人造卫星之基本知识点及例题

《人造卫星宇宙速度》知识清单一、人造卫星（一）什么是人造卫星人造卫星是指环绕地球在空间轨道上运行的无人航天器。

其基本组成部分包括卫星本体、姿态控制系统、电源系统、通信系统、遥感系统等。

人造卫星的用途多种多样，涵盖了通信、导航、气象观测、地球资源勘探、科学研究等多个领域。

（二）人造卫星的分类1、通信卫星用于实现远距离的通信，包括电话、电视、数据传输等。

它们通常位于地球同步轨道上，这样可以保持相对地球表面的固定位置，便于地面接收站的持续跟踪和通信。

2、导航卫星为地球上的用户提供定位、导航和授时服务。

例如我们熟知的GPS、北斗等导航系统，通过多颗卫星组成的星座，能够精确确定用户的位置和时间。

3、气象卫星用于监测地球的气象状况，包括云层分布、大气温度、湿度、风速等。

这些数据对于天气预报、气候研究以及灾害预警等具有重要意义。

4、地球观测卫星主要用于对地球表面进行观测，获取地形、植被、水资源、海洋等方面的信息，为环境保护、农业、地质勘探等领域提供支持。

5、科学卫星旨在进行空间科学研究，如探测宇宙射线、研究太阳活动、观测星系等，推动天文学、物理学等学科的发展。

（三）人造卫星的轨道1、低地球轨道（LEO）高度一般在 160 2000 千米之间。

在这个轨道上运行的卫星环绕地球的周期较短，通常为 90 分钟至 2 小时。

许多通信卫星、遥感卫星和科学实验卫星会选择低地球轨道。

2、中地球轨道（MEO）高度范围大约在 2000 35786 千米之间。

例如，一些导航卫星就工作在中地球轨道。

3、地球同步轨道（GEO）高度约为 35786 千米。

位于此轨道的卫星绕地球运行的周期与地球自转周期相同，从地面上看，卫星好像静止在天空的某个位置，因此常用于通信和气象卫星。

4、太阳同步轨道卫星的轨道平面与太阳始终保持相对固定的取向，使得卫星经过同一地点的当地时间相同，有利于对地球进行重复观测。

二、宇宙速度（一）第一宇宙速度也称为环绕速度，大小约为 79 千米/秒。

人造卫星问题1. 人造地球卫星的发射速度对于人造地球卫星，由，得，这一速度是人造地球卫星在轨道上的运行速度，其大小随轨道半径的增大而减小，但是，由于在人造地球卫星发射过程中火箭要克服地球引力做功，所以将卫星发射到距地球越远的轨道，在地面上所需的发射速度就越大。

2. 人造卫星的运行速度、角速度、周期与半径的关系根据万有引力提供向心力，则有（1）由，得，即人造卫星的运行速度与轨道半径的平方根成反比，所以半径越大（即卫星离地面越高），线速度越小。

（2）由，得，即，故半径越大，角速度越小。

（3）由，得，即，所以半径越大，周期越长，发射人造地球卫星的最小周期约为85分钟。

3. 人造卫星的发射速度和运行速度（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速度，并且一旦发射后就再也没有补充能量，被发射物仅依靠自身的初动能克服地球引力做功上升一定高度，进入运动轨道（注意：发射速度不是应用多级运载火箭发射时，被发射物离开地面发射装置的初速度）。

要发射一颗人造卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。

因此，第一宇宙速度又是最小的发射速度。

卫星离地面越高，卫星的发射速度越大，贴近地球表面的卫星（近地卫星）的发射速度最小，就是其运行速度即第一宇宙速度。

（2）运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度，根据可知，卫星越高，半径越大，卫星的运行速度（环绕速度）就越小，近地卫星可认为，其他较高卫星的。

4. 人造卫星的超重与失重（1）人造卫星在发射升空时，有一段加速运动：在返回地面时，有一段减速运动，这两个过程加速度方向均向上，因而都是超重状态。

（2）人造卫星在沿圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力，所以处于完全失重状态，在这种情况下凡是与重力有关的力学现象都会停止发生。

