7.4.2卫星的发射和回收(课件)-2021-2022学年【扬帆起航系列】人教版(2019)高中物理必修第二册(共72张PPT)

(共72张PPT)
人教版（2019）高中物理必修第二册
第七章 万有引力与宇宙航行
7.4.2 卫星的发射和回收
授课人：扬帆起航
CONTENTS
01
卫星的发射
02
地球同步卫星
03
飞船与空间站对接
04
目录
典型例题
卫星相遇问题
卫星运动的向心加速度、线速度、角速度和周期：
可见：卫星运动情况(a、V 、ω 、T )是由 r 惟 一决定
(2)由 得：ｖ＝
G
M
m
r2
=m
v2
r
(3)由 得：ω＝
G
M
m
r2
=mω2r
(4)由 得：Ｔ＝
G
M
m
r2
=m( ) r
２π
T
2
GM
4π2r3
(1)由 得：a＝
G
M
m
r2
=ma
GM
r2
（R为地球的半径，h为卫星距地面的高度）
★“高轨低速长周期”
知识回顾
“高轨低速长周期”
极地轨道
一般轨道
赤道轨道
所有卫星都在以地心为圆心的轨道上
平面
立体
赤道平面
1.第一宇宙速度（环绕速度）： v = 7.9 km/s (物体在地面附近、环绕地球做匀速圆周运动，是最小发射速度）
2. 第二宇宙速度（脱离速度）：当物体的速度大于或等于11.2 km/s时，卫星就会脱离地球的吸引，不再绕地球运行。我们把这个速度叫作第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。
3. 第三宇宙速度（逃逸速度）：如果物体的速度大于或等于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。
宇宙速度
注意：宇宙速度都是针对发射速度；以上三个宇宙速度都是地球上的宇宙速度。．
说明：
（1）第一宇宙速度是发射人造地球卫星的最小发射速度,当V发=7.9km/s时，卫星恰好环绕地球表面做匀速圆周运动；要使卫星在较高的轨道上运行，就必须使发射速度大于7.9km/s。
（2）第一宇宙速度是最大的环绕速度。由 知，轨道越高，环绕速度越小，即人造地球卫星的环绕速度v≤7.9km/s。
（3）发射速度小于7.9km/s时，卫星将不能围绕地球做圆周运动，而是落回地面。
（4）第一宇宙速度是卫星相对于地心的线速度。地面上发射卫星时的发射速度，是卫星获得相对地面的速度与地球自转速度的合速度，所以赤道上自西向东发射卫星，可以节省一定的能量。
（5）当发射速度大于7.9km/s 时：
① 若7.9km/s②若 11.2km/s≤V发<16.7km/s卫星脱离地球的束缚而围绕太阳运行，成为太阳系的一颗“小行星”。
③若 V>16.7km/s，卫星脱离太阳的吸引，而成为自由天体。
（6）人造地球卫星的运行速度和发射速度间的大小关系：
V运≤7.9km/s ≤ V发＜ 11.2km/s
★求近地卫星的周期T≈84min
01
卫星的发射
万有引力与宇宙航行
一、卫星的发射
1、发射卫星的两种方法
直线发射（即高轨发射）：在整个发射过程中，运载火箭在入轨前始终处于动力飞行状态，要消耗大量燃料。如果发射同步卫星，还必须在赤道上建立发射场，有一定局限性。
变轨发射（即近地发射）：运载火箭消耗的燃料少，发射场的位置也不受限制。目前，各国发射同步卫星都采用第二种方法，但这种方法在操作和控制上都比较复杂。
发射人造地球卫星的运载火箭一般分为三级，其发射后的飞行过程大致包括垂直起飞、转弯飞行、进入轨道这样三个阶段。
由于在地球表面附近大气稠密，对火箭的阻力很大，为了尽快离开大气层，通常采用垂直向上发射；垂直发射的另一个优点是容易保持飞行的稳定性。
2、卫星的发射和回收
思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其在高轨道上运行，应采取什么措施？
由于技术上的需要，有时要在适当的位置短时间启动卫星上的发动机，使卫星的速度发生突变，让其运行轨道发生改变，最终到达预定的目标。
卫星变轨概念
卫星绕天体运行时，提供的向心力与所需要的向心力关系决定着卫星变轨问题
卫星做圆周运动
提供的向心力
需要的向心力
r
v 2
m
G
Mm
r 2
=
卫星做近心运动
提供的向心力
需要的向心力
r
v 2
m
G
Mm
r 2
＞
卫星做离心运动
提供的向心力
需要的向心力
r
v 2
m
G
Mm
r 2
＜
V
F引
F引＜F向
F引＞F向
卫星变轨原理
M
m
A点速度—内小外大（在A点看轨迹）
在A点万有引力相同
