黃愛(ài)鳳

由于人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)的問(wèn)世，使人們不斷地探索宇宙，為開(kāi)發(fā)宇宙新能源而努力，是當(dāng)今世界先進(jìn)的科學(xué)領(lǐng)域，近幾年針對(duì)人造衛(wèi)星問(wèn)題考查的頻率較高，衛(wèi)星問(wèn)題與現(xiàn)代科技結(jié)合密切，應(yīng)用型試題、結(jié)合實(shí)際，正是今后高考的命題趨勢(shì).現(xiàn)就衛(wèi)星問(wèn)題盤(pán)點(diǎn)如下，供同學(xué)們學(xué)習(xí)參考.

一、衛(wèi)星的原理

當(dāng)?shù)厍蚺c物體之間的萬(wàn)有引力恰好提供物體圍繞地球做勻速網(wǎng)周運(yùn)動(dòng)的向心力時(shí)，物體就會(huì)圍繞地球永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，就成了地球的人造衛(wèi)星.

二、衛(wèi)星軌道

衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)，地球?qū)ζ淙f(wàn)有引力提供向心力，所以衛(wèi)星的軌道平面必過(guò)地球球心.其可能軌道分別如圖1、2、3所示.但衛(wèi)星不可能位于某一緯度平面上，如圖4所示，原因是衛(wèi)星僅受一個(gè)萬(wàn)有引力作用，這個(gè)萬(wàn)有引力將分解成垂直地軸的向心力和指向赤道面的分力，由牛頓第二定律可知，衛(wèi)星將會(huì)在該方向上加速而脫離緯度平面.由于地球的白轉(zhuǎn)，圖2所示衛(wèi)星軌道平面不可能總和某一經(jīng)線圈所在平面重合.

三、人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系

從以上各式可以看出：人造地球衛(wèi)星的周期、線速度、角速度與它所在的軌道相對(duì)應(yīng)，與衛(wèi)星本身的質(zhì)量無(wú)關(guān)，即同一軌道上的衛(wèi)星具有相同的周期、線速度、角速度及加速度.

四、同步地球衛(wèi)星（通信衛(wèi)星）

1.所謂的同步地球衛(wèi)星就是相對(duì)地球靜止的和地球具有相同周期的衛(wèi)星，T=24 h.

2.同步地球衛(wèi)星必位于赤道的上方，相對(duì)地面的高度為定值，與地球的自轉(zhuǎn)方向相同.

五、宇宙速度

空運(yùn)行時(shí)，半徑r最小，運(yùn)行速度最大，稱為第一宇宙速度，其大小為7.9 km/s.第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度，是衛(wèi)星運(yùn)行的最大環(huán)繞速度.這里的規(guī)律同樣適用于其他星體.

2.衛(wèi)星能掙脫地球引力的速度，稱為第二宇宙速度（脫離速度），其大小為11.2 km/s.

3.衛(wèi)星能掙脫太陽(yáng)引力的速度，稱為第三宇宙速度（逃逸速度），其大小為16.7 km/s.

六、衛(wèi)星的發(fā)射、回收和對(duì)接

1.衛(wèi)星的發(fā)射速度要求大于或等于7.9 km/s，小于11.2 km/s.

衛(wèi)星的高度越高，要求發(fā)射的速度就要越大，在上升過(guò)程機(jī)械能守恒，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成勢(shì)能，速度逐漸減小，到達(dá)該軌道的速度都要比低軌道的速度小，同一衛(wèi)星所在處的軌道越高，機(jī)械能越大.

2.發(fā)射同步衛(wèi)星一般采用變軌發(fā)射的方法

首先利用第一級(jí)火箭將衛(wèi)星送到180-200 km的高空，繞地球做勻速網(wǎng)周運(yùn)動(dòng)，該軌道為停泊軌道A.當(dāng)?shù)竭_(dá)赤道上空時(shí)，第二、三級(jí)火箭點(diǎn)火，此時(shí)衛(wèi)星的速度增加，萬(wàn)有引力不足以提供向心力而發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入赤道平面內(nèi)的橢網(wǎng)軌道B.當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，恰好到達(dá)同步軌道c，由于克服地球引力做功速度減小，萬(wàn)有引力大于所需的向心力，因而要在該處啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)，提高衛(wèi)星的速度，使萬(wàn)有引力恰好提供向心力，衛(wèi)星就停留在同步軌道c上，如圖5所示.

3.衛(wèi)星的對(duì)接和回收

衛(wèi)星對(duì)接：由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)僅有萬(wàn)有引力控制，同軌道衛(wèi)星速率相同，加速則發(fā)生離心而高于本軌道，因而要求從低軌道上加速才能實(shí)現(xiàn)對(duì)接.

衛(wèi)星的回收：衛(wèi)星在網(wǎng)軌道上正常運(yùn)行時(shí)，萬(wàn)有引力恰好提供向心力，要想回收則必需產(chǎn)生一個(gè)指向地心的加速度.因而只有先將衛(wèi)星減速后，萬(wàn)有引力提供向心力后還可以產(chǎn)生一個(gè)指向地心的加速度，回收過(guò)程中由于重力做功，速度不斷增大（可見(jiàn)減速是瞬時(shí)的，最終速度增加），角速度增加，周期減小，加速度越來(lái)越大.