因此，在卫星上的仪器，凡是制造原理与重力有关的均不能使用，同理，与重力有关的实验也将无法进行。

5. 人造卫星的加速度（1）引力加速度。

4.人造卫星 宇宙速度1．人造卫星卫星是太空中绕行星运动的物体．将第一颗人造卫星送入围绕地球运行轨道的国家是前苏联．2．宇宙速度1．第一宇宙速度是能使卫星绕地球运行的最小发射速度．(√) 2．第一宇宙速度是人造卫星绕地球运行的最小速度．(×) 3．第二宇宙速度是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度．(×) 若要发射火星探测器，试问这个探测器应大约以多大的速度从地球上发射？ 【提示】 火星探测器绕火星运动，脱离了地球的束缚，但没有挣脱太阳的束缚，因此它的发射速度应在第二宇宙速度与第三宇宙速度之间，即11.2 km/s ＜v ＜16.7 km/s.发射卫星，要有足够大的速度才行，请思考：图3­4­1探讨1：不同星球的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的决定因素是什么？【提示】 不同，根据G Mm R ＝m v 2R ，v ＝GMR，第一宇宙速度决定于星球的质量和半径． 探讨2：把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？ 【提示】 轨道越高，需要的发射速度越大．1．解决天体运动问题的基本思路：一般行星或卫星的运动可看作匀速圆周运动，所需要的向心力都由中心天体对它的万有引力提供，所以研究天体时可建立基本关系式：G Mm R＝ma ，式中a 是向心加速度．2．常用的关系式(1)G Mm r 2＝m v 2r ＝m ω2r ＝m 4π2T2r ，万有引力全部用来提供行星或卫星做圆周运动的向心力．(2)mg ＝G MmR2即gR 2＝GM ，物体在天体表面时受到的引力等于物体的重力．该公式通常被称为黄金代换式．3．四个重要结论：设质量为m 的天体绕另一质量为M 的中心天体做半径为r 的匀速圆周运动．(1)由GMm r 2＝m v 2r得v ＝GMr，r 越大，天体的v 越小． (2)由G Mm r2＝m ω2r 得ω＝GMr 3，r 越大，天体的ω越小． (3)由G Mm r 2＝m ⎝ ⎛⎭⎪⎫2πT 2r 得T ＝2πr 2GM，r 越大，天体的T 越大． (4)由G Mm r2＝ma n 得a n ＝GM r2，r 越大，天体的a n 越小．以上结论可总结为“一定四定，越远越慢”．4．地球同步卫星及特点：地球同步卫星及特点：(1)概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，叫作地球同步卫星．(2)特点：①确定的转动方向：和地球自转方向一致；②确定的周期：和地球自转周期相同，即T＝24 h；③确定的角速度：等于地球自转的角速度；④确定的轨道平面：所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合；⑤确定的高度：离地面高度固定不变(3.6×104 km)；⑥确定的环绕速率：线速度大小一定(3.1×103 m/s)．1．下面关于同步通信卫星的说法中不正确的是( )A．各国发射的地球同步卫星的高度和速率都是相等的B．同步通信卫星的角速度虽已被确定，但高度和速率可以选择，高度增加，速率增大；高度降低，速率减小，仍同步C．我国发射第一颗人造地球卫星的周期是114 min，比同步通信卫星的周期短，所以第一颗人造卫星离地面的高度比同步通信卫星的低D．同步通信卫星的速率比我国发射的第一颗人造地球卫星的速率小【解析】同步通信卫星的周期与角速度跟地球自转的周期与角速度相同，由ω＝GM r3和h＝r－R知卫星高度确定．由v＝ωr知速率也确定，A正确，B错误；由T＝2πr3GM知第一颗人造地球卫星高度比同步通信卫星的低，C正确；由v＝GMr知同步通信卫星比第一颗人造地球卫星速率小，D正确．故选B.【答案】 B2．关于第一宇宙速度，下列说法中正确的是( )【导学号：22852074】A．第一宇宙速度是人造地球卫星环绕运行的最小速度B．第一宇宙速度是人造地球卫星环绕运行的最大速度C．第一宇宙速度是地球同步卫星环绕运行的速度D．不同行星的第一宇宙速度都是相同的【解析】第一宇宙速度的大小等于靠近地面附近飞行的卫星绕地球公转的线速度．卫星做圆周运动的向心力由地球对它的万有引力提供，由GMmR ＋h2＝mv 2R ＋h可得v ＝GMR ＋h.可见卫星的高度越高，则公转的线速度越小，所以靠近地球表面飞行的卫星(h 的值可忽略)的线速度最大，故选项B 正确；地球同步卫星在地球的高空运行，所以它的线速度小于第一宇宙速度，所以选项C 错误；行星的质量和半径不同，使得行星的第一宇宙速度的值也不相同，所以选项D 错误．【答案】 B3.如图3­4­2，若两颗人造卫星a 和b 均绕地球做匀速圆周运动，a 、b 到地心O 的距离分别为r 1、r 2，线速度大小分别为v 1、v 2，则( )【导学号：22852075】图3­4­2A.v 1v 2＝ r 2r 1B.v 1v 2＝r 1r 2C.v 1v 2＝⎝ ⎛⎭⎪⎫r 2r 12D.v 1v 2＝⎝ ⎛⎭⎪⎫r 1r22【解析】 对人造卫星，根据万有引力提供向心力GMm r 2＝m v 2r，可得v ＝GMr.所以对于a 、b 两颗人造卫星有v 1v 2＝r 2r 1，故选项A 正确． 【答案】 A4．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【解析】 探测器做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力，则：G Mm r 2＝m 4π2T2r ，整理得T ＝2πr 3GM ，可知周期T 较小的轨道，其半径r 也小，A 正确；由G Mm r 2＝ma n ＝m v 2r ＝m ω2r ，整理得：a n ＝G M r2，v ＝G Mr，ω＝GMr 3，可知半径变小，向心加速度变大，线速度变大，角速度变大，故B 、C 、D 错误．【答案】 A5．如图3­4­3所示，甲、乙两颗卫星以相同的轨道半径分别绕质量为M 和2M 的行星做匀速圆周运动．下列说法正确的是( )图3­4­3A ．甲的向心加速度比乙的小B ．甲的运行周期比乙的小C ．甲的角速度比乙的大D ．甲的线速度比乙的大 【解析】 根据G Mm r 2＝ma 得a ＝GM r 2.故甲卫星的向心加速度小，选项A 正确；根据G Mmr2＝m ⎝ ⎛⎭⎪⎫2πT 2r ，得T ＝2πr 3GM ，故甲的运行周期大，选项B 错误；根据G Mm r2＝m ω2r ，得ω＝GMr 3，故甲运行的角速度小，选项C 错误；根据G Mm r 2＝mv 2r，得v ＝GMr，故甲运行的线速度小，选项D 错误．【答案】 A6．研究表明，地球自转在逐渐变慢，3亿年前地球自转的周期约为22小时．假设这种趋势会持续下去，地球的其他条件都不变，未来人类发射的地球同步卫星与现在的相比( )A ．距地面的高度变大B ．向心加速度变大C ．线速度变大D ．角速度变大【解析】 地球的自转周期变大，则地球同步卫星的公转周期变大．由GMmR ＋h2＝m4π2T 2(R ＋h )，得h ＝3GMT 24π2－R ，T 变大，h 变大，A 正确．由GMm r 2＝ma ，得a ＝GMr2，r 增大，a 减小，B 错误．由GMm r 2＝mv 2r ，得v ＝GM r ，r 增大，v 减小，C 错误．由ω＝2πT可知，角速度减小，D 错误．【答案】 A天体运动问题解答技巧(1)比较围绕同一个中心天体做匀速圆周运动的行星或卫星的v 、ω、T 、a n 等物理量的大小时，可考虑口诀“越远越慢”(v 、ω、T )、“越远越小”(a n )．(2)涉及绕同一个中心天体做匀速圆周运动的行星或卫星的计算问题时，若已知量或待求量中涉及重力加速度g ，则应考虑黄金代换式gR 2＝GM ⎝⎛⎭⎪⎫mg ＝G Mm R2的应用．(3)若已知量或待求量中涉及v 或ω或T ，则应考虑从G Mm r 2＝m v 2r ＝m ω2r ＝m 4π2T2r 中选择相应公式应用．1．经典力学的成就与局限性 2．了解相对论(选学) 3．初识量子论(选学)1．经典力学的成就英国物理学家牛顿在《自然哲学的数学原理》中建立了一个完整的力学理论体系．他的理论只用几个基本的概念和原理，不但可以解决人们日常看到的种种物体的运动问题，也可以说明天体运动规律．经典力学的思想方法的影响远远超出了物理学与天文学的研究领域，对其他自然科学、社会科学领域都产生了巨大影响．2．经典力学的局限性(1)经典力学是从日常的机械运动中总结出来的，超出宏观的、日常生活经验的领域常常就不适用了．(2)绝对时空观：把时间、空间、物质及其运动之间的联系割裂开来，不能解释高速运动领域的许多现象．(3)经典力学认为一切自然现象都服从、遵守力学原理，严格按力学规律发生、演化，并且变化是连续的，这种观点与微观世界的很多现象都不相符．3．经典力学的适用范围(1)只适用于低速运动，不适用于高速运动．(2)只适用于宏观物体的运动，不适用于微观粒子的运动．(3)只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境．1．经典力学的基础是牛顿运动定律．(√)2．经典力学中时间、空间与物质及其运动完全无关．(√)3．经典力学可以研究质子、中子等微观粒子的运动规律．