A
·
思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其在高轨道上运行，应采取什么措施？
在低轨道上加速，使其沿椭圆轨道运行，当行至椭圆轨道的远点处时再次加速，即可使其沿高轨道运行。
1、卫星在二轨道相切点
万有引力相同
速度—内小外大（切点看轨迹）
2、卫星在椭圆轨道运行
近地点---速度大，动能大
远地点---速度小，动能小
v
F引
1
2
R
卫星在圆轨道运行速度V1
V2
θ＞900
减小
v3
F引
L
使卫星进入更高轨道做圆周运动
v3
v4
卫星的回收
——卫星发射的相反过程
小 结
卫星变轨发射一般流程：
P
Q
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ轨道（高轨道）
Ⅰ轨道
（低轨道或近地轨道）
Ⅱ轨道
（椭圆轨道）
地面发射
P
Q
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
想一想
卫星如何从圆轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ ，解释原因？
万有引力不够提供向心力
卫星在P处向后喷气（火）加速
离心运动
椭圆
1、卫星在轨道Ⅰ上经过P点时的速度大小为 vp1 与它在轨道Ⅱ上经过P点时的速度大小为vp2，试比较二者大小关系？
vp2>vp1(加速离心)
2、在椭圆轨道上P点与Q点的速度大小相等吗？
vP2>vQ2（开普勒第二定律）
3、卫星在轨道Ⅱ上经过Q点时的速度为大小 vQ2 与它在轨道Ⅲ上经过Q点时的速度大小为vQ3，试比较二者大小关系？
P
Q
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
vQ3>vQ2（加速离心）
4、在圆轨道上vp1 与vQ3点的速度大小如何？
vp1>vQ3（ ）
5、比较卫星在轨道Ⅰ上经过P点时的加速度ap1 ，与它在轨道Ⅱ上经过P点时的加速度ap2 ，在轨道Ⅱ上经过Q点时的加速度aQ2，在轨道Ⅲ上经过Q点时的加速度aQ3大小关系如何？
P
Q
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
理由：
3.卫星到达椭圆轨道与圆轨道的公切点时，卫星受到的万有引力相同，所以加速度相同。
速度关系：
加速度关系：
2.圆轨道与椭圆轨道的互变：
（1）从低轨道来到高轨道，在轨道连接点需要加速；
（2）卫星的回收是发射的逆过程，从高轨道回到低轨道，在轨道连接点需要减速。
总 结
问题2、卫星从2轨道上的近地点P点向远地点Q点运动的过程中，卫星的速度（ ），经过P点的速度Vp2和经过 Q点的速度VQ2的大小关系是（ ）。
问题3、欲使卫星从轨道2上的Q点转移到轨道3，卫星需要（ ）所以VQ2与VQ3速度的大小关系是（ ）
问题5、综合以上分析得出卫星在轨道上各点速度的大小关系（ ）
问题1、卫星从轨道1上的P点转移到轨道2上做的是（ ）运动，需要改变卫星的（ ），所以经过P点的速度Vp1、速度Vp2的大小关系是（ ）。
问题4、卫星在1轨道和3轨道做的都是圆周运动，所以根据“高轨低速 周期长”，得Vp1与VQ3的速度大小关系是（ ）
试一试
P
Q
3
1
2
★人造地球卫星的超重与失重：
（1）发射和回收阶段：卫星发射加速上升的过程和卫星回收进入大气层减速下降的过程中，都具有向上的加速度，这时发生超重现象。
发射
加速上升
超重
回收
减速下降
超重
（2）沿圆轨道正常运行：卫星进入圆轨道正常运行以后，只受重力，向心加速度为 g，卫星及卫星上的任何物体都处于完全失重状态。凡是应用重力原理制成的仪器（天平、水银气压计等）在卫星中都不能正常使用，凡是与重力有关的实验在卫星中都无法进行。
只受重力
a = g
完全失重
与重力有关的现象全部消失
天平
弹簧秤测重力
液体压强计
02
地球同步卫星
万有引力与宇宙航行
二、地球同步卫星
同步卫星又叫静止轨道卫星，通常用作通讯卫星， 故也叫通信卫星。
三颗同步卫星作为通讯卫星，则可覆盖全球。
1. 地球同步卫星：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星，又叫通信卫星（或静止卫星）。它在轨道上跟着地球自转，同步地做匀速圆周运动，它的周期：T ＝ 24 h。
