聚焦人造地球衛(wèi)星

黃愛鳳

由于人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機的問世，使人們不斷地探索宇宙，為開發(fā)宇宙新能源而努力，是當今世界先進的科學領(lǐng)域，近幾年針對人造衛(wèi)星問題考查的頻率較高，衛(wèi)星問題與現(xiàn)代科技結(jié)合密切，應用型試題、結(jié)合實際，正是今后高考的命題趨勢.現(xiàn)就衛(wèi)星問題盤點如下，供同學們學習參考.

一、衛(wèi)星的原理

當?shù)厍蚺c物體之間的萬有引力恰好提供物體圍繞地球做勻速網(wǎng)周運動的向心力時，物體就會圍繞地球永遠運動下去，就成了地球的人造衛(wèi)星.

二、衛(wèi)星軌道

衛(wèi)星運動時，地球?qū)ζ淙f有引力提供向心力，所以衛(wèi)星的軌道平面必過地球球心.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)星僅受一個萬有引力作用，這個萬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應，與衛(wèi)星本身的質(zhì)量無關(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

空運行時，半徑r最小，運行速度最大，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，在上升過程機械能守恒，動能轉(zhuǎn)化成勢能，速度逐漸減小，到達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

首先利用第一級火箭將衛(wèi)星送到180-200 km的高空，繞地球做勻速網(wǎng)周運動，該軌道為停泊軌道A.當?shù)竭_赤道上空時，第二、三級火箭點火，此時衛(wèi)星的速度增加，萬有引力不足以提供向心力而發(fā)生離心運動，進入赤道平面內(nèi)的橢網(wǎng)軌道B.當衛(wèi)星到達最遠點時，恰好到達同步軌道c，由于克服地球引力做功速度減小，萬有引力大于所需的向心力，因而要在該處啟動衛(wèi)星發(fā)動機，提高衛(wèi)星的速度，使萬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)星的對接和回收

衛(wèi)星對接：由于衛(wèi)星的運動僅有萬有引力控制，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現(xiàn)對接.

衛(wèi)星的回收：衛(wèi)星在網(wǎng)軌道上正常運行時，萬有引力恰好提供向心力，要想回收則必需產(chǎn)生一個指向地心的加速度.因而只有先將衛(wèi)星減速后，萬有引力提供向心力后還可以產(chǎn)生一個指向地心的加速度，回收過程中由于重力做功，速度不斷增大（可見減速是瞬時的，最終速度增加），角速度增加，周期減小，加速度越來越大.

七、人造地球衛(wèi)星用途分類

（1）科學衛(wèi)星

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

美國發(fā)射的第一顆衛(wèi)星“探險者”號就是一顆科學探測衛(wèi)星，以后“探險者”發(fā)展成一個科學衛(wèi)星系列，它們主要用于探測地球大氣層和電離層；測量地球高空磁場；測量太陽輻射、太陽風；探測行星際空間等.

我國的“實踐一號”衛(wèi)星裝有紅外地平儀、太陽角計等探測儀器，取得了許多環(huán)境數(shù)據(jù).“實踐二號”和二號甲、二號乙是用一枚火箭同時發(fā)射的三顆衛(wèi)星.其中“實踐二號”外形為八面棱柱體，任務是探測空間環(huán)境，試驗太陽電池陣對日定向姿態(tài)控制和大容量數(shù)據(jù)存儲等新技術(shù).

（2）技術(shù)試驗衛(wèi)星

技術(shù)試驗衛(wèi)星是進行新技術(shù)試驗或為應用衛(wèi)星進行試驗的衛(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)射到天上去實際“鍛煉”，試驗成功后才能應用；人上天之前必須先進行動物試驗……這些都是技術(shù)試驗衛(wèi)星的使命.

（3）應用衛(wèi)星

應用衛(wèi)星是直接為人類服務的衛(wèi)星，它的種類最多，數(shù)量最大，其中包括：通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、測地衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、截擊衛(wèi)星等.

我國1988年9月7日發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星一“風云一號”太陽同步軌道氣象衛(wèi)星.衛(wèi)星云圖的清晰度可與美國“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（風云號）和三顆靜止氣象衛(wèi)星（風云二號），經(jīng)歷了從極軌衛(wèi)星到靜止衛(wèi)星，從試驗衛(wèi)星到業(yè)務衛(wèi)星的發(fā)展過程.

八、典例分析

例1 地球赤道上有一物體隨地球一起自轉(zhuǎn)做圓周運動，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動的人造衛(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月美國成功發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星以來，同步衛(wèi)星給人們的生活帶來很大的方便.例如，打開電視，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.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，試回答以下問題：

（1）為了使同步軌道上的衛(wèi)星互不影響，每兩顆星之間要間隔100 km，則同步軌道上最多能同時存在多少顆同步衛(wèi)星？

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

（2）越靠近赤道的地方，物體隨地球自轉(zhuǎn)的線速度越大，初動能越大，越有利于減少發(fā)射時所消耗的能量（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)星的運動方向與地球自轉(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)動的角速度.

（2）若某時刻衛(wèi)星通過赤道上某建筑物的正上方，求它至少經(jīng)過多長時間再次通過該建筑物的正上方.