(×)洲际导弹的速度可达6 000 m/s，此速度属于低速还是高速？【提示】属于低速.6 000 m/s远小于光速，因此属于低速．地球绕太阳公转的速度是3×104m/s；设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999 999 999 987 倍光速的速度．请思考：图5­1­1探讨：地球的公转和电子的运动情况都能用经典力学(牛顿力学)来研究吗？【提示】地球的公转属于宏观、低速运动，能用经典力学来研究；而电子的运动属于微观、高速运动，经典力学就不能适用了．1．以牛顿运动定律为基础的经典力学的成就(1)牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃．(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用，并取得了巨大的成就．(3)18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命．(4)由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理论基础．火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例．2．经典力学的局限性(1)经典力学的绝对时空观，割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象．(2)经典力学的运动观，从自然观角度来说，给出的是一幅机械运动的图景，不能解释微观世界丰富多彩的现象．3．经典力学的适用范围相对论和量子力学的出现，使人们认识到经典力学的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界．1．经典力学不能适用于下列哪些运动( )A．火箭的发射B．宇宙飞船绕地球的运动C．“勇气号”宇宙探测器在火星着陆D．微观粒子的波动性【解析】经典力学适用于宏观物体的低速运动，故经典力学对A、B、C都能适用，对D不适用．【答案】 D2．经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指( )A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域B．地球表面上的物质世界C．人眼能看到的物质世界D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界【解析】前三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，本题应选D.【答案】 D3.(多选)20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子．这说明( )A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论B．人们对客观事物的具体认识，在广度上是有局限性的C．不同领域的事物各有其本质与规律D．人们应当不断地扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律【解析】人们对客观世界的认识，要受到他所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断地扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生，并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形．所以A错，B、C、D对．【答案】BCD科学是不断发展和完善的一切科学的发展都是人们主动认识世界的过程，而每个人的研究又都是建立在前人的基础上，通过自己的努力去发展和提高．科学的成就总是在某些条件下的局部形成，在新的科学成就形成后，它将被包括在其中．爱因斯坦的相对论并没有否定牛顿力学的理论，而是把它看成是在一定条件下的特殊情形．1．狭义相对论爱因斯坦针对经典力学的运动规律在处理微观高速时所遇到的困难，创立了狭义相对论．狭义相对论的主要效应有：(1)长度收缩：在观测运动的物体时，物体沿运动方向上的长度会收缩．(2)时钟变慢：在观测运动的时钟时，时钟显示的时间变慢．(3)质量变化：物体的质量随速度的增大而增大．(4)质能关系：物体的质量和能量之间存在着相互联系的关系，关系式为：E＝mc2.(5)速度上限：任何物体的速度都不能超过光速．一般情况下，由于物体的速度v≪c，相对论效应消失，其结果还原为经典力学．因此认为经典力学是相对论力学在低速情况下的近似．2．广义相对论(1)爱因斯坦于1916年创立了广义相对论．根据该理论推得一些结果，例：(a)当光线通过强引力场时，光线会发生偏折，即时空会发生“弯曲”．(b)引力场存在引力波．(2)广义相对论把数学与物理学紧密地联系在了一起．3．量子论的基本内容(1)量子假设最早是在1900年由德国物理学家普朗克提出来的．(2)量子论认为，微观世界的某些物理量不能连续变化，而只能取某些分立值，相邻两分立值之差称为该物理量的一个量子．(3)微观粒子有时显示出波动性，有时又显示出粒子性，这种在不同条件下分别表现出经典力学中的波动性和粒子性的性质称为波粒二象性，在粒子的质量或能量越大时，波动性变得越不显著，所以我们日常所见的宏观物体，实际上可以看做只具有粒子性．(4)由于微观粒子运动的特殊规律性，使一个微观粒子的某些物理量不可能(填“不可能”或“一定”)同时具有确定的数值．例如粒子的位置和动量，其中的一个量愈确定，另一个量就愈不确定，粒子的运动不遵守确定性规律而遵守统计规律．1．物体高速运动时，沿运动方向上的长度会变短．(√)2．质量是物体的固有属性，任何时候都不会变．(×)3．对于高速运动的物体，它的质量随着速度的增加而变大．(√)如果你使一个物体加速、加速、再加速，它的速度会增加到等于光速甚至大于光速吗？【提示】不能．因为物体的质量随速度的增大而增大，假若物体的速度趋近于光速，这时物体的质量会趋近于无穷大，故不可能把物体的速度增大到等于光速，当然更不可能大于光速，因为光速是速度的最大值．探讨：在狭义相对论中，长度收缩是不是指物体的长度变短了？时钟变慢是不是指时钟走得慢了？【提示】 不是．长度收缩和时钟变慢是由于时空条件不同而引起的观测效应，不是物体的长度真的变短或时钟真的变慢了．1．尺缩效应运动长度l 会收缩，l ＝l 01－v 2c2，l 为沿运动方向观测到的物体长度，l 0为物体静止时观测到的长度，在垂直于运动方向上，物体的长度没有变化．2．钟慢效应 运动时钟会变慢，τ＝τ1－v 2c2，即运动时钟显示的时间τ比静止的时钟显示的时间τ延缓了，而时钟的结构并没有改变． 3．质速关系物体的质量m 随速度v 的增大而变大，m ＝m 01－v 2c2，m 0为静止时的质量，m 为运动时的质量．4．质能关系质量m 和能量E 之间存在着一个相互联系的关系式：E ＝mc 2，式中c 为光速．5．任何物体的速度不能超过光速．6．当v ≪c 时，相对论效应消失，其结果还原为经典力学，因此经典力学是相对论力学在低速情况下的近似．4．假设地面上有一列火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是( )【导学号：22852123】A ．这个人是一个矮胖子B ．这个人是一个瘦高个子C ．这个人矮但不胖D ．这个人瘦但不高 【解析】 由公式l ＝l 01－v 2c2可知，在运动方向上，人的宽度要减小，在垂直于运动方向上，人的高度不变．【答案】 D5．A 、B 两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，v A ＞v B .在火箭A 上的人观察到的结果正确的是( )A ．火箭A 上的时钟走得最快B ．地面上的时钟走得最快C ．火箭B 上的时钟走得最快D ．火箭B 上的时钟走得最慢【解析】 在火箭A 看来，地面和火箭B 都高速远离自已，由t ＝t 01－⎝ ⎛⎭⎪⎫v c 2知，在火箭A 上的人观察到的结果是地面和火箭B 的时钟都变慢了，且vA ＞v B ，故地面的时钟最慢，因此A 正确，B 、C 、D 错误．【答案】 A6．把电子从v 1＝0.9c 加速到v 2＝0.97c 时电子的质量增加多少？(已知电子静止质量m 0＝9.1×10－31 kg)【解析】 电子速度为v 1时电子质量为m 1＝m 01－v 1c2＝m 01－0.92电子速度为v 2时电子质量为m 2＝m 01－v 2c2＝m 01－0.972电子质量增量为Δm ＝m 2－m 1＝1.66×10－30kg.【答案】 1.66×10－30kg时间延缓效应和长度收缩效应的应用方法1．(1)“钟慢效应”或“动钟变慢”是在两个不同惯性系中进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化，而是在不同参考系中对时间的观测效应．(2)运动时钟变慢完全是相对的，在两个惯性参考系中的观测者都将发现对方的钟变慢了．2．(1)长度收缩效应是狭义相对论时空观的一种体现，即在不同惯性系中的观测者对同一物体的同一个空间广延性进行观测，测得的结果不同．(2)这种沿着运动方向的长度的变化是相对的；另外垂直于速度方向的长度不变．。