2. 所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上 ，即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫星离地面高度为定值。
3. 地球同步卫星的特点：“五个一定”
（1）定轨道平面：所有地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面内。
（2）定周期：运转周期等于地球自转的周期，即T＝24h（ω也一定）
（3）定方向：同步卫星的运行方向与地球自转方向一致（自西向东）。
（4）定高度：在赤道正上方，距地面高度高度h≈3.6×107m
h
地球同步卫星能否位于北京正上方某一确定高度h ？
≈ 3.6×107m
≈ 5.6R
（5）定速率：运行速率为v =3.1km/s
≈ 3.1×103m/s
R
6.5R
θ
4.一颗同步卫星能覆盖地球上多大范围，要想使同步卫星信号能够覆盖完整个赤道，至少需要多少颗同步卫星？
至少需要3颗。
要实现信号覆盖全球，不仅需要同步卫星，还需要倾斜轨道卫星。
为了卫星之间不互相干扰，大约3°左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。空间位置是一种极其有限的资源。
探究：同步卫星A、近地卫星B、赤道上物体C的比较（v、a、T）
赤道
同步卫星
近地卫星
赤道上的物体
r
R
A
B
C
赤道上物体（C） 同步卫星 （A） 近地卫星
（B）
相同点
向心力来源
周期
转动半径
都在绕地心做匀速圆周运动
F引-F重=F向
F引=F向
F引=F向
T=24h
T=24h
T=85min
r=R地
r=R地+3.6X104km
r=R地
a物V物三者V的关系:
三者a的关系:
三者T的关系:
T物=T同>T近
三者r的关系:r同 >r物= r近
h=3.6×107m
r=4.2×107m
v=3km/s
T=24h
h=3.8×108m
r≈3.8×108m
v=1km/s
T=27天
h≈0
r=6.4×106m
v=7.9km/s
T=84分钟
同步卫星
近地卫星
月球
近地卫星、同步卫星、月球三者比较
1、如图所示，“嫦娥一号”探月卫星被月球捕获后，首先稳定在椭圆轨道Ⅰ上运动，其中P、Q两点分别是轨道Ⅰ的近月点和远月点，Ⅱ是卫星绕月球做圆周运动的轨道，轨道Ⅰ和Ⅱ在P点相切，则(　　)
A.卫星沿轨道Ⅰ运动，在P点的速度大于Q点的速度
B.卫星沿轨道Ⅰ运动，在P点的加速度小于Q点的加速度
C.卫星分别沿轨道Ⅰ、Ⅱ运动到P点的加速度不相等
D.卫星要从轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ，须在P点加速
A
学以致用
2、如图所示，某航天器，首先稳定在椭圆轨道Ⅰ上运动，其中P、Q两点分别是轨道Ⅰ的近月点和远月点，Ⅱ是卫星绕月球做圆周运动的轨道，轨道Ⅰ和Ⅱ在P点相切，则(　　)
A.卫星沿轨道Ⅰ运动，在P点的加速度等于Q点的加速度
B.卫星分别沿轨道Ⅰ、Ⅱ运动到P点的加速度相等
C.卫星要从轨道Ⅱ进入轨道Ⅰ，须在P点加速
D.卫星沿轨道Ⅰ运动，在P点的速度小于Q点的速度
BC
3、四颗地球卫星a、b、c、d的排列位置如图7所示，其中a是静止在地球赤道上还未发射的卫星，b是近地轨道卫星，c是地球同步卫星，d是高空探测卫星，四颗卫星相比较(　　)
A.a的向心加速度最大
B.相同时间内b转过的弧长最长
C.c相对于b静止
D.d的运动周期可能是23 h
B
4、如图所示，a为地面上的待发射卫星，b为近地圆轨道卫星，c为地球同步卫星.三颗卫星质量相同.三颗卫星的线速度分别为va、vb、vc，角速度分别为ωa、ωb、ωc，周期分别为Ta、Tb、Tc，向心力分别为Fa、Fb、Fc，则(　　)
A.ωa＝ωc<ωb B.Fa＝FcC.va＝vcTb
AD
03
载人航天与太空探索
万有引力与宇宙航行
1957年10月4日，原苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星。卫星重83.6kg，每96min绕地球飞行一圈。
1961年4月12日苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。实现了人类第一次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。
