高考物理二轮复习系列课件 《人造卫星系列》.ppt

高考物理二轮复习系列课件人造卫星系列一一.命题趋向与考点命题趋向与考点 卫星问题贴近科技前沿，且与物理知识（如万有引卫星问题贴近科技前沿，且与物理知识（如万有引卫星问题贴近科技前沿，且与物理知识（如万有引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）及地理知识有力定律、匀速圆周运动、牛顿运动定律等）及地理知识有力定律、匀速圆周运动、牛顿运动定律等）及地理知识有力定律、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、情景十分密切的相关性，以此为背景的高考命题立意高、情景十分密切的相关性，以此为背景的高考命题立意高、情景十分密切的相关性，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、信息新、综合性强，对考生的理解能力、综合分析能力、信息新、综合性强，对考生的理解能力、综合分析能力、信息新、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，是新高提炼处理能力及空间想象能力提出了极高的要求，是新高提炼处理能力及空间想象能力提出了极高的要求，是新高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，考突出学科内及跨学科间综合创新能力考查的命题热点，考突出学科内及跨学科间综合创新能力考查的命题热点，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亦是考生备考应试的难点亦是考生备考应试的难点亦是考生备考应试的难点.考生应试失误的原因主要表现在：考生应试失误的原因主要表现在：考生应试失误的原因主要表现在：考生应试失误的原因主要表现在：（1 1）对卫星运行的过程及遵循的规律认识不清，理解不）对卫星运行的过程及遵循的规律认识不清，理解不）对卫星运行的过程及遵循的规律认识不清，理解不）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透，难以建立清晰的物理情景透，难以建立清晰的物理情景透，难以建立清晰的物理情景.（2 2）对卫星运行中力与运动量间，能量转化间的关系难）对卫星运行中力与运动量间，能量转化间的关系难）对卫星运行中力与运动量间，能量转化间的关系难）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以明晰，对诸多公式含义模糊不清以明晰，对诸多公式含义模糊不清以明晰，对诸多公式含义模糊不清.专题解说专题解说专题解说专题解说二二.知识概要与方法知识概要与方法 一般情况下运行的卫星，其所受万有引力一般情况下运行的卫星，其所受万有引力一般情况下运行的卫星，其所受万有引力一般情况下运行的卫星，其所受万有引力不是刚好不是刚好不是刚好不是刚好提提提提供向心力，此时，卫星的供向心力，此时，卫星的供向心力，此时，卫星的供向心力，此时，卫星的运行速率及轨道半径运行速率及轨道半径运行速率及轨道半径运行速率及轨道半径就要发生就要发生就要发生就要发生变变变变化化化化，万有引力，万有引力，万有引力，万有引力做功做功做功做功，我们将其称为，我们将其称为，我们将其称为，我们将其称为不稳定运行不稳定运行不稳定运行不稳定运行即变轨运动；即变轨运动；即变轨运动；即变轨运动；当卫星所受万有引力当卫星所受万有引力当卫星所受万有引力当卫星所受万有引力刚好刚好刚好刚好提供向心力时，它的运行提供向心力时，它的运行提供向心力时，它的运行提供向心力时，它的运行速率速率速率速率就就就就不再不再不再不再发生发生发生发生变化变化变化变化，轨道，轨道，轨道，轨道半径确定半径确定半径确定半径确定不变从而做匀速圆周不变从而做匀速圆周不变从而做匀速圆周不变从而做匀速圆周运动，我们称为运动，我们称为运动，我们称为运动，我们称为稳定运行稳定运行稳定运行稳定运行.用用用用M M M M、m m m m分别表示地球和卫星的质量，用分别表示地球和卫星的质量，用分别表示地球和卫星的质量，用分别表示地球和卫星的质量，用R R R R表示地球半径，表示地球半径，表示地球半径，表示地球半径，r r r r表示人造卫星的轨道半径，可以得到：表示人造卫星的轨道半径，可以得到：表示人造卫星的轨道半径，可以得到：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：由此得出三个重要的结论：由此得出三个重要的结论：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，它运行的速度越小即卫星离地心越远，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，它运行的周期越长即卫星离地心越远，它运行的周期越长即卫星离地心越远，它运行的周期越长。