第二讲 人造卫星与宇宙航行➢ 知识梳理1．天体(卫星)运行问题分析将天体或卫星的运动看成匀速圆周运动，其所需向心力由万有引力提供． 2．物理量随轨道半径变化的规律G Mmr 2＝⎩⎪⎨⎪⎧ma →a ＝GM r 2→a ∝1r2m v 2r →v ＝GM r →v ∝1r mω2r →ω＝GM r 3→ω∝1r3m 4π2T 2r →T ＝4π2r3GM→T ∝r 3即r 越大，v 、ω、a 越小，T 越大．(越高越慢) 3．人造卫星卫星运行的轨道平面一定通过地心，一般分为赤道轨道、极地轨道和其他轨道，同步卫星的轨道是赤道轨道．(1)极地卫星运行时每圈都经过南北两极，由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖． (2)同步卫星①轨道平面与赤道平面共面，且与地球自转的方向相同． ②周期与地球自转周期相等，T ＝24 h. ③高度固定不变，h ＝3.6×107 m. ④运行速率均为v ＝3.1 km/s.(3)近地卫星：轨道在地球表面附近的卫星，其轨道半径r ＝R (地球半径)，运行速度等于第一宇宙速度v ＝7.9 km/s(人造地球卫星的最大圆轨道运行速度)，T ＝85 min(人造地球卫星的最小周期)． 注意：近地卫星可能为极地卫星，也可能为赤道卫星． 4．宇宙速度 (1)第一宇宙速度①第一宇宙速度又叫环绕速度，其数值为7.9 km/s 。