火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108分，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。
世界航天史
三、载人航天与太空探索
世界航天史
1969年7月16日，阿波罗11号将人类送上了月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他在月球上迈出了一小步，确是人类迈出的一大步。
“先驱者”10 号太空探测器 1972 年 3 月 2 日发射升空，1986 年 6 月飞出太阳系。
1981年4月12日，世界上第一架航天飞机哥伦比亚号发射成功。同年11月12日和1982年3月22日、6月27日又相继进行了3次试飞，均获得成功。
但在2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在重返地面的过程中突然发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航员全部遇难。（其中有6名美国人、1名以色列人）
世界航天史
“卡西尼”号土星探测器 1997 年 10 月 15日发射升空，2004 年 1日飞抵土星。
美国“凤凰”号火星探测器 2007 年 8 月 4日发射升空，2008 年 5月 25日在火星着陆。
1975年，返回式遥感卫星，中国第一颗返回式卫星，用于对地观测，运行三天后按计划返回地面；中国是第三个掌握卫星回收技术的国家。
1970年4月20日， “东方红”1号，中国第一颗人造卫星。中国是第五个能自行发射卫星的国家。
中国航天史
风云一号
风云二号
通信卫星
1984年，试验通信卫星：“东方红”2号，标志着中国是世界上第5个能发射地球静止轨道卫星的国家。
中国航天史
飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场．这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。
1992年，中国载人航天工程正式启动。
2003年10月15日9时，我国“神舟”五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送人太空。
中国航天史
天宫一号是中国第一个目标飞行器，于2011年9月29日21时16分03秒在酒泉卫星发射中心发射，飞行器全长10.4米，最大直径3.35米，由实验舱和资源舱构成。它的发射标志着中国迈入中国航天"三步走"战略的第二步第二阶段。
中国航天史
04
宇宙飞船与空间站对接问题
万有引力与宇宙航行
四、宇宙飞船与空间站对接问题
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，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船（或航天飞机）来完成，这就存在一个宇宙飞船（或航天飞机）与空间站对接的问题。　
思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，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轨道而无法与空间站对接。
飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。
通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对接，如图示。
空间站
飞船
对接方法：
例1：在太空中有两飞行器a、b，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，a在前b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b 尽快追上a 并完成对接，b应采取的措施是（ ）
A、沿运动方向喷气
B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气
C、沿运动反方向喷气
D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气
B
例2、宇宙飞船和轨道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，可采取的方法是： ( )