即卫星离地心越远，它运行的角速度越小即卫星离地心越远，它运行的角速度越小即卫星离地心越远，它运行的角速度越小即卫星离地心越远，它运行的角速度越小。而而而而不稳定运行不稳定运行不稳定运行不稳定运行的卫星则不具备上述关系，其运行速率和的卫星则不具备上述关系，其运行速率和的卫星则不具备上述关系，其运行速率和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轨道半径都在发生着变化轨道半径都在发生着变化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在地球表面上的物体所受的万有引力大小可以认为和重在地球表面上的物体所受的万有引力大小可以认为和重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（力大小相等（力大小相等（力大小相等（万有引力的另一个分力是使物体随地球自转万有引力的另一个分力是使物体随地球自转万有引力的另一个分力是使物体随地球自转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所需的向心力，最多只占万有引力的所需的向心力，最多只占万有引力的所需的向心力，最多只占万有引力的0.3%0.3%，计算中可以，计算中可以，计算中可以，计算中可以忽略）忽略）忽略）忽略）。因此有。因此有。因此有。因此有 即即即即对于稳定运行对于稳定运行对于稳定运行对于稳定运行状态的卫星状态的卫星状态的卫星状态的卫星:运行速率不变；运行速率不变；运行速率不变；运行速率不变；轨道半径不变；轨道半径不变；轨道半径不变；轨道半径不变；其轨道半径其轨道半径其轨道半径其轨道半径r r r r、线速度大小、线速度大小、线速度大小、线速度大小v v v v和周期和周期和周期和周期T T T T是一一对应的，其中是一一对应的，其中是一一对应的，其中是一一对应的，其中一个量确定后，另外两个量也就唯一确定了。一个量确定后，另外两个量也就唯一确定了。一个量确定后，另外两个量也就唯一确定了。一个量确定后，另外两个量也就唯一确定了。一、第一宇宙速度一、第一宇宙速度 人造卫星在人造卫星在地面附近地面附近绕地球做绕地球做匀速圆周运动匀速圆周运动所所必须必须具有的具有的最小发射最小发射速度，叫做速度，叫做第一宇宙速度。第一宇宙速度。当当vvvvvv1 1时，成为卫星时，成为卫星,轨道轨道不再是圆不再是圆。前提是在前提是在地面附近地面附近绕地球做绕地球做匀速圆周匀速圆周运动，对应运动，对应的速度是唯一的的速度是唯一的 专题聚焦专题聚焦专题聚焦专题聚焦二、两种最常见的卫星二、两种最常见的卫星vv近地卫星近地卫星近地卫星近地卫星 轨道半径近似地可认为等于地球半径，速率轨道半径近似地可认为等于地球半径，速率轨道半径近似地可认为等于地球半径，速率轨道半径近似地可认为等于地球半径，速率v v v v=7.9km/s=7.9km/s=7.9km/s=7.9km/s，周期周期周期周期T T T T=85min=85min=85min=85min。在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星中是中是中是中是线速度最大线速度最大线速度最大线速度最大，周期最短周期最短周期最短周期最短。同步卫星同步卫星同步卫星同步卫星 地球同步卫星是地球同步卫星是地球同步卫星是地球同步卫星是相对地球表面静止相对地球表面静止相对地球表面静止相对地球表面静止的的的的稳定运行稳定运行稳定运行稳定运行卫星卫星卫星卫星.神舟六号飞船的运行轨道离地面的高度为神舟六号飞船的运行轨道离地面的高度为神舟六号飞船的运行轨道离地面的高度为神舟六号飞船的运行轨道离地面的高度为345 km345 km345 km345 km，线速，线速，线速，线速度约度约度约度约7.6km/s7.6km/s7.6km/s7.6km/s，周期约，周期约，周期约，周期约90min90min90min90min。(1)(1)(1)(1)同步卫星一定位于赤道的正上方，非同步人造地球卫同步卫星一定位于赤道的正上方，非同步人造地球卫同步卫星一定位于赤道的正上方，非同步人造地球卫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星其轨道平面可与地轴有任意夹角星其轨道平面可与地轴有任意夹角星其轨道平面可与地轴有任意夹角.