②第一宇宙速度是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动时的速度。

③第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，也是人造卫星的最大环绕速度。

④第一宇宙速度的计算方法 由G Mm R 2＝m v 2R得v ＝GMR； 由mg ＝m v 2R得v ＝gR ．(2)第二宇宙速度：使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度，其数值为11.2 km/s ． (3)第三宇宙速度：使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，其数值为16.7 km/s ． 考点一、卫星运行参量的分析1．公式中r 指轨道半径，是卫星到中心天体球心的距离，R 通常指中心天体的半径，有r ＝R ＋h . 2．同一中心天体，各行星v 、ω、a 、T 等物理量只与r 有关；不同中心天体，各行星v 、ω、a 、T 等物理量与中心天体质量M 和r 有关． 3．地球同步卫星的特点4．卫星的各物理量随轨道半径变化的规律例1、如图所示，a 为地球赤道上的物体，b 为沿地球表面附近做匀速圆周运动的人造卫星，c 为地球同步卫星。

人造卫星变轨问题专题一、人造卫星基本原理绕地球做匀速圆周运动的人造卫星所需向心力由万有引力提供。

轨道半径r 确定后，与之对GM、周期T 2r 3、向心加速度 a GM应的卫星线速度 v 也都是确定的。

如果卫星r 2rGM的质量也确定，一旦卫星发生变轨，即轨道半径r 发生变化，上述物理量都将随之变化。

同理，只要上述物理量之一发生变化，另外几个也必将随之变化。

在高中物理中，会涉及到人造卫星的两种变轨问题。

二、渐变由于某个因素的影响使卫星的轨道半径发生缓慢的变化（逐渐增大或逐渐减小） ，由于半径变化缓慢，卫星每一周的运动仍可以看做是匀速圆周运动。

解决此类问题，首先要判断这种变轨是离心还是向心，即轨道半径是增大还是减小，然后再判断卫星的其他相关物理量如何变化。

如：人造卫星绕地球做匀速圆周运动，无论轨道多高，都会受到稀薄大气的阻力作用。

如果不及时进行轨道维持（即通过启动星上小型火箭，将化学能转化为机械能，保持卫星应具有的速度），卫星就会自动变轨，偏离原来的圆周轨道，从而引起各个物理量的变化。

由于这种变轨的起因是阻力，阻力对卫星做负功， 使卫星速度减小， 所需要的向心力m v 2减r小了，而万有引力大小GMm没有变，因此卫星将做向心运动，即半径r 将减小。

r 2由㈠中结论可知：卫星线速度 v 将增大，周期 T 将减小，向心加速度三、突变由于技术上的需要，有时要在适当的位置短时间启动飞行器上的发动机，使飞行器轨道发生突变，使其到达预定的目标。

