人造卫星宇宙航行.DOC

人造卫星 宇宙航行 基础知识回顾 1．三种宇宙速度 ⑴第一宇宙速度（环绕速度）v1=7.9km／s，人造卫星的最小发射速度，人造卫星的最大环绕速度； ⑵第二宇宙速度（脱离速度）v2=11.2km／s，使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度； ⑶第三宇宙速度逃逸速度）v3=16.7km／s，使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。 2．天体运动模型——人造地球卫星 1）处理方法：将卫星的运动视作匀速圆周运动。 2）动力学特征：由万有引力提供向心力，且轨道平面的圆心必与地球的地心重合。 3）基本规律： 4）重力加速度与向心加速度（不含随地球表面自转的向心加速度）的关系： （1）因，故 （2）（R为地球半径，r为轨道半径，g为地球表面的重力加速度） 5）两种特殊卫星 （1）近地卫星：沿半径约为地球半径的轨道运行的地球卫星，其发射速度与环绕速度相等，均等于第一宇宙速度。 （2）同步卫星：运行时相对地面静止，T=24h；同步卫星只有一条运行轨道，它一定位于赤道正上方，且距离地面高度约为h≈3.6×104km，运行时的速率υ≈3.1km/s。 6）卫星系统中的超重和失重 （1）卫星进入轨道前的加速过程，卫星内的物体处于超重状态、 （2）卫星进入园形轨道正常运行时，卫星内的物体处于完全失重状态。 （3）在回收卫星的过程中，卫星内的物体处于失重状态。 重点难点例析 一、同步卫星问题 同步卫星是指运行期与地球自转周期相等的地球卫星．这里所说的“静止”是相对地球静止．同步卫星只能处于赤道面上．如图5-3-3所示，若同步卫星位于赤道平面的上方或下方，则地球对它的万有引力Fa或Fb的一个分力Fa1或Fb1是它环绕地球的向心力，另一个分Fa2或Fb2将使卫星向赤道平面运动．这样，同步卫星在环绕地球运动的同时，将会在赤道附近振动，从而卫星与地球不能同步． 因此同步卫星的周期等于地球自转的周期是一定的，所以同步卫星离地面的高度也是一定的． 【例1】已知地球半径R=6.4×106m，地球质量M=6.0×1024kg，地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，第一宇宙速度v1=7.9×103m/s。若发射一颗地球同步卫星，使它在赤道上空运转，其高度和速度应为多大？ 【解析】设同步卫星的质量m，离地高度h，速度为v，周期为T（等于地球自转周期） 方法一： 解得： 方法二：若认为同步卫星在地面上的重力等于地球的万有引力，有[来源:学+科+网] 解联立方程得： 方法三：根据第一宇宙速度v1，有 解得： 【答案】同步卫星的高度为3.56×107m，速度是3.1×103m/s。 【点拨】根据万有引力提供向心力列式求解，是解决此类问题的基本思路。在本题中又可以用地面重力加速度、第一宇宙速度这些已知量做相应代换。 本题计算得到的同步卫星运行速度为3.1×103m/s，比第一宇宙速度v1=7.9×103m/s小得多。第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度，同步卫星是在高空中做匀速圆周运动，它的速度小于第一宇宙速度。同步卫星发射时的速度大于第一宇宙速度，一开始做大椭圆轨道运动，随后在高空中进行调整最后进入同步轨道做匀速圆周运动，速度比第一宇宙速度小。[来源:学§科§网Z§X§X§K] 拓展 我国发射的神州五号载人宇宙飞船的周期约为90min，如果把它绕地球的运动看做是匀速圆周运动，飞船的运动和人造地球同步卫星的运动相比，假设它们质量相等，下列判断中正确的是（ ） A．飞船受到的向心力大于同步卫星受到的向心力 B．飞船的动能小于同步卫星的动能 C．飞船的轨道半径大于同步卫星的轨道半径 D．发射飞船过程需要的能量小于发射同步卫星过程需要的能量 【解析】同步卫星的运转周期为24h， 飞船的周期约为90min 由 （设地球质量为M2） 那么 G、M都一定,那么T就和R有关,T相对大的 R相对大,那么同步卫星的R大， 由 那么R越大F向越小 根据万有引力定律得： ， 可见轨道半径小的，线速度小，动能小。 【答案】ABD 二、能量问题及变轨道问题 只在万有引力作用下，卫星绕中心体转动机械能守恒.这里的机械能包括卫星的动能、卫星(与中心体)的引力势能．离中心星体近时速度大, 离中心星体远时速度小. 如果存在阻力或开动发动机等情况，机械能将发生变化，引起卫星转轨问题． 发射人造卫星时，先将人造卫星发射至近地的圆周轨道上运动，然后经再次启动发动机使卫星改在椭圆轨道上运动，最后定点在一定高度的圆周轨道上运动． 【例2】2003 年10 月15 日，我国成功地发射了“神舟”五号载人飞船，经过21 小时的太空飞行，返回舱于次日安全返回．已知飞船在太空中运行的轨道是一个椭圆．椭圆的一个焦点是地球的球心，如图4-6-2所