(2)(2)(2)(2)同步卫星的运转周期与地球自转周期相同同步卫星的运转周期与地球自转周期相同同步卫星的运转周期与地球自转周期相同同步卫星的运转周期与地球自转周期相同.即即即即T T T T=24h;=24h;=24h;=24h;(3)(3)(3)(3)轨道半径为轨道半径为轨道半径为轨道半径为r r r r=4.2410=4.2410=4.2410=4.24104 4 4 4 km km km km.其离地面高度其离地面高度其离地面高度其离地面高度h h h h=5.6=5.6=5.6=5.6R=R=R=R=3.6103.6103.6103.6104 4 4 4kmkmkmkm一定的一定的一定的一定的.(4)(4)(4)(4)线速度大小为线速度大小为线速度大小为线速度大小为v v v v=0 0 0 0r r r r=3.08103.08103.08103.08103 3 3 3m/sm/sm/sm/s为定值，绕行方向为定值，绕行方向为定值，绕行方向为定值，绕行方向与地球自转方向相同与地球自转方向相同与地球自转方向相同与地球自转方向相同即由西向东即由西向东即由西向东即由西向东.三颗三颗同步卫星同步卫星反射信号反射信号可以覆盖可以覆盖整个赤道整个赤道 为了卫星之间不互相干扰，大约为了卫星之间不互相干扰，大约3 30 0左右才能左右才能放置放置1 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120120颗。颗。可见，空间位置也是一种资源。可见，空间位置也是一种资源。例例例例1 1.用用用用mm表示地球同步通信卫星的质量、表示地球同步通信卫星的质量、表示地球同步通信卫星的质量、表示地球同步通信卫星的质量、h h表示卫星离地面的高度、表示卫星离地面的高度、表示卫星离地面的高度、表示卫星离地面的高度、MM表示地球的质量、表示地球的质量、表示地球的质量、表示地球的质量、R R0 0表示地表示地表示地表示地球的半径、球的半径、球的半径、球的半径、g g0 0表示地球表面处的重力加速度、表示地球表面处的重力加速度、表示地球表面处的重力加速度、表示地球表面处的重力加速度、T T0 0表示地球表示地球表示地球表示地球自转的周期、自转的周期、自转的周期、自转的周期、0 0表示地球自转的角速度，则：表示地球自转的角速度，则：表示地球自转的角速度，则：表示地球自转的角速度，则：（1 1）地球同步通信卫星的环绕速度）地球同步通信卫星的环绕速度）地球同步通信卫星的环绕速度）地球同步通信卫星的环绕速度v v为为为为A.A.0 0（R R0 0+h h）B.B.C.D.C.D.解：解：解：解：（1 1 1 1）设地球同步卫星离地心的高度为）设地球同步卫星离地心的高度为）设地球同步卫星离地心的高度为）设地球同步卫星离地心的高度为r,r,r,r,则则则则r=Rr=Rr=Rr=R0 0 0 0+h+h+h+h则则则则环绕速度环绕速度环绕速度环绕速度v=v=v=v=0 0 0 0r=r=r=r=0 0 0 0（R R R R0 0 0 0+h+h+h+h）同步卫星圆周运动由万有引力提供向心力：即同步卫星圆周运动由万有引力提供向心力：即同步卫星圆周运动由万有引力提供向心力：即同步卫星圆周运动由万有引力提供向心力：即 得得得得 又有又有又有又有 则则则则 (ABCD)（2 2）地球同步通信卫星所受的地球对它）地球同步通信卫星所受的地球对它）地球同步通信卫星所受的地球对它）地球同步通信卫星所受的地球对它的万有引力的万有引力的万有引力的万有引力F F的大小为的大小为的大小为的大小为A.A.mm B.B.mm2 20 0（R R0 0+h h）C.C.mm D.D.mm解解解解（2 2 2 2）地球同步卫星的重力加速度为）地球同步卫星的重力加速度为）地球同步卫星的重力加速度为）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供向心力供向心力供向心力,即即即即 =mmmm0 0 0 02 2 2 2（R R R R0 0 0 0+h h h h）所以所以所以所以 F F F F向向向向=mmmm0 0 0 02 2 2 2（R R R R0 0 0 0+h h h h）=(ABCD)（3 3）地球同步通信卫星离地面的高度）地球同步通信卫星离地面的高度）地球同步通信卫星离地面的高度）地球同步通信卫星离地面的高度h h为为为为A.A.因地球同步通信卫星和地球自转同步，则卫星离地面的因地球同步通信卫星和地球自转同步，则卫星离地面的因地球同步通信卫星和地球自转同步，则卫星离地面的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高度就被确定高度就被确定高度就被确定B.B.R R0 0 C.C.R R0 0D.D.