高中物理易忽略的卫星知识

陈琴华

【内容摘要】本文从高考热门考点 ——卫星知识出发，分析了学生对卫星知识的漏洞，让学生对该部分知识有了系统的把握，同时对一些易错点加强了分析。

【关键词】赤道轨道  发射速度和环绕速度  变轨对接

随着神八和天宫的对接以及北斗卫星的逐步发射，卫星问题成为高考热门考点。学生对思路解题和常规知识没有系统的归纳，容易造成知识的错误理解。下面总结了一些易忽略的知识点。

一、卫星的分类

卫星分类很多，若按照轨道划分为：顺行轨道、逆行轨道、赤道轨道、极地轨道等。

1.顺行轨道卫星、逆行轨道卫星

大部分卫星都是顺行轨道卫星。这是因为地球有自转，顺着地球自传方向发射可以充分利用地球自转的惯性，就可以节省大量燃料，提高火箭的速度或提高航天器有效载荷。航天发射场一般选择在低纬度地区，因为纬度越低，能更有效的利用地球的自传速度。

2.赤道轨道

轨道平面与地球赤道平面重合的轨道叫赤道轨道。这种轨道卫星在赤道上空运行。赤道轨道有无数条，但其中的一条地球静止轨道具有特殊的重要地位 ——地球同步轨道。

由万有引力提供向心力可知：

得到R+h=              ，因T= 24小时，可以求出h=3.6×104km，所有同步卫星在同一个轨道上以相同的周期、角速度、线速度运动。从地面上看，卫星犹如固定在赤道上空某一点，故也称之为静止轨道。

3.轨道平面通过地球两极，这种轨道叫极地轨道

极地轨道和经度线共面，在这种轨道上运行的卫星可以飞经地球上任何地区上空。

不管那种轨道，地球都在轨道的圆心或焦点上。

二、卫星的发射

1.发射过程的加速度会很大吗？

加速度对心血管循环系统的影响最大。人体因血液和其他体液的压力分布，人体可承受的加速度在10G左右。现代火箭由于采用了先进的电脑控制，运动轨迹更加合理化，升空以后一般是3G的加速度。

2.卫星的瞬时速度可以大于7.9km/s 吗？

卫星的瞬时速度有多大，要首先分析两种速度的区别：发射速度和环绕速度。

（1）发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，就比如站在地面上的人把手中的石头抛出，出手的速度就为发射速度。

若发射速度大于7.9km/s小于11.2 km/s，卫星做椭圆轨道运行，如图所示。发射后，因没有动力，在重力作用下而减速然后返回，整个过程能量守恒（不考虑空气阻力影响），所以回到发射点时候速度大于7.9km/s。

（2）环绕速度

当人造卫星进入轨道而绕地球做匀速圆周运行时，运行速度就是人造卫星的环绕速度，这个速度可应用地球对人造卫星的万有引力提供人造卫星绕地球作匀速圆周运动的向心力而确定，由

得                ，由此可以知道当r越大速度越小。由此可以知道，当r=R地时候，v最大为7.9km/s。

我们所谓的最大速度7.9km/s是指圆形轨道的最大绕行速度。

三、卫星变轨对接问题

1.发射高轨卫星一般采用变轨发射的方法

发射高轨卫星，要先发射到低轨，然后过渡到高轨。以发射同步卫星为例：首先利用第一级火箭将卫星送到180～200km的高空，绕地球做匀速圆周运动，该轨道为停泊轨道1。当卫星到达赤道上空A时，第二、三级火箭点火，轨道调整为赤道轨道，同时卫星的速度增加，万有引力不足以提供向心力而发生离心运动，进入赤道平面内的椭圆轨道2。当卫星到达最远点B时，恰好到达同步轨道3，由于从A点到B点过程，克服地球引力做功速度减小，万有引力大于所需的向心力，需提高卫星的速度，使万有引力恰好提供向心力，卫星就停留在同步轨道3上，如图所示。

2.飞船如何实现对接的

同一轨道的A如何实现和B对接呢？这里绝不能简单的认为，在该轨道上A加速追上B或B减速等A。圆形轨道，根据公式                可知，某一轨道半径r，对应某一固定速率。

（1）v减小时，r怎么变化？

有同学错误认为：根据              ，当v减小，r增大。因为这个公式是所有圆周轨道才遵守的规律。当v减小时，向心力减小，万有引力大于向心力，应朝低轨道运动。重力势能转化为动能，在低轨道上以更快的速度转动。

（2）A要追上B，需要先减速到低轨道1，在1轨道上转动速度更快，然后在加速回归到轨道2，实现对接。

卫星的问题还有很多，我们在王亚平的太空授课可以看到还有超失重问题、电影《地心引力》中卫星的坠落回收问题，只有我们多问、多思、多查资料才会真正的掌握它。

【参考文献】

[1] 教育部 .普通高中物理课程标准（实验）[S]. 北京：人民教育出版社，2003.

[2] 魏晓光 人造地球卫星变轨问题的分析与探讨，《辽宁师专学报（自然科学版）》，2009.

（作者单位：江苏省黄埭中学）endprint