高中物理易忽略的衛星知識

陳琴華

【內容摘要】本文從高考熱門考點 ——衛星知識出發，分析了學生對衛星知識的漏洞，讓學生對該部分知識有了系統的把握，同時對一些易錯點加強了分析。

【關鍵詞】赤道軌道 ?發射速度和環繞速度 ?變軌對接

隨著神八和天宮的對接以及北斗衛星的逐步發射，衛星問題成為高考熱門考點。學生對思路解題和常規知識沒有系統的歸納，容易造成知識的錯誤理解。下面總結了一些易忽略的知識點。

一、衛星的分類

衛星分類很多，若按照軌道劃分為：順行軌道、逆行軌道、赤道軌道、極地軌道等。

1.順行軌道衛星、逆行軌道衛星

大部分衛星都是順行軌道衛星。這是因為地球有自轉，順著地球自傳方向發射可以充分利用地球自轉的慣性，就可以節省大量燃料，提高火箭的速度或提高航天器有效載荷。航天發射場一般選擇在低緯度地區，因為緯度越低，能更有效的利用地球的自傳速度。

2.赤道軌道

軌道平面與地球赤道平面重合的軌道叫赤道軌道。這種軌道衛星在赤道上空運行。赤道軌道有無數條，但其中的一條地球靜止軌道具有特殊的重要地位 ——地球同步軌道。

由萬有引力提供向心力可知：

得到R+h= ? ? ? ? ? ? ?，因T= 24小時，可以求出h=3.6×104km，所有同步衛星在同一個軌道上以相同的周期、角速度、線速度運動。從地面上看，衛星猶如固定在赤道上空某一點，故也稱之為靜止軌道。

3.軌道平面通過地球兩極，這種軌道叫極地軌道

極地軌道和經度線共面，在這種軌道上運行的衛星可以飛經地球上任何地區上空。

不管那種軌道，地球都在軌道的圓心或焦點上。

二、衛星的發射

1.發射過程的加速度會很大嗎？

加速度對心血管循環系統的影響最大。人體因血液和其他體液的壓力分布，人體可承受的加速度在10G左右。現代火箭由于采用了先進的電腦控制，運動軌跡更加合理化，升空以后一般是3G的加速度。

2.衛星的瞬時速度可以大于7.9km/s 嗎？

衛星的瞬時速度有多大，要首先分析兩種速度的區別：發射速度和環繞速度。

（1）發射速度是指被發射物在地面附近離開發射裝置時的初速度，并且一旦發射后就再無能量補充，就比如站在地面上的人把手中的石頭拋出，出手的速度就為發射速度。

若發射速度大于7.9km/s小于11.2 km/s，衛星做橢圓軌道運行，如圖所示。發射后，因沒有動力，在重力作用下而減速然后返回，整個過程能量守恒（不考慮空氣阻力影響），所以回到發射點時候速度大于7.9km/s。

（2）環繞速度

當人造衛星進入軌道而繞地球做勻速圓周運行時，運行速度就是人造衛星的環繞速度，這個速度可應用地球對人造衛星的萬有引力提供人造衛星繞地球作勻速圓周運動的向心力而確定，由

得 ? ? ? ? ? ? ? ?，由此可以知道當r越大速度越小。由此可以知道，當r=R地時候，v最大為7.9km/s。

我們所謂的最大速度7.9km/s是指圓形軌道的最大繞行速度。

三、衛星變軌對接問題

1.發射高軌衛星一般采用變軌發射的方法

發射高軌衛星，要先發射到低軌，然后過渡到高軌。以發射同步衛星為例：首先利用第一級火箭將衛星送到180～200km的高空，繞地球做勻速圓周運動，該軌道為停泊軌道1。當衛星到達赤道上空A時，第二、三級火箭點火，軌道調整為赤道軌道，同時衛星的速度增加，萬有引力不足以提供向心力而發生離心運動，進入赤道平面內的橢圓軌道2。當衛星到達最遠點B時，恰好到達同步軌道3，由于從A點到B點過程，克服地球引力做功速度減小，萬有引力大于所需的向心力，需提高衛星的速度，使萬有引力恰好提供向心力，衛星就停留在同步軌道3上，如圖所示。

2.飛船如何實現對接的

同一軌道的A如何實現和B對接呢？這里絕不能簡單的認為，在該軌道上A加速追上B或B減速等A。圓形軌道，根據公式 ? ? ? ? ? ? ? ?可知，某一軌道半徑r，對應某一固定速率。

（1）v減小時，r怎么變化？

有同學錯誤認為：根據 ? ? ? ? ? ? ?，當v減小，r增大。因為這個公式是所有圓周軌道才遵守的規律。當v減小時，向心力減小，萬有引力大于向心力，應朝低軌道運動。重力勢能轉化為動能，在低軌道上以更快的速度轉動。

（2）A要追上B，需要先減速到低軌道1，在1軌道上轉動速度更快，然后在加速回歸到軌道2，實現對接。

衛星的問題還有很多，我們在王亞平的太空授課可以看到還有超失重問題、電影《地心引力》中衛星的墜落回收問題，只有我們多問、多思、多查資料才會真正的掌握它。

【參考文獻】

[1] 教育部 .普通高中物理課程標準（實驗）[S]. 北京：人民教育出版社，2003.

[2] 魏曉光 人造地球衛星變軌問題的分析與探討，《遼寧師專學報（自然科學版）》，2009.

（作者單位：江蘇省黃埭中學）endprint