地球同步通信卫星的角速度虽已确定，但卫星离地面的地球同步通信卫星的角速度虽已确定，但卫星离地面的地球同步通信卫星的角速度虽已确定，但卫星离地面的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可以选择高度可以选择高度可以选择.高度增加，环绕速度增大，高度降低，环高度增加，环绕速度增大，高度降低，环高度增加，环绕速度增大，高度降低，环高度增加，环绕速度增大，高度降低，环绕速度减小，仍能同步绕速度减小，仍能同步绕速度减小，仍能同步绕速度减小，仍能同步解：解：解：解：（3 3 3 3）因为）因为）因为）因为 式中式中式中式中R R R R0 0 0 0、g g g g0 0 0 0、0 0 0 0都是确定的，都是确定的，都是确定的，都是确定的，故故故故h h h h被确定被确定被确定被确定 (ABC)三、卫星的变轨三、卫星的变轨v1v2v3v4由于技术上的原因，卫星的发射往往要分几个阶段，经过由于技术上的原因，卫星的发射往往要分几个阶段，经过由于技术上的原因，卫星的发射往往要分几个阶段，经过由于技术上的原因，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。多次变轨后才能定点于预定的位置。多次变轨后才能定点于预定的位置。多次变轨后才能定点于预定的位置。例例例例1.1.如图所示，某次发射同步卫星如图所示，某次发射同步卫星如图所示，某次发射同步卫星如图所示，某次发射同步卫星时，先进入一个近地的圆轨道，然时，先进入一个近地的圆轨道，然时，先进入一个近地的圆轨道，然时，先进入一个近地的圆轨道，然后在后在后在后在P P点点火加速，进入椭圆形转点点火加速，进入椭圆形转点点火加速，进入椭圆形转点点火加速，进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近移轨道（该椭圆轨道的近地点为近移轨道（该椭圆轨道的近地点为近移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的地圆轨道上的地圆轨道上的地圆轨道上的P P，远地点为同步轨，远地点为同步轨，远地点为同步轨，远地点为同步轨道上的道上的道上的道上的QQ），到达远地点时再次自），到达远地点时再次自），到达远地点时再次自），到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。设卫动点火加速，进入同步轨道。设卫动点火加速，进入同步轨道。设卫动点火加速，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为星在近地圆轨道上运行的速率为星在近地圆轨道上运行的速率为星在近地圆轨道上运行的速率为v v1 1，在，在，在，在P P点短时间加速后的速率为点短时间加速后的速率为点短时间加速后的速率为点短时间加速后的速率为v v2 2，沿转移轨道刚到达远地点，沿转移轨道刚到达远地点，沿转移轨道刚到达远地点，沿转移轨道刚到达远地点QQ时的时的时的时的速率为速率为速率为速率为v v3 3，在，在，在，在QQ点短时间加速后点短时间加速后点短时间加速后点短时间加速后进入同步轨道后的速率为进入同步轨道后的速率为进入同步轨道后的速率为进入同步轨道后的速率为v v4 4。试比较。试比较。试比较。试比较v v1 1、v v2 2、v v3 3、v v4 4的大小，并用的大小，并用的大小，并用的大小，并用小于号将它们排列起来小于号将它们排列起来小于号将它们排列起来小于号将它们排列起来_。v1v2v3v4P PQQ解答解答:根据题意有根据题意有v2v1,v4v3 而而v v1 1、v v4 4是绕地球做匀速是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的线圆周运动的人造卫星的线速度，由下式速度，由下式知知v v1 1 v v4 4故结论为故结论为v2v1v4v3 卫星沿椭圆轨道由卫星沿椭圆轨道由P PQ Q运行运行时，由时，由机械能守恒机械能守恒可知，其重可知，其重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，因此有力势能逐渐增大，动能逐渐减小，因此有v v2 2 v v3 3 卫星的回收实际上是卫星发射过程的逆过程卫星的回收实际上是卫星发射过程的逆过程 四、不同高度的卫星四、不同高度的卫星 可知可知可知可知,在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星中，在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星中，在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星中，在所有绕地球做匀速圆周运动的人造卫星中，离地离地离地离地面越高的卫星，轨道面越高的卫星，轨道面越高的卫星，轨道面越高的卫星，轨道半径越大、线速度越小、周期越大半径越大、线速度越小、周期越大半径越大、线速度越小、周期越大半径越大、线速度越小、周期越大。