高中物理 卫星变轨问题优秀课件.ppt

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1、高中物理 卫星变轨问题第1页，本讲稿共41页第2页，本讲稿共41页第3页，本讲稿共41页地球地球 两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，它们两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，它们的质量相等，轨道半径不同的质量相等，轨道半径不同,比较它们的向心加速度比较它们的向心加速度an、线速度、线速度v v、角速度、角速度、周期、周期T。第4页，本讲稿共41页计算中心天体的质量计算中心天体的质量M M、密度、密度（当卫星在天体表面（当卫星在天体表面上飞行？）上飞行？）（1）某星体m围绕中心天体M做圆周运动的周期为T，圆周运动的轨道半径为r（3）中心天体密度（2）已知中心天体的半径R和表面g第5页，本讲稿

2、共41页第6页，本讲稿共41页 人造地球卫星：人造地球卫星：人造地球卫星：人造地球卫星：两极的物体：两极的物体：两极的物体：两极的物体：赤道上的物体：赤道上的物体：赤道上的物体：赤道上的物体：近地卫星：近地卫星：近地卫星：近地卫星：地球表面的物体地球表面的物体地球表面的物体地球表面的物体（与地球具有相同的（与地球具有相同的（与地球具有相同的（与地球具有相同的0 0 0 0）即：即：即：即：即：即：即：即：第7页，本讲稿共41页人造地球卫星人造地球卫星所有卫星的轨道圆心都在地心上所有卫星的轨道圆心都在地心上按轨道分类按轨道分类:极地卫星极地卫星;赤道卫星赤道卫星;其他卫星其他卫星第8页，本讲稿共

3、41页第9页，本讲稿共41页第10页，本讲稿共41页第11页，本讲稿共41页注意事项：区别赤道上随地球自转的物体、近地卫星与同步卫星：半径R周期T向心力F关系式备注赤道上物体即为地球半径与地球自转周期相同，即24h24h此处的万有引力与重力之差在赤道上与地球保持相对静止近地卫星即为地球半径可求得T=85min此处的万有引力离地高度近似为0，与地面有相对运动同步卫星可求得距地面高度h36000km，约为地球半径的5.6倍与地球自周期相同，即24h此处的万有引力轨道面与赤道面重合，在赤道上空，与地面保持相对静止第12页，本讲稿共41页卫星变轨问题卫星变轨问题第13页，本讲稿共41页卫星变轨问题卫星

4、变轨问题第14页，本讲稿共41页第15页，本讲稿共41页VF引F引引F向向F引引F向向卫星变轨原理卫星变轨原理MmA点速度点速度内小外大内小外大（在（在A点看轨迹）点看轨迹）在在A点万有引力点万有引力相同相同A第16页，本讲稿共41页思考：思考：人造卫星在人造卫星在低轨道上运行低轨道上运行，要想让其在，要想让其在高轨道高轨道上运行上运行，应采取什么措施？，应采取什么措施？在在低轨道上加速低轨道上加速，使其沿，使其沿椭圆椭圆轨道轨道运行，当行至椭圆轨道的运行，当行至椭圆轨道的远点远点处时再次处时再次加速加速，即可使其沿，即可使其沿高轨道运行高轨道运行。卫星变轨原理卫星变轨原理1 1、卫星在二轨道

5、相切点、卫星在二轨道相切点万有引力万有引力相同相同，加速度，加速度相同相同速度速度内小外大内小外大（切点看轨迹）（切点看轨迹）2 2、卫星在椭圆轨道运行、卫星在椭圆轨道运行近地点近地点-速度速度大大，加速度，加速度大大远地点远地点-速度速度小小，加速度，加速度小小第17页，本讲稿共41页v vF F引引引引12R卫星在圆轨卫星在圆轨道运行速度道运行速度V1V2900减小减小卫星变轨原理卫星变轨原理第18页，本讲稿共41页v v3 3F F引引引引r r卫星变轨原理卫星变轨原理第20页，本讲稿共41页使使使使卫卫卫卫星星星星进进进进入入入入更更更更高高高高轨轨轨轨道道道道做做做做圆圆圆圆周周周周