如：发射同步卫星时，通常先将卫星发送到近地轨道Ⅰ，使其绕地球做匀速圆周运动，速率为v 1，第一次在 P 点点火加速，在短时间内将速率由 v 1 增加到 v 2，使卫星进入椭圆形的转移轨道Ⅱ；卫星运行到远地点 Q 时的速率为 v 3，此时进行第二次点火加速， 在短时间内将速率由 v 3 增加到 v 4，使卫星进入同步轨道Ⅲ， 绕地球做匀速圆周运动。

a 将增大。

v 3ⅢQ v 4v 1 Ⅱ Ⅰ Pv 2第一次加速：卫星需要的向心力mv 2 增大了，但万有引力 GMm 没变，因此卫星将开始做rr 2离心运动，进入椭圆形的转移轨道Ⅱ。

人造卫星问题专题课程编码：100405053例1. 地球赤道上有一物体随地球的自转而做圆周运动，所受的向心力为1F ，向心加速度为1a ，线速度为1v ，角速度为1ω，绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星（高度忽略）所受的向心力为2F ，向心加速度为2a ，线速度为2v ，角速度为2ω；地球同步卫星所受的向心力为3F ，向心加速度为3a ，线速度为3v ，角速度为3ω；地球表面重力加速度为g ，第一宇宙速度为v ，假设三者质量相等，则A. 321F F F >=B. 321a g a a >==C. 321v v v v >==D. 231ω<ω=ω课程编码：100405054变式：考题：如图（1）所示，地球上空有人造地球同步通信卫星，它们向地球发射微波，但无论同步卫星数目增到多少个，地球表面上总有一部分面积不能直接收到它们发射来的微波，问这个面积S 与地球面积0S 之比至少有多大？结果要求保留两位有效数字，已知地球半径m 104.6R 60⨯=，半径为R ，高为h 的球缺的表面积为Rh 2S 1π=，球面积为2R 4S π=。

（1）课程编码：100405055例2. 宇宙飞船和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. 飞船加速直到追上空间站，完成对接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课程编码：100405056变式：考题1：发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道上，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步轨道3。

轨道1、2相切于Q 点，轨道2、3相切于P 点（如图所示），则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运动时，下列说法正确的是A. 卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率B. 卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度C. 卫星在轨道1上经过Q 点时的加速度大于它在轨道2上经过Q 点时的加速度D. 卫星在轨道2上经过P 点时的加速度等于它在轨道3上经过P 点时的加速度课程编码：100405057考题2：如图所示，a 、b 、c 是在地球大气层外圆形轨道上运行的3颗人造卫星，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cD. a 卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将变大课程编码：100405058例3. 2003年8月29日，火星、地球和太阳处于三点一线上，上演“火星冲日”的天象奇观。

§3.4 人造卫星 宇宙速度 一.本节知识归纳：（一）处理卫星问题方法：把天体运动看成匀速圆周运动、万有引力提供向心力，即222224T r m r m r v mr Mm G F πω====万；由该式可知：r 越大，卫星线速度越 ；角速度越 ；周期越 ．(二)宇宙速度：1.第一宇宙速度：v = km/s ，它是卫星在 绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度．2.第二宇宙速度：v = km/s ，它是卫星 的最小发射速度．3.第三宇宙速度：v = km/s ，它是卫星 的最小发射速度．(三)近地卫星：1.轨道：以地心为圆心的圆形轨道。

2.万有引力提供向心力=n F F 引 r 增大2Mm G r = 2222n n v m v r mr mr T ma a ωωπ⇒=⇒⎛⎫⎪⎝⎭⇒(四)同步卫星：1.轨道：在赤道的正上方。

2.定周期：T=24小时。

3.离地高度：h=36000km 。

求解方法：万有引力提供向心力()()2222()36000MmGm R h h RT R h h R km π=+⇒=+⇒==由黄金代换式GM=gR 4.线速度大小：v=3.1km/s 5.角速度大小：定值。

