物理必修二同步衛(wèi)星知識點
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1、同步衛(wèi)星軌道為什么是圓而不是橢圓。
地球同步衛(wèi)星的特點是它繞地軸運轉(zhuǎn)的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，是靜止0在赤道上空某處相對于地球不動的衛(wèi)星，這一特點決定了它的軌道只能是圓。因為如果它的軌道是橢圓，則地球應(yīng)處于橢圓的一個焦點上，衛(wèi)星在繞地球運轉(zhuǎn)的過程中就必然會出現(xiàn)近地點和遠地點，當(dāng)衛(wèi)星向近地點運行時，衛(wèi)星的軌道半徑將減小，地球?qū)λ娜f有引力就變大，衛(wèi)星的角速度也變大；反之，當(dāng)衛(wèi)星向遠地點運行時，衛(wèi)星的軌道半徑將變大，地球?qū)λ娜f有引力就減小，衛(wèi)星的角速度也減小，這與同步衛(wèi)星的角速度恒定不變相矛盾，所以同步衛(wèi)星軌道不是橢圓，而只能是圓。
2、為什么同步衛(wèi)星的軌道與地球赤道共面。
假設(shè)衛(wèi)星發(fā)射在北緯某地的上空的B點，其受力情況如圖1所示，由于該衛(wèi)星繞地軸做圓周運動所需的向心力只能由萬有引力的一個分力F1提供，而萬有引力的另一個分力F2就會使該衛(wèi)星離開B點向赤道運動，除非另有一個力F恰好與F2平衡（但因F沒有施力物體，所以F是不存在的），所以衛(wèi)星若發(fā)射在赤道平面的上方（或下方）某處，則衛(wèi)星在繞地軸做圓周運動的同時，也向赤道平面運動，它的運動就不會穩(wěn)定，從而使衛(wèi)星不能與地球同步，所以要使衛(wèi)星與地球同步運行，必須要求衛(wèi)星的軌道與地球赤道共面。
如果將衛(wèi)星發(fā)射到赤道上空的A點，則地球?qū)λ娜f有引力F全部用來提供衛(wèi)星繞地軸做圓周運動所需要的向心力，此時衛(wèi)星在該軌道上就能夠以與地球相同的角速度繞地軸旋轉(zhuǎn)，此時該衛(wèi)星才能夠“停留”在赤道上空的某點，實現(xiàn)與地球的自轉(zhuǎn)同步，衛(wèi)星就處于一種相對靜止?fàn)顟B(tài)中。
3、為什么所有同步衛(wèi)星的高度都是一樣的。
在赤道上空的同步衛(wèi)星，它受到的唯一的`力,萬有引力提供衛(wèi)星繞地軸運轉(zhuǎn)所需的向心力。當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑r（或離地面的高度h）取某一定值時，衛(wèi)星繞地軸運轉(zhuǎn)就可以與地球自轉(zhuǎn)同步，兩者的周期均為T=24h。
設(shè)地球質(zhì)量為M，地球半徑為R0，衛(wèi)星質(zhì)量為m，離地面的高度為h，則有
將R0=6400km，G=6.67×10—11N·m2/kg2，M=6.0×1024kg，T=24h=86400s代入上式得h=3.6×104km，即同步衛(wèi)星距離地面的高度相同（均為h=3.6×104km），必然定位于赤“黃金圈”，是各國在太空主要爭奪的領(lǐng)域之一。
4、各國發(fā)射的同步衛(wèi)星會相撞嗎。
由上述的分析可知：所有的同步衛(wèi)星都在距地面的高度均為h=3.6×104km的大圓上，那么由v=ω（R0+h）=2π（R0+h）/T=3.1km/s，故它們的線速度都相同，這些衛(wèi)星就如同在同一跑道上以相同速度跑步的運動員一樣，它們之間處于相對靜止，不會出現(xiàn)后者追上前者的現(xiàn)象。因此只要發(fā)射時未撞上，以后就不可能相撞。
5、同步衛(wèi)星是如何發(fā)射和回收的。
同步衛(wèi)星的發(fā)射，通常都采用變軌發(fā)射的方法。如圖2所示，先是用運載火箭把衛(wèi)星送入近地圓軌道1，待衛(wèi)星運行狀態(tài)穩(wěn)定后，在近地點（a點），衛(wèi)星的火箭開始點火加速，把衛(wèi)星送入橢圓軌道2（稱為轉(zhuǎn)移軌道）上，橢圓軌道的遠地點（b點）距地心距離等于同步軌道半徑。以后再在地面測控站的控制下，利用遙控指令選擇在遠地點啟動星載發(fā)動機點火加速，使衛(wèi)星逐步調(diào)整至同步圓軌道3運行。
相反，對返回式衛(wèi)星（或飛船）在回收時，應(yīng)在遠地點和近地點分別使衛(wèi)星（或飛船）減速，使衛(wèi)星從高軌道進入橢圓軌道，再回到近地軌道，最后進入大氣層，落回地面。
6、同步衛(wèi)星發(fā)射過程中的“4個速率”的大小關(guān)系。
如圖2所示，設(shè)衛(wèi)星在近地圓軌道1上a點的速率為v1，在橢圓軌道2經(jīng)過a點的速率為v2，在橢圓軌道2經(jīng)過b點的速率為v3，在圓軌道3經(jīng)過b點的速率為v4，比較這4個速率的大小關(guān)系。
�。�1）圓軌道上衛(wèi)星速率的比較。
在圓軌道上衛(wèi)星以地心為圓心做勻速圓周運動，設(shè)地球質(zhì)量為M，衛(wèi)星質(zhì)量為m，由衛(wèi)星所受的萬有引力提供向心力，即GMm/r2=mv2/r。得v=（GM/r）1/2。
說明衛(wèi)星離地面越高，速率越小，故v1>v4。
�。�2）橢圓軌道上近地點和遠地點衛(wèi)星速率的比較。
當(dāng)衛(wèi)星在橢圓軌道2上運行時，由機械能守恒定律可知，衛(wèi)星在近地點的速率大于衛(wèi)星在遠地點的速度，即v2>v3。
（3）火箭點火前、后衛(wèi)星速率的比較。
在近地點（a點），衛(wèi)星的火箭開始點火加速，點火加速后衛(wèi)星的速率大于點火前的速率。故在橢圓軌道2經(jīng)過a點的速率為v2大于衛(wèi)星在近地圓軌道1上a點的速率為v1，即v2>v1；同理，衛(wèi)星在圓軌道3經(jīng)過b點的速率為v4大于在橢圓軌道2上經(jīng)過b點的速率為v3，即v4>v3；所以4個速率的關(guān)系為v2>v1>v4>v3。
7、為什么要至少發(fā)射三顆同步衛(wèi)星且對稱分布在同一軌道上，才能實現(xiàn)全球通信。
因地球同步衛(wèi)星與地球的自轉(zhuǎn)周期相同，其數(shù)值均為T=24h。同步衛(wèi)星離地高度h一定，即h=3。6×104km。地球同步衛(wèi)星發(fā)射的電磁波沿直線傳播，所以一顆地球同步衛(wèi)星所發(fā)出的電磁波能覆蓋赤道上下方的范圍是DE區(qū)。
cosθ=OE/OC=R0/R0+h=0。510。
則θ=81。30所以DOE對應(yīng)的圓心角2θ=162。60，覆蓋整個赤道至少需要的衛(wèi)星個數(shù)為n=3600/162。20=2。2。因此，要實現(xiàn)全球通信，至少需發(fā)射三顆地球同步衛(wèi)星且對稱分布在同一軌道上。
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