卫星由低轨道运行变到高轨道运行卫星由低轨道运行变到高轨道运行卫星由低轨道运行变到高轨道运行卫星由低轨道运行变到高轨道运行:由式由式由式由式 速度减小速度减小速度减小速度减小,动能减小动能减小动能减小动能减小，卫星的动能可计算得到卫星的动能可计算得到卫星的动能可计算得到卫星的动能可计算得到 重力加速度重力加速度重力加速度重力加速度g g g g随高度增大而减小，重力势能不能再用随高度增大而减小，重力势能不能再用随高度增大而减小，重力势能不能再用随高度增大而减小，重力势能不能再用E E E Ek k k k=mghmghmghmgh计算，而用公式计算，而用公式计算，而用公式计算，而用公式 计算计算计算计算,重力势能增大重力势能增大重力势能增大重力势能增大.总机械能为总机械能为总机械能为总机械能为 所以所以所以所以,同样质量的卫星同样质量的卫星同样质量的卫星同样质量的卫星,轨道轨道轨道轨道半径越大半径越大半径越大半径越大,即离地面越高即离地面越高即离地面越高即离地面越高,卫星卫星卫星卫星具有的具有的具有的具有的机械能越大机械能越大机械能越大机械能越大，发射需要的发射需要的发射需要的发射需要的总能量越多总能量越多总能量越多总能量越多,就就就就越困难。越困难。越困难。越困难。例例例例2 2.“.“神舟六号神舟六号神舟六号神舟六号”顺利发射升空后，在离地面顺利发射升空后，在离地面顺利发射升空后，在离地面顺利发射升空后，在离地面345km345km的圆的圆的圆的圆轨道上运行了轨道上运行了轨道上运行了轨道上运行了108108圈。运行中需要进行多次圈。运行中需要进行多次圈。运行中需要进行多次圈。运行中需要进行多次“轨道维持轨道维持轨道维持轨道维持”。所谓所谓所谓所谓“轨道维持轨道维持轨道维持轨道维持”就是通过控制飞船上发动机的点火时间就是通过控制飞船上发动机的点火时间就是通过控制飞船上发动机的点火时间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。和推力的大小方向，使飞船能保持在预定轨道上稳定运行。和推力的大小方向，使飞船能保持在预定轨道上稳定运行。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如果不进行轨道维持，由于飞船受轨道上稀薄空气的摩擦如果不进行轨道维持，由于飞船受轨道上稀薄空气的摩擦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、阻力，轨道高度会逐渐降低，在这种情况下飞船的动能、阻力，轨道高度会逐渐降低，在这种情况下飞船的动能、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重力势能和机械能变化情况将会是重力势能和机械能变化情况将会是重力势能和机械能变化情况将会是.动能、重力势能和机械能都逐渐减小动能、重力势能和机械能都逐渐减小动能、重力势能和机械能都逐渐减小动能、重力势能和机械能都逐渐减小.重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能不变重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能不变重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能不变重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能不变.重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，机械能不变重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，机械能不变重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，机械能不变重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，机械能不变.