6.向心加速度大小：定值。

二．例题分析：D v ．从人造卫星环绕地球运转的速度＝可知，把卫星发gR r 02/例1.1990年3月，紫金山天文台将1965年9月20日发现的第2753号小行星命名为吴健雄星，其直径为32km ，如该小行星的密度和地球相同，则该小行星的第一宇宙速度为多少？（已知地球半径R =6400km ，地球的第一宇宙速度v 1=8km/s ）例2.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 所需向心力最小B ．b 、c 周期相等，且大于a 的周期C ．b 、c 的向心加速度大小相等，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 的线速度例3.有两个人造地球卫星，都绕地球做匀速圆周运动，已知它们的轨道半径之比r 1∶r 2＝4∶1，求这两个卫星的： (1)线速度之比； (2)角速度之比； (3)向心加速度之比； (4)运动周期之比．例4.关于第一宇宙速度，下面说法中错误的是( ) A ．它是人造地球卫星绕地飞行的最小速度 B ．它是人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度 C ．它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度射到越远的地方越容易例5.关于我国发射的“亚洲一号”地球同步通讯卫星的说法，正确的是( ) A．若其质量加倍，则轨道半径也要加倍B．它在北京上空运行，故可用于我国的电视广播C．它以第一宇宙速度运行 D．它运行的角速度与地球自转角速度相同例6.两颗人造地球卫星A和B的质量之比m A∶m B＝1∶2，轨道半径之比r A∶r B＝1∶3，某一时刻它们的连线通过地心，则此时它们的线速度之比v A∶v B＝___________，向心加速度之比a A∶a B＝___________，向心力之比F A∶F B＝_____________．例7.人造卫星在太空运行中，天线偶然折断，天线将（）A.继续和卫星一起沿轨道运行B.做平抛运动，落向地球C.由于惯性，沿轨道切线方向做匀速直线运动，远离地球D.做自由落体运动，落向地球例8.已知火星的半径为地球半径的一半，火星的质量为地球质量的1/9，已知一物体在地球上的重量比在火星上的重量大49N，求这个物体的质量是多少。

人造卫星知识归类一、飞出地球去：1. 人造卫星：将物体以水平速度从某一高度抛出，随着速度的不断增加，水平射程不断增大，当速度增大到某一值时，物体将不落回地面而是绕地球做圆周运动，则此物体就成为地球的卫星。

注意：此时卫星绕地球是公转2.人造卫星做匀速圆周运动的圆心位置及向心力的来源：3.人造卫星的解题方法：4.卫星的绕行线速度、角速度、周期、向心加速度随轨道半径r 的变化规律：例1.侦察卫星在通过地球两极上空的圆轨道上运行，它的运行轨道距地面高度为h ，要使卫星在一天的时间内将地面上赤道各处在日照条件下全都拍摄下来，卫星在通过赤道上空时，卫星上的摄像机至少应拍摄地面上赤道圆周的弧长是多少？设地球半径是R,地面处的重力加速度为g ，地球的自转周期为T 。

思考：物体要具有多大的速度，才能环绕地球运动成为地球的卫星呢?5.卫星的两个速度：（1） 发射速度：将人造卫星送入预定轨道运行所必须具有的速度。

（2） 绕行速度：卫星在轨道上绕地球做匀速圆周运动所具有的速度。

人造地球卫星的线速度可用r v m r Mm G 22=求得rGM v =可得线速度与轨道半径的平方根成反比，当r=R 时，线速度为最大值，最大值为7.9 km/s. (实际上人造卫星的轨道半径总是大于地球的半径，所以线速度总是小于7.9 km/s ）这个线速度是地球人造卫星的最大线速度，也叫第一宇宙速度．发射人造卫星时，卫星发射的越高，克服地球的引力做功越大，发射越困难，所以人造地球卫星发射时，一般都发射到离地很近的轨道上，发射人造卫星的最小发射速度为7. 9 km/ s.二、第一宇宙速度的计算：方法一：地球对卫星的万有引力就是卫星做圆周运动的向心力．方法二：在地面附近物体的重力近似地等于地球对物体的万有引力，而卫星所受重力就是卫星做圆周运动的向心力．注意：卫星所在高度处的重力就是地球对它的万有引力。

即：2)(h R Mm G +=h mg ，即得：2)(h R M G g h += h 越大，h g 越小 三、三种宇宙速度：1.第一宇宙速度（环绕速度）：v 1= ，人造地球卫星的最小发射速度。