6、运运运运动动动动v3 3v4 4第21页，本讲稿共41页卫卫星星的的回回收收第22页，本讲稿共41页第23页，本讲稿共41页vv 卫星变轨卫星变轨卫星变轨卫星变轨 【卫星如何变轨】【卫星如何变轨】以发射同步卫星为例，先进入一个近地的圆轨道，然后在v2点火加速，进入椭圆形转移轨道 （该椭圆轨道的近地点在近地圆轨道上，远地点在同步轨道上），到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。v1v2v3v4v2v1v4v3v1v4v2v1v4v3第24页，本讲稿共41页v1v2v3v4v2v1v4v3v1v4结果结果：v2v1v4v3v2v3 点火加速：点火加速：在椭圆轨道在椭圆轨道上运行上运行:第一次变

7、轨：第一次变轨：第二次变轨：第二次变轨：点火加速：点火加速：在圆轨道上稳在圆轨道上稳定运行：定运行：第25页，本讲稿共41页vv 卫星变轨卫星变轨卫星变轨卫星变轨 【分析思路】【分析思路】定态运行：定态运行：定态运行：定态运行：看公式看公式看公式看公式动态变轨动态变轨动态变轨动态变轨：分析供需分析供需分析供需分析供需圆轨道与椭圆轨道的互变圆轨道与椭圆轨道的互变圆轨道与椭圆轨道的互变圆轨道与椭圆轨道的互变：A AB BA A点点点点：加速加速加速加速椭圆椭圆椭圆椭圆减速减速减速减速圆圆圆圆B B点点点点：近地点近地点近地点近地点远地点远地点远地点远地点圆圆圆圆椭圆椭圆椭圆椭圆减速减速减速减速椭圆

8、椭圆椭圆椭圆加速加速加速加速 圆圆圆圆圆圆圆圆椭圆椭圆椭圆椭圆第26页，本讲稿共41页 1 1、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道近地圆轨道1 1，然后经点火使其沿，然后经点火使其沿椭圆轨道椭圆轨道2 2运行；最后再次点火将其送运行；最后再次点火将其送入同步入同步圆轨道圆轨道3 3。轨道。轨道1 1、2 2相切于相切于P P点，点，2 2、3 3相切于相切于Q Q点。当卫点。当卫星分别在星分别在1 1、2 2、3 3上正常运行时，以下说法正确的是（上正常运行时，以下说法正确的是（）A A、在轨道、在轨道3 3上的速率大上的速率大 于于1

9、 1上的速率上的速率 B B、在轨道、在轨道3 3上的角速度上的角速度 小于小于1 1上的角速度上的角速度 C C、在轨道、在轨道2 2上经过上经过Q Q点时点时 的速率等于在轨道的速率等于在轨道3 3上经过上经过Q Q点时的速率点时的速率 D D、在轨道、在轨道1 1上经过上经过P P点时的加速度等于在轨道点时的加速度等于在轨道2 2上上 经过经过P P点时的加速度点时的加速度 QQP P231BD第27页，本讲稿共41页vv 卫星变轨卫星变轨卫星变轨卫星变轨 【例题】【例题】如图所示，宇宙飞船B在低轨道飞行，为了给更高轨道的空间站A输送物资，它可以采用喷气的方法改变速度，从而达到改变轨道的

10、目的，以下说法正确的是()A、它应沿运行方向方向喷气，与A对接后周期变小B、它应沿运行速度反方向喷气，与A对接后周期变大C、它应沿运行方向方向喷气，与A对接后周期变大D、它应沿运行速度反方向喷气，与A对接后周期变小第28页，本讲稿共41页vv 卫星变轨卫星变轨卫星变轨卫星变轨 【练习】【练习】宇宙飞船空间站在同一轨道上运动，若飞船想与前面的空间站对接，飞船为了追上轨道空间站，可采取的办法是（）A、飞船加速直到追上空间站B、飞船从原轨道减速至一较低轨道，再加速追上空间站完成对接C、飞船从原轨道加速至一较高轨道，再减速追上空间站完成对接D、无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接第29页，本讲稿共

11、41页【练习】发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如图所示。则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是：A卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率B卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度C卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度D卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度123pQ第30页，本讲稿共41页vv 卫星变轨卫星变轨卫星变轨卫星变轨 【练习】【练习】如图所示，a、b、c是在地球大气层外圆形轨

12、道上运行的3颗人造卫星，下列说法正确的是：Ab、c的线速度大小相等，且大于a的线速度Bb、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度Cc加速可追上同一轨道上的b，b减速可等到同一轨道上的c Da卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将变小地球地球acb第31页，本讲稿共41页2 2、如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将卫星发、如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将卫星发射至距地面高度为射至距地面高度为h h1 1的的近地轨道近地轨道上在卫星经过上在卫星经过A A点时点点时点火实施变轨，进入远地点为火实施变轨，进入远地点为B B的的椭圆轨道椭圆轨道上，最后在上，最后在B B