重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能逐渐减小重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能逐渐减小重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能逐渐减小重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能逐渐减小解答解答解答解答:由于阻力很小，轨道高度的变化很慢，由于阻力很小，轨道高度的变化很慢，由于阻力很小，轨道高度的变化很慢，由于阻力很小，轨道高度的变化很慢，卫星运行的卫星运行的卫星运行的卫星运行的每一圈仍可认为是匀速圆周运动。每一圈仍可认为是匀速圆周运动。每一圈仍可认为是匀速圆周运动。每一圈仍可认为是匀速圆周运动。由于摩擦阻力做负功所由于摩擦阻力做负功所由于摩擦阻力做负功所由于摩擦阻力做负功所以卫星的以卫星的以卫星的以卫星的机械能减小机械能减小机械能减小机械能减小；由于重力做正功所以；由于重力做正功所以；由于重力做正功所以；由于重力做正功所以重力势能减小重力势能减小重力势能减小重力势能减小；由上述规律可知卫星由上述规律可知卫星由上述规律可知卫星由上述规律可知卫星动能将增大动能将增大动能将增大动能将增大(说明重力做的功大于克说明重力做的功大于克说明重力做的功大于克说明重力做的功大于克服阻力做的功，外力做的总功为正服阻力做的功，外力做的总功为正服阻力做的功，外力做的总功为正服阻力做的功，外力做的总功为正)。Da五、航天器的动力五、航天器的动力采用离子发动机采用离子发动机 航天器的发射一般都由化学燃料火箭完成。航天器的姿航天器的发射一般都由化学燃料火箭完成。航天器的姿航天器的发射一般都由化学燃料火箭完成。航天器的姿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，就不能完态控制、轨道维持以及远程探测器的运行动力，就不能完态控制、轨道维持以及远程探测器的运行动力，就不能完态控制、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全靠化学燃料了。已经实验成功的和正在开展研究的一些全靠化学燃料了。已经实验成功的和正在开展研究的一些全靠化学燃料了。已经实验成功的和正在开展研究的一些方法和途径是：方法和途径是：方法和途径是：方法和途径是：原理原理原理原理是利用是利用是利用是利用电场加速离子电场加速离子电场加速离子电场加速离子，将离子高速向后将离子高速向后将离子高速向后将离子高速向后喷出喷出喷出喷出，利用反利用反利用反利用反冲冲冲冲使航天器得到加速。使航天器得到加速。使航天器得到加速。使航天器得到加速。根据类似的思路，还有人设计出根据类似的思路，还有人设计出根据类似的思路，还有人设计出根据类似的思路，还有人设计出“微波炉微波炉微波炉微波炉发动机发动机发动机发动机”，即使微波的频率和所用，即使微波的频率和所用，即使微波的频率和所用，即使微波的频率和所用“燃料燃料燃料燃料”分分分分子的固有频率相等，使其发生子的固有频率相等，使其发生子的固有频率相等，使其发生子的固有频率相等，使其发生共振共振共振共振，分子动能迅速增大，分子动能迅速增大，分子动能迅速增大，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。再将它定向喷出，利用反冲使航天器得到加速。再将它定向喷出，利用反冲使航天器得到加速。再将它定向喷出，利用反冲使航天器得到加速。例例例例3 3.美国美国美国美国19981998年发射的年发射的年发射的年发射的“深空一号深空一号深空一号深空一号”探探探探测器使用了测器使用了测器使用了测器使用了“离子发动机离子发动机离子发动机离子发动机”技术。其原理是设法使探测器技术。其原理是设法使探测器技术。其原理是设法使探测器技术。其原理是设法使探测器内携带的惰性气体氙内携带的惰性气体氙内携带的惰性气体氙内携带的惰性气体氙()()的中性原子变为一价离子，的中性原子变为一价离子，的中性原子变为一价离子，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，然后用电场加速这些氙离子使其高速从探测器尾部喷出，然后用电场加速这些氙离子使其高速从探测器尾部喷出，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利用反冲使探测器得到推动力。已知深空一号离子发动机利用反冲使探测器得到推动力。已知深空一号离子发动机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向外喷射氙离子的等效电流大小为向外喷射氙离子的等效电流大小为向外喷射氙离子的等效电流大小为I I I I=0.64A=0.64A，氙离子被喷，氙离子被喷，氙离子被喷，氙离子被喷出时的速度是出时的速度是出时的速度是出时的速度是v v=2.910=2.9104 4m/sm/s。