第七讲：人造地球卫星一、宇宙速度的理解和计算1.第一宇宙速度(1)人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的运行速度，大小为7.9 km/s.(2)两个表达式对于近地人造卫星，轨道半径r 近似等于地球半径R ，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力. 思路一：万有引力提供向心力，由G MmR 2＝m v 2R 得v ＝GMR思路二：重力提供向心力，由mg ＝m v 2R 得v ＝gR (3)含义①近地卫星的运行速度；②发射卫星的最小速度，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，需要更多能量；③卫星的最大运行速度，由v ＝GMr 可知，r 越小，v 越大.r 最小时，即r ＝R 时，v max ＝GMR. (4)推广任何一颗行星都有自己的第一宇宙速度，都可以用v ＝GM R或v ＝gR 表示，式中g 为中心天体表面的重力加速度，R 为中心天体的半径. 2.第二宇宙速度例题、我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”.设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面.已知月球的质量约为地球质量的181，月球的半径约为地球半径的14，地球上的第一宇宙速度约为7.9 km/s ，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为( ) A.0.4 km /s B.1.8 km/s C.11 km /s D.36 km/s例题、某人在一星球上以速率v 竖直上抛一物体，经时间t 后，物体以速率v 落回手中.已知该星球的半径为R ，求该星球的第一宇宙速度.(物体只受星球的引力，忽略星球自转的影响)在地面附近发射飞行器，使之能够脱离地球的引力作用，永远离开地球所需的最小发射速度，其大小为11.2 km /s.当发射速度7.9 km/s<v 0<11.2 km/s 时，物体绕地球运行的轨迹是椭圆，且在轨道不同点速度大小一般不同. 3.第三宇宙速度在地面附近发射飞行器，使之能够脱离太阳引力的束缚，飞到太阳系外的宇宙空间的最小发射速度，其大小为16.7 km/s.二、人造地球卫星1.人造地球卫星(1)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任意角度，如图所示.(2)因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心. 2.近地卫星(1)近地卫星做匀速圆周运动的轨道半径r 可以近似地认为等于地球半径R ，线速度大小：v 1＝7.9 km/s ；由v ＝2πR T 可得其周期为T ≈85 min.(2)7.9 km/s 和85 min 分别是人造卫星做匀速圆周运动的最大线速度和最小周期. 3．地球同步卫星例题、“静止”在赤道上空的地球同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面，为天气预报提供准确、全面和及时的气象资料.设地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n 倍，下列说法中正确的是( )A.同步卫星距地面的高度是地球半径的(n －1)倍B.同步卫星的运行速度是第一宇宙速度的1nC.同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转获得的速度的1nD.同步卫星的向心加速度是地球表面①轨道平面一定：轨道平面和赤道平面重合．②周期一定：与地球自转周期相同，即T ＝24 h ＝86400 s. ③角速度一定：与地球自转的角速度相同．④高度一定：据G Mm r 2＝m 4π2T 2r 得r ＝ 3GMT 24π2≈4.24×104 km ，卫星离地面高度h ＝r －R ≈3.6×104 km(为恒量)． ⑤速率一定：运行速度v ＝2πrT≈3.08 km/s(为恒量)． ⑥绕行方向一定：与地球自转的方向一致． 4．物理量随轨道半径变化的规律⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧G Mm r 2＝(r ＝R 地＋h )⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫m v 2r→v ＝GM r →v ∝1rmω2r →ω＝GM r 3→ω∝1r3m 4π2T 2r →T ＝ 4π2r3GM→T ∝r 3ma →a ＝GM r 2→a ∝1r2越高越慢mg ＝GMm R2地(近地时)→GM ＝gR 2地三、同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较1、同步卫星和近地卫星都是万有引力提供向心力，即都满足GMm r 2＝m v 2r ＝m ω2r ＝m 4π2T2r ＝ma n .由上式比较各运动量的大小关系，即r 越大，v 、ω、a n 越小，T 越大.2、同步卫星和赤道上物体都做周期和角速度相同的圆周运动.例题、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，三颗卫星的线速度大小分别为v A 、v B 、v C ，角速度大小分别为ωA 、ωB 、ωC ，周期分别为T A 、T B 、T C ，向心加速度大小分别为a A 、a B 、a C ，则( )A.ωA ＝ωC <ωBB.T A ＝T C <T B因此要通过v＝ωr，a n＝ω2r比较两者的线速度和向心加速度的大小.针对训练题型1：宇宙速度（多选）1．关于第一宇宙速度，下列说法中正确的是（）A．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B．它等于人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度C．它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度D．它是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度2．随着我国航天技术的发展，国人的登月梦想终将实现。

人造卫星一、考点理解（一）人造生星1．动力学特征和运动学特征的关系把卫星的运动看成是匀速圆周运动，卫星所需向心由万有引力提供R f m R m R m m G T R v R Mm 2222)2()(22πωπ==== 应用时可根据实际情况选用适当的公式进行分析或计算。

式中的R 为人造卫星的轨道半径。

２．卫星的绕行速度、角速度、周期与半径Ｒ的关系（1）由R vRMm m G 22=得RGMv =，∴R 越大，v 越小（2）由R m G RMm 22ω=得3R GM =ω∴R 越大，ω越小（3）由R m G T R Mm 2224π=，得GMR T 324π=∴R 越大，T 越大。

特别地，当卫星贴近地面飞行时，其线速度v 最大，周期T 最小，其值分别为v m =7.9km/s （即第一宇宙速度），T min =84.8分钟 ３．三种宇宙速度第一宇宙速度：环绕地球表面做匀速圆周运动的速度，是人造地球卫星的最大环绕速度，也是人造地球卫星的最小发射速度．v 1=7.9km/s 。

第二宇宙速度：使卫星挣脱地球引力束缚的最小发射速度。

v 2=11.2km/s 。

第三宇宙速度：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。

v 3=16.7km/s （二）地球同步卫星 １．特点（1）地球同步卫星只能定点在赤道上空。

（2）地球同步卫星与地球自转具有相同的角速度和周期。

（3）地球同步卫星相对地面静止。

（4）同步卫星的高度是一定的。

∵F 引=F 向即：)(020)(20h R m h R GMm+=+ω ∴032R h GM-=ω式中：ω0是地球自转角速度，M 为地球质量，R 0为地球半径，都是定值，故h 是定值。

（5）运行方向一定自西向东运行。

2．用途地球同步卫星主要用于通信等方面。

（三）卫星的发射、运行、变轨、收回对于人造地球卫星，由mv r m m G 2='，得r m G v '=。

这一速度是人造地球卫星在轨道上的运行速度，其大小随轨道半径的增大而减小。