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高一物理金莎澳门官网:同步卫星要搞清楚七个问题

编辑: 金莎澳门官网 发布时间: 2019年09月09日 15:56:04

  同步卫星运转的周期与地球自转周期相同,相对于地球静止不动。有关同步卫星的常识在高考中多次出现,成为考查的热点之一,很多学生对它的理解较为模糊。为了使学生加深理解,在教学中要向学生讲清以下七个问题。

  1、同步卫星轨道为什么是圆而不是椭圆

  地球同步卫星的特点是它绕地轴运转的角速度与地球自转的角速度相同,是/静止0在赤道上空某处相对于地球不动的卫星,这一特点决定了它的轨道只能是圆。因为如果它的轨道是椭圆,则地球应处于椭圆的一个焦点上,卫星在绕地球运转的过程中就必然会出现近地点和远地点,当卫星向近地点运行时,卫星的轨道半径将减小,地球对它的万有引力就变大,卫星的角速度也变大;反之,当卫星向远地点运行时,卫星的轨道半径将变大,地球对它的万有引力就减小,卫星的角速度也减小,这与同步卫星的角速度恒定不变相矛盾,所以同步卫星轨道不是椭圆,而只能是圆。

  2、为什么同步卫星的轨道与地球赤道共面

  假设卫星发射在北纬某地的上空的B点,其受力情况如图1所示,由于该卫星绕地轴做圆周运动所需的向心力只能由万有引力的一个分力F1提供,而万有引力的另一个分力F2就会使该卫星离开B点向赤道运动,除非另有一个力F'恰好与F2平衡(但因F'没有施力物体,所以F'是不存在的),所以卫星若发射在赤道平面的上方(或下方)某处,则卫星在绕地轴做圆周运动的同时,也向赤道平面运动,它的运动就不会稳定,从而使卫星不能与地球同步,所以要使卫星与地球同步运行,必须要求卫星的轨道与地球赤道共面。

  如果将卫星发射到赤道上空的A点,则地球对它的万有引力F全部用来提供卫星绕地轴做圆周运动所需要的向心力,此时卫星在该轨道上就能够以与地球相同的角速度绕地轴旋转,此时该卫星才能够“停留”在赤道上空的某点,实现与地球的自转同步,卫星就处于一种相对静止状态中。

  3、为什么所有同步卫星的高度都是一样的

  在赤道上空的同步卫星,它受到的唯一的力——万有引力提供卫星绕地轴运转所需的向心力。当卫星的轨道半径r(或离地面的高度h)取某一定值时,卫星绕地轴运转就可以与地球自转同步,两者的周期均为T=24h。

  设地球质量为M,地球半径为R0,卫星质量为m,离地面的高度为h,则有

  将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,即同步卫星距离地面的高度相同(均为h=3。6×104km),必然定位于赤“黄金圈”,是各国在太空主要争夺的领域之一。

  4、各国发射的同步卫星会相撞吗

  由上述的分析可知:所有的同步卫星都在距地面的高度均为h=3。6×104km的大圆上,那么由v=ω(R0+h)=2π(R0+h)/T=3。1km/s,故它们的线速度都相同,这些卫星就如同在同一跑道上以相同速度跑步的运动员一样,它们之间处于相对静止,不会出现后者追上前者的现象。因此只要发射时未撞上,以后就不可能相撞。

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