求：。求：。求：。求：探测器得到的推动力探测器得到的推动力探测器得到的推动力探测器得到的推动力F F是多大？是多大？是多大？是多大？探测器的目的地是博雷利彗星，计划飞行年才能到达，探测器的目的地是博雷利彗星，计划飞行年才能到达，探测器的目的地是博雷利彗星，计划飞行年才能到达，探测器的目的地是博雷利彗星，计划飞行年才能到达，试估算深空一号所需携带的氙的质量。试估算深空一号所需携带的氙的质量。试估算深空一号所需携带的氙的质量。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。你认为为什么要选用氙？请说出一个理由。你认为为什么要选用氙？请说出一个理由。你认为为什么要选用氙？请说出一个理由。解答解答解答解答:已知量为已知量为已知量为已知量为:等效电流等效电流等效电流等效电流I,I,I,I,喷出速度喷出速度喷出速度喷出速度v,v,v,v,离子电量离子电量离子电量离子电量q,q,q,q,离子离子离子离子荷质比荷质比荷质比荷质比q/mq/mq/mq/m.设时间设时间设时间设时间tttt内喷出的氙离子质量为内喷出的氙离子质量为内喷出的氙离子质量为内喷出的氙离子质量为mmmm，由动量定理有由动量定理有由动量定理有由动量定理有 喷出的氙离子的荷质比喷出的氙离子的荷质比喷出的氙离子的荷质比喷出的氙离子的荷质比 由电流的定义：由电流的定义：由电流的定义：由电流的定义：而而而而可得可得可得可得 这个推力相当小，产生的加速度这个推力相当小，产生的加速度这个推力相当小，产生的加速度这个推力相当小，产生的加速度也非常小也非常小也非常小也非常小(约约约约10101010-4-4-4-4m/sm/sm/sm/s2 2 2 2)，但经过长时间连续加速，探测器，但经过长时间连续加速，探测器，但经过长时间连续加速，探测器，但经过长时间连续加速，探测器得到的速度将是很大的（每年增加得到的速度将是很大的（每年增加得到的速度将是很大的（每年增加得到的速度将是很大的（每年增加3km/s3km/s3km/s3km/s）。）。）。）。利用电流和荷质比可求得每秒消耗的氙的质量，利用电流和荷质比可求得每秒消耗的氙的质量，利用电流和荷质比可求得每秒消耗的氙的质量，利用电流和荷质比可求得每秒消耗的氙的质量，3 3 3 3年需要的总质量为年需要的总质量为年需要的总质量为年需要的总质量为M=M=M=M=m m m m T T=82kg82kg82kg82kg。氙是惰性气体，性质稳定，没有天然放射性，比较安全；氙是惰性气体，性质稳定，没有天然放射性，比较安全；氙是惰性气体，性质稳定，没有天然放射性，比较安全；氙是惰性气体，性质稳定，没有天然放射性，比较安全；氙的原子量较大，在同样电压加速下得到的离子的动量较氙的原子量较大，在同样电压加速下得到的离子的动量较氙的原子量较大，在同样电压加速下得到的离子的动量较氙的原子量较大，在同样电压加速下得到的离子的动量较大；大；大；大；求出加速电压和发动机的功率求出加速电压和发动机的功率求出加速电压和发动机的功率求出加速电压和发动机的功率 还可由还可由还可由还可由采用采用“太阳帆太阳帆”根据量子理论，光子有根据量子理论，光子有根据量子理论，光子有根据量子理论，光子有动量：动量：动量：动量：p p p p=h h h h/，因此光照到物体表面，光因此光照到物体表面，光因此光照到物体表面，光因此光照到物体表面，光子被物体吸收或反射都会对物体产子被物体吸收或反射都会对物体产子被物体吸收或反射都会对物体产子被物体吸收或反射都会对物体产生生生生“光压光压光压光压”。由此，有人设想在遥远的宇宙探由此，有人设想在遥远的宇宙探由此，有人设想在遥远的宇宙探由此，有人设想在遥远的宇宙探测中用光压为动力推动航天器加速。测中用光压为动力推动航天器加速。测中用光压为动力推动航天器加速。测中用光压为动力推动航天器加速。只要给探测器安上面积足够大的薄只要给探测器安上面积足够大的薄只要给探测器安上面积足够大的薄只要给探测器安上面积足够大的薄膜，并让它正对太阳，就能从太阳膜，并让它正对太阳，就能从太阳膜，并让它正对太阳，就能从太阳膜，并让它正对太阳，就能从太阳得到源源不断的动力。得到源源不断的动力。得到源源不断的动力。得到源源不断的动力。例例例例4.4.