七、人造地球衛(wèi)星用途分類(lèi)

（1）科學(xué)衛(wèi)星

科學(xué)衛(wèi)星是用于科學(xué)探測(cè)和研究的衛(wèi)星，主要包括空間物理探測(cè)衛(wèi)星、天文衛(wèi)星、生物衛(wèi)星和空間微重力試驗(yàn)衛(wèi)星等，用來(lái)研究高層大氣、地球輻射帶、地球磁層、宇宙線、太陽(yáng)輻射等，并可以觀察其他星體.

美國(guó)發(fā)射的第一顆衛(wèi)星“探險(xiǎn)者”號(hào)就是一顆科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星，以后“探險(xiǎn)者”發(fā)展成一個(gè)科學(xué)衛(wèi)星系列，它們主要用于探測(cè)地球大氣層和電離層；測(cè)量地球高空磁場(chǎng)；測(cè)量太陽(yáng)輻射、太陽(yáng)風(fēng)；探測(cè)行星際空間等.

我國(guó)的“實(shí)踐一號(hào)”衛(wèi)星裝有紅外地平儀、太陽(yáng)角計(jì)等探測(cè)儀器，取得了許多環(huán)境數(shù)據(jù).“實(shí)踐二號(hào)”和二號(hào)甲、二號(hào)乙是用一枚火箭同時(shí)發(fā)射的三顆衛(wèi)星.其中“實(shí)踐二號(hào)”外形為八面棱柱體，任務(wù)是探測(cè)空間環(huán)境，試驗(yàn)太陽(yáng)電池陣對(duì)日定向姿態(tài)控制和大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等新技術(shù).

（2）技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星

技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星是進(jìn)行新技術(shù)試驗(yàn)或?yàn)閼?yīng)用衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)的衛(wèi)星.航天技術(shù)中有很多新原理、新材料、新儀器，其能否使用，必須在天上進(jìn)行試；一種新衛(wèi)星的性能如何，也只有把它發(fā)射到天上去實(shí)際“鍛煉”，試驗(yàn)成功后才能應(yīng)用；人上天之前必須先進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)……這些都是技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的使命.

（3）應(yīng)用衛(wèi)星

應(yīng)用衛(wèi)星是直接為人類(lèi)服務(wù)的衛(wèi)星，它的種類(lèi)最多，數(shù)量最大，其中包括：通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、測(cè)地衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、截?fù)粜l(wèi)星等.

我國(guó)1988年9月7日發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星一“風(fēng)云一號(hào)”太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星.衛(wèi)星云圖的清晰度可與美國(guó)“諾阿”衛(wèi)星云圖媲美，但由于星上元器件發(fā)生故障，它只工作了39天.后成功發(fā)射了四顆極軌氣象衛(wèi)星（風(fēng)云號(hào)）和三顆靜止氣象衛(wèi)星（風(fēng)云二號(hào)），經(jīng)歷了從極軌衛(wèi)星到靜止衛(wèi)星，從試驗(yàn)衛(wèi)星到業(yè)務(wù)衛(wèi)星的發(fā)展過(guò)程.

八、典例分析

例1 地球赤道上有一物體隨地球一起自轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，所受的向心力為F1，向心加速度為a1，線速度為v1，角速度為ω1；繞地球表面附近做圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星（高度可忽略）所受的向心力為F2，向心加速度為a2，線速度為v2，角速度為ω2；地球同步衛(wèi)星所受的向心力為F3，向心加速度為a3，線速度為v3，角速度為ω3；地球表面重力加速度為g，第一宇宙速度為v，假設(shè)三者質(zhì)量相等，則

（）

A. F1=F2>F3

B.al=a2=>a3

C.vl=v2 =v>v3 D.ωl=ω3<ω2

例2 自1964年8月美國(guó)成功發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星以來(lái)，同步衛(wèi)星給人們的生活帶來(lái)很大的方便.例如，打開(kāi)電視，我們就可以收看到很多經(jīng)同步衛(wèi)星傳送的節(jié)目.衛(wèi)星直播已成為日常用語(yǔ).同步衛(wèi)星所在的軌道稱為同步軌道.若已知地球表面的重力加速度為g.地球半徑為R，地球自轉(zhuǎn)周期為T(mén)，試回答以下問(wèn)題：

（1）為了使同步軌道上的衛(wèi)星互不影響，每?jī)深w星之間要間隔100 km，則同步軌道上最多能同時(shí)存在多少顆同步衛(wèi)星？

（2）世界上有很多發(fā)射同步衛(wèi)星的航天發(fā)射場(chǎng)均盡可能建在靠近赤道的地方，這樣有何優(yōu)點(diǎn)？

（2）越靠近赤道的地方，物體隨地球自轉(zhuǎn)的線速度越大，初動(dòng)能越大，越有利于減少發(fā)射時(shí)所消耗的能量（或同步軌道在赤道平面內(nèi)，越靠近赤道，越有利于減少發(fā)射難度）.

例3 一顆在赤道上空運(yùn)行的人造衛(wèi)星，其軌道半徑r =2R（R為地球半徑），衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同.已知地球自轉(zhuǎn)的角速度為ω，地球表面處的重力加速度為g.

（1）求人造衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度.

（2）若某時(shí)刻衛(wèi)星通過(guò)赤道上某建筑物的正上方，求它至少經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間再次通過(guò)該建筑物的正上方.