A．飞船加速直到追上
B．飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站，完成对接
C．飞船加速至一个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
B
05
卫星相遇问题
万有引力与宇宙航行
【模型讲解】当a、b与中心天体O连成一条直线时：
a、b同侧，则相距最近（相遇）
a、b异侧，则相距最远
六、卫星相遇问题
【例题】如图是在同一平面不同轨道上运行的两颗人造地球卫星。设它们运行的周期分别是T1、T2，(T1＜T2)，且某时刻两卫星相距最近。问：
⑴两卫星再次相距最近的时间是多少？
⑵两卫星相距最远的时间是多少？
地球
解：⑴依题意，T1＜T2，周期大的轨道半径大，故外层轨道运动的卫星运行一周的时间长。设经过△t两星再次相距最近 则它们运行的角度之差
⑵两卫星相距最远时，它们运行的角度之差
k=0.1.2……
【例】如图4所示，有A、B两颗行星绕同一颗恒星O做圆周运动，旋转方向相同。A行星的周期为T1，B行星的周期为T2，在某一时刻两行星相距最近，则：（ 　）
A. 经过时间t=T1+T2，两行星再次相距最近
B. 经过时间　　　　 ，两行星再次相距最近
C. 经过时间　　　　 ，两行星相距最远
D. 经过时间　 　　　 ，两行星相距最远
BD
06
“连续群”与“卫星群”问题
万有引力与宇宙航行
解析：本题考察连续物与分离物的特点与规律
⑴该环若是土星的连续群，则有共同的自转角速度，由v=wr得，因此v∝R
⑵该环若是土星的卫星群，由 得：
故A、D正确
六、“连续群”与“卫星群”问题
土星的外层有一个环，为了判断它是土星的一部分，即土星的“连续群”，还是土星的“卫星群”，可以通过测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系来判断（ ）
A若v∝R，则该层是土星的连续群
B若v2∝R，则该层是土星的卫星群
C若 ，则该层是土星的连续群
D若 ，则该层是土星的卫星群
1. 两颗人造地球卫星质量之比 m1∶m2 = 1∶2，轨道半径之比 R1∶R2 = 3∶1，下列有关数据之比正确的是 ( )
A. 周期之比 T1∶T2 = 3∶1
B. 线速度之比 v1∶v2 = 3∶1
C. 向心力之比 F1∶F2 = 1∶9
D. 向心加速度之比 a1∶a2 = 1∶9
D
2. 如图所示，a、b、c 是在地球大气层外圆形轨道上运动
的 3 颗卫星，下列说法正确的是（ ）
A. b、c 的线速度大小相等，且大于 a 的线速度
B. b、c的向心加速度大小相等，且大于 a 的向心加速度
C. c加速可追上同一轨道上的 b，b 减速可等候同一轨道上的 c
D. a卫星由于某原因，轨道半径
缓慢减小，其线速度将增大
D
3. 根据观察，在土星外层有一个环，为了判断该环是土星的连续物还是小卫星群，可测出环中各层的线速度 v 与该层到土星中心的距离 R 之间的关系。下列判断正确的是 ( )
A. 若 v 与 R 成正比，则环为连续物
B. 若 v2与 R 成正比，则环为小卫星群
C. 若 v 与 R 成反比，则环为连续物
D. 若 v2与 R 成反比，则环为小卫星群
AD
4、探测器绕月球做匀速圆周运动，变轨后在周期较小的轨道上仍做匀速圆周运动，则变轨后与变轨前相比( )
A . 轨道半径变小
B . 向心加速度变小
C . 线速度变小
D . 角速度变小
A
5、如图所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星，a、b质量相同，且小于c的质量，则（ ）
A . b所需向心力最大
B . b、c周期相等，且大于a周期
C . b、c向心加速度相等，且大于a的向心加速度
D . b、c的线速度大小相等，且小于a的线速度
BD
a
c
b
地球
6、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点，2、3相切于Q点。当卫星分别在1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是（ ）
A、在轨道3上的速率大于1上的速率
B、在轨道3上的角速度小于1上的角速度
C、在轨道2上经过Q点时的速率等于在轨
道3上经过Q点时的速率
D、在轨道1上经过P点时的加速度等于在
轨道2上经过P点时的加速度
Q
P
2
·
3
1
BD