已知在地球绕日轨道上，每平方米面积上得到的太阳已知在地球绕日轨道上，每平方米面积上得到的太阳已知在地球绕日轨道上，每平方米面积上得到的太阳已知在地球绕日轨道上，每平方米面积上得到的太阳辐射功率为辐射功率为辐射功率为辐射功率为P P0 0=1.35kW=1.35kW，若利用太阳帆为处于该位置的质，若利用太阳帆为处于该位置的质，若利用太阳帆为处于该位置的质，若利用太阳帆为处于该位置的质量为量为量为量为MM=50kg=50kg的某探测器加速，设计所用薄膜的面积为的某探测器加速，设计所用薄膜的面积为的某探测器加速，设计所用薄膜的面积为的某探测器加速，设计所用薄膜的面积为S S=410=4104 4mm2 2，设照到薄膜上的光子全部被吸收，那么探测，设照到薄膜上的光子全部被吸收，那么探测，设照到薄膜上的光子全部被吸收，那么探测，设照到薄膜上的光子全部被吸收，那么探测器得到的加速度将是多大？器得到的加速度将是多大？器得到的加速度将是多大？器得到的加速度将是多大？解答解答解答解答:已知量为已知量为已知量为已知量为P P P P0 0 0 0、M M M M、S S S S由光子能量由光子能量由光子能量由光子能量E=E=E=E=hhhh和动量和动量和动量和动量p=p=p=p=h/h/h/h/可得到关系式可得到关系式可得到关系式可得到关系式E=pc E=pc E=pc E=pc 设在时间设在时间设在时间设在时间t t t t内单位面积内薄膜上接收到的光子数为内单位面积内薄膜上接收到的光子数为内单位面积内薄膜上接收到的光子数为内单位面积内薄膜上接收到的光子数为n n n n，则接，则接，则接，则接收到的太阳能的功率为收到的太阳能的功率为收到的太阳能的功率为收到的太阳能的功率为P P P P0 0 0 0=nE/tnE/tnE/tnE/t=npc/tnpc/tnpc/tnpc/t；由于光子全部被吸收，每个光子的动量变化为由于光子全部被吸收，每个光子的动量变化为由于光子全部被吸收，每个光子的动量变化为由于光子全部被吸收，每个光子的动量变化为p p p p，对这些，对这些，对这些，对这些光子用动量定理可得：光子用动量定理可得：光子用动量定理可得：光子用动量定理可得：f=f=f=f=np/tnp/tnp/tnp/t，因此整个薄膜上受到的压力大小为因此整个薄膜上受到的压力大小为因此整个薄膜上受到的压力大小为因此整个薄膜上受到的压力大小为 利用利用利用利用F F F F=MaMaMaMa，可求探测器的加速度，可求探测器的加速度，可求探测器的加速度，可求探测器的加速度 例例例例4.4.已知在地球绕日轨道上，每平方米已知在地球绕日轨道上，每平方米已知在地球绕日轨道上，每平方米已知在地球绕日轨道上，每平方米面积上得到的太阳辐射功率为面积上得到的太阳辐射功率为面积上得到的太阳辐射功率为面积上得到的太阳辐射功率为P P0 0=1.35kW=1.35kW，若利用太阳帆，若利用太阳帆，若利用太阳帆，若利用太阳帆为处于该位置的质量为为处于该位置的质量为为处于该位置的质量为为处于该位置的质量为MM=50kg=50kg的某探测器加速，设计所的某探测器加速，设计所的某探测器加速，设计所的某探测器加速，设计所用薄膜的面积为用薄膜的面积为用薄膜的面积为用薄膜的面积为S S=410=4104 4mm2 2，设照到薄膜上的光子全部被，设照到薄膜上的光子全部被，设照到薄膜上的光子全部被，设照到薄膜上的光子全部被吸收，那么探测器得到的加速度将是多大？吸收，那么探测器得到的加速度将是多大？吸收，那么探测器得到的加速度将是多大？吸收，那么探测器得到的加速度将是多大？利用地球磁场利用地球磁场F 地球人造卫星在地球磁场中运行地球人造卫星在地球磁场中运行地球人造卫星在地球磁场中运行地球人造卫星在地球磁场中运行.地磁场的地磁场的地磁场的地磁场的水平分量水平分量水平分量水平分量总是总是总是总是由南向北由南向北由南向北由南向北的的的的(两极地区除外两极地区除外两极地区除外两极地区除外),),卫星的卫星的卫星的卫星的运行方向运行方向运行方向运行方向一般都是一般都是一般都是一般都是由由由由西向东西向东西向东西向东的的的的(这样在发射时可以利用地球自转而使卫星具有这样在发射时可以利用地球自转而使卫星具有这样在发射时可以利用地球自转而使卫星具有这样在发射时可以利用地球自转而使卫星具有的速度的速度的速度的速度,约约约约4104102 2m/s).m/s).在卫星下方悬挂一根足够长的导线在卫星下方悬挂一根足够长的导线在卫星下方悬挂一根足够长的导线在卫星下方悬挂一根足够长的导线,让它随卫星一起运动而切割地磁场的磁感线让它随卫星一起运动而切割地磁场的磁感线让它随卫星一起运动而切割地磁场的磁感线让它随卫星一起运动而切割地磁场的磁感线,就能产生感就能产生感就能产生感就能产生感应电动势应电动势应电动势应电动势,方向方向方向方向自下而上自下而上自下而上自下而上.又由于从又由于从又由于从又由于从地面往上地面往上地面往上地面往上60km60km到到到到1000km1000km范围范围范围范围内的大气层是电离层内的大气