13、点点再次点火，将卫星送入再次点火，将卫星送入同步轨道同步轨道.已知地球表面重力加已知地球表面重力加速度为速度为g g，地球自转周期为，地球自转周期为T T，地球的半径为，地球的半径为R R求：求：（1 1）近地轨道）近地轨道上的速度大小；上的速度大小；（2 2）远地点）远地点B B距地面的高度。距地面的高度。第32页，本讲稿共41页解：解：第33页，本讲稿共41页“嫦娥奔月嫦娥奔月”图图第34页，本讲稿共41页理性探究理性探究 发射、变轨、运行发射、变轨、运行第35页，本讲稿共41页 2.2007 2.2007年年1010月月2424日日“嫦娥一号嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕卫星星箭分离

14、，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：1212小时椭圆轨小时椭圆轨道道2424小时椭圆轨道小时椭圆轨道4848小时椭圆轨道小时椭圆轨道修正轨道修正轨道地月转移轨道地月转移轨道。1111月月5 5日日1111时，当卫星经过距月球表面高度时，当卫星经过距月球表面高度为为h h的的A A点时，再经三次变轨：点时，再经三次变轨：1212小时椭圆轨道小时椭圆轨道3.53.5小时椭圆小时椭圆轨道轨道最后进入周期为最后进入周期为T T的极月圆轨道的极月圆轨道 ，如图所示（，如图所示（）A.A.“嫦娥一号嫦娥一号”由由到到需加速、由需加速、由到到需减速

15、需减速 B.B.发射发射“嫦娥一号嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度的速度必须达到第三宇宙速度 C.C.在绕月圆轨道上在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关卫星周期与卫星质量有关 D.D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比 E.E.在绕月圆轨道上在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力卫星受地球的引力大于受月球的引力近近地地变变轨轨轨道修正轨道修正转移轨道转移轨道发射发射D第36页，本讲稿共41页 3.2007 3.2007年年1010月月2424日，日，“嫦娥一号嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕卫星星箭分离，卫星进入绕地轨

16、道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：1212小时椭圆轨小时椭圆轨道道2424小时椭圆轨道小时椭圆轨道4848小时椭圆轨道小时椭圆轨道修正轨道修正轨道地月转移轨道地月转移轨道。1111月月5 5日日1111时，当卫星经过距月球表面高度时，当卫星经过距月球表面高度为为h h的的A A点时，再经三次变轨：点时，再经三次变轨：1212小时椭圆轨道小时椭圆轨道3.53.5小时椭圆小时椭圆轨道轨道最后进入周期为最后进入周期为T T的极月圆轨道的极月圆轨道 ，如图所示。，如图所示。若月球半径为若月球半径为R R，试写出月球表面重力加速度的表达式。试写出月球表面重力

17、加速度的表达式。近近地地变变轨轨轨道修正轨道修正转移轨道转移轨道发射发射第37页，本讲稿共41页对接问题：对接问题：宇宙飞船与空间站的对接宇宙飞船与空间站的对接空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何到达空间站，空间站那么，地球上的人如何到达空间站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。与空间站对接的问题。思考：思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加

18、速去追上空间站实现对接呢？轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间站对接。轨道而无法与空间站对接。第38页，本讲稿共41页飞船首先在比空间站低的轨道飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，运行，当运行到适当位置时，再再加速加速运行到一个椭圆轨道。运行到一个椭圆轨道。通过控制轨道使飞船跟空间站通过控制轨道使飞船跟空间站恰恰好好同时运行到两轨道的相切点，同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对此时飞船适当减速，便可实现对接，如图示。接，如图示。空间站空间站空间站空间站

19、飞船飞船对接方法：对接方法：第39页，本讲稿共41页例：在太空中有两飞行器例：在太空中有两飞行器a a、b b，它们在绕地球的，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，同一圆形轨道上同向运行，a a在前在前b b在后，它都配有在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想b b 尽快追上尽快追上a a 并完成对接，并完成对接，b b应采取的措施是（应采取的措施是（）A A、沿运动方向喷气、沿运动方向喷气 B B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气C C、沿运动反方向喷气、沿运动反方向喷气 D D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气B第40页，本讲稿共41页作业：作业：第41页，本讲稿共41页