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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小结：小结：人造卫星的线速度大小人造卫星的线速度大小v、周期、周期T，角速度角速度、加速度、加速度a与轨道半径与轨道半径r是一一对应的，是一一对应的，轨道半径确定后，另外四个量也就唯一确定了轨道半径确定后，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，与卫星质量有关。万有引力，与卫星质量有关。【新课学习新课学习】一、人造卫星的轨道一、人造卫星的轨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。人造地球卫星绕地球运行的轨道是一条封闭的曲人造地球卫星绕地球运行的轨道是一条封闭的曲线（圆或椭圆）。这条封闭曲线形成的平面叫人造线（圆或椭圆）。这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的地球卫星的轨道平面轨道平面，轨道平面总是通过地心的。轨道平面总是通过地心的。以下两种卫星的轨道都是圆形的。以下两种卫星的轨道都是圆形的。1.近地卫星近地卫星近地卫星的近地卫星的轨道半径轨道半径r 地球半径地球半径R；其其环绕速度环绕速度v=7.9km/s；由此可得，卫星的周期由此可得，卫星的周期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、地球同步卫星、地球同步卫星从地面上看，它是从地面上看，它是“静止的静止的”。地球同步卫星。地球同步卫星跟跟地球有相同的周期地球有相同的周期，相同的角速度相同的角速度，相对地球是，相对地球是静止的静止的（因此又叫静止轨道卫星）（因此又叫静止轨道卫星）。轨道平面与轨道平面与地球的赤道平面重合地球的赤道平面重合。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、已知地球质量为、已知地球质量为M，半径为，半径为R，自转周期为，自转周期为T，地球同步卫星质量为，地球同步卫星质量为m，引力常量为，引力常量为G.求：同步卫星离地面的高度求：同步卫星离地面的高度h是多少？是多少？小结：地球同步卫星的特点小结：地球同步卫星的特点（1）周期）周期 ；（2）角速度）角速度 ；（3）环绕速度）环绕速度 ；（4）向心加速度向心加速度 ；（4）轨道平面）轨道平面 ；（5）高度）高度 例例2.关于同步卫星的下列说法中正确的是关于同步卫星的下列说法中正确的是()A运行速度大于运行速度大于7.9 km/s B离地面高度一定，相对地面静止离地面高度一定，相对地面静止C绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角绕地球运行的角速度比月球绕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 比较：赤道上的物体和同步卫星比较：赤道上的物体和同步卫星 相同点：相同点：不同点：不同点：例例3、地球同步卫星离地心的距离为、地球同步卫星离地心的距离为 r，运动速度，运动速度为为 v1，加速度为，加速度为 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的向心加速度为转的向心加速度为 a2，第一宇宙速度为，第一宇宙速度为 v2，地球，地球半径为半径为 R，则下列关系正确的是（，则下列关系正确的是（）二、人造卫星的发射和轨道调整二、人造卫星的发射和轨道调整1、人造卫星的发射、人造卫星的发射为了减小地球大气对火箭的影响，升空阶段火箭为了减小地球大气对火箭的影响，升空阶段火箭总是竖直发射的。为了减小地球自转带来的影响，总是竖直发射的。为了减小地球自转带来的影响，升空后的火箭常常是自西向东运转。升空后的火箭常常是自西向东运转。例例4、2009年年5月，航天飞机在完成对哈勃空间望月，航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后，在远镜的维修任务后，在A点从圆形轨道点从圆形轨道进入椭圆进入椭圆轨道轨道，B为轨道为轨道上的一点，如图所示。关于航上的一点，如图所示。关于航天飞机的运动，下列说法不正确的有（天飞机的运动，下列说法不正确的有（）A在轨道在轨道上经过上经过A点的速度小于经过点的速度小于经过B点的速度点的速度B在轨道在轨道上运动的周期小于轨道上运动的周期小于轨道上运动的周期上运动的周期C从圆形轨道从圆形轨道进入椭圆进入椭圆轨道轨道必须在必须在A点减速点减速D在轨道在轨道上经过上经过A点的点的加速度小于在轨道加速度小于在轨道经过经过A点的加速度点的加速度 2、轨道调整轨道调整在圆形轨道上运行的卫星，在圆形轨道上运行的卫星，后轨道将变为距后轨道将变为距离更远的椭圆轨道；离更远的椭圆轨道；后轨道将变为距离更近后轨道将变为距离更近的椭圆轨道。的椭圆轨道。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卫星人造卫星人造卫星人造卫星 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，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）卫星的发射速度越大，其运行轨道离）卫星的发射速度越大，其运行轨道离 地面将越远。地面将越远。（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)如果要使卫星挣脱太阳的引力，飞出太阳系，如果要使卫星挣脱太阳的引力，飞出太阳系，其发射速度至少要达到其发射速度至少要达到v=16.7km/s，这一速度称为，这一速度称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：设人造卫星的质量为解：设人造卫星的质量为m，地球质量为，地球质量为M，引，引力常量为力常量为G，人造卫星的向心力是由，人造卫星的向心力是由 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