km/s,，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。这个速度叫第三宇宙速度。,已知质量为,m,的物体在质量为,M,的星球上的万有引力势能(以无穷远处势能为零，,G,为引力常量，,r,表示物体到该星球中心的距离)只要物体在星球表面具有足够大的速度，就可以脱离该星球的万有引力而飞离星球(即到达势能为零的地方)这个速度叫做第二宇宙速度一旦第二宇宙速度的大小超过了光速，则该星球上的任何物体(包括光子)都无法摆脱该星球的引力于是它就将与外界断绝了一切物质和信息的交流从宇宙的其他部分看来，它就像是消失了一样，这就是所谓的“黑洞”试分析一颗质量为,M,2.010,31,kg的恒星，当它的半径坍塌为多大时就会成为一个“黑洞”?(计算时取引力常量,G,=710,11,Nm,kg,，(答案保留一位有效数字),例4、,解析：,本题给出了物体在星球上的重力势能公式从公式可以看出物体在无穷远点的势能为零，而在星球表面时重力势能为负当物体离开星球表面向上运动时，由于只有重力做功,所以其机械能守恒设物体刚好能离开星球，就是说它到达势能为零点时的速度刚好也是零由动能的减少 1/2,mv,2,等于势能的增加,GMm/R,就可以求出第二宇宙速度当第二宇宙速度,v,恰好等于光速,c,时，该星球就成为一个“黑洞”,六、航天器的动力,航天器的发射一般都由化学燃料火箭完成。航天器的姿态控制、轨道维持以及远程探测器的运行动力，就不能完全靠化学燃料了。已经实验成功的和正在开展研究的一些方法和途径是：,采用离子发动机,原理是利用电场加速离子，将离子高速向后喷出，利用反冲使航天器得到加速。,a,根据类似的思路，还有人,设计出“微波炉发动机”，,即使微波的频率和所用,“燃料”分,子的固有频率相等，使其发生,共振，分子动能迅速增大，再将它定向,喷出，利用反冲使航天器得到加速。,美国1998年发射的“深空一号”探测器使用了“离子发动机”技术。其原理是设法使探测器内携带的惰性气体氙()的中性原子变为一价离子，然后用电场加速这些氙离子使其高速从探测器尾部喷出，利用反冲使探测器得到推动力。已知深空一号离子发动机向外喷射氙离子的等效电流大小为,I,=0.64,A,，氙离子被喷出时的速度是,v,=2.910,4,m/s。求：,探测器得到的推动力,F,是多大？,探测器的目的地是博雷利彗星，计划飞行3年才能到达，试估算深空一号所需携带的氙的质量。,你认为为什么要选用氙？请说出一个理由。,例5、,已知量:等效电流,I,喷出速度,v,离子电量,q,离子荷质比,q/m,.,