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航天
1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星以来， 人类已经发射了大约4800颗各种用途的卫星，形成了庞大的卫星家族。它们主要有通信卫星、气象卫星、地球资源卫星、导航卫星、空间探测卫星、科学技术试验卫星以及军事卫星。中国在1970年4月24日成功地发射了第一颗人造地球卫星“东方红1号”。
这些卫星的应用十分广泛，在机械制造、材料、能源、生命科学等方面有十分广泛的用途。多年来，科学家利用太空环境失重的显著特点，将多种生物随航天器带入太空，进行失重生物学的实验研究，并取得了不少成果，如：太空失重环境对生物生长的影响有一定的可逆性、太空失重环境影响生物的遗传性、失重环境会影响生物机体的形状和功能、太空失重环境使生物生长过程变化很大、失重与辐射的综合影响等。气象又是卫星的另一用武之地，气象卫星装有电视摄像机和红外辐射计，可以拍摄云的照片，测量温度、湿度、风速等各种气象参数，它既能观测大面积以至全球范围的气象资料，又能测量离地面不同高度上的气象数据。我国先后发射的“风云一号”和“风云二号”气象卫星。它们的运行轨道是不同的，前者采用“极地圆形轨道”，轨道平面与赤道平面垂直，通过地球两极，每12小时巡视地球一周，每天只能对同一地区进行两次观测；后者采用“地球同步轨道”，轨道平面在赤道平面内，能对同一地区进行连续观测。极地圆形轨道也称太阳同步轨道，一般用作观测地球卫星的轨道，如：气象卫星、侦察卫星、地球资源卫星等几乎都在太阳同步圆形轨道上运行，在这种轨道上运行的卫星通过任意纬度地方的时间保持不变，例如：卫星由南向北经过北纬40 上空时是当地时间早晨8点，以后凡由南向北经过北纬40 时也是当地时间早晨8点，从而使卫星能在太阳光照角度基本相同的条件下对地球摄影。
全球定位系统（Global Position System，简称GPS）也是应用卫星来实现的。2000年10月31日凌晨0时2分、12月21日凌晨0时20分，两颗由我国自主研制的“北斗导航系统”的导航定位卫星——北斗导航试验卫星，先后在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道，标志着我国在全球定位系统技术领域进入了世界先进行列。
　　　　　　　
GPS的原理是采用“三点定位法”来定位的。下面我们以二维平面为例，来说明三点定位的原理。假若你到了一个陌生的地方，你可以通过测量出你到某已知地点A的距离a，则你现在就处在以A为圆心、以a为半径的圆周上，如右图1所示，如果再测量出你到另一个已知地点B的距离b，则你也处在以B为圆心、以b为半径的圆周上，如图2所示。由图2可以看出，你现在的位置只可能是在两圆周的交点O1或O2上．若要惟一确定你的位置，就必须再通过测量出你到第三个已知地点C的距离c，你现在的位置也一定在以C为圆心、以c为半径的第三个圆周上。如图3所示，三圆的交点O1就是你的位置。这就是说，三点定位法需要有三个坐标已知的参考点，并知道被测点到参考点之间的距离。在三维空间中，其定位原理基本与此相同，只是往往要加上一个已知条件：被测量点在地面上。在GPS中，三个参考点就是三颗悬在空中已知位置坐标的卫星，被测量点到它们的距离可以通过接收从卫星发来的无线电波测量出来，则被测点在地面上的位置可由地面接收装置中的电脑计算出来。GPS要由空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统三大部分构成，天上地下协同工作，才能完成定位．空间卫星系统也就是GPS导航卫星群，以俄罗斯“格拉纳斯”全球卫星导航系统为例，按照设计方案，它是由24颗工作卫星组成，它们均匀分布在6个轨道平面上，每个轨道上均匀分布有4颗卫星。每颗卫星每12 h绕地球运行一周。
1999年11月21日，我国第一艘飞船—“神舟”号搭载不少“乘客”安然归来，这标志着我国搭载飞船的试验顺利完成，为以后发射载人飞船打下良好的基础，据悉飞船搭载有纪念意义的国旗外，还搭载了不少植物种子，为我国农业科学研究提供了便利条件。
综合练习：
1．我国自行研制发射的“风云一号”、“风云二号”气象卫星的飞行轨道是不同的。“风云一号”是极地圆形轨道卫星，其轨道平面与赤道平面垂直，周期为T1＝12h；“风云二号”是同步轨道卫星，其轨道平面就是赤道平面，周期为T2＝24h。两颗卫星相比： 离地面较高； 观察范围较大； 运行速度大。若某天上午8点“风云一号”正好通过赤道附近太平洋上一个小岛的上空，那么“风云一号”下一次通过该小岛上空将是 。
分析：由做匀速圆周运动的人造卫星的速度公式可比较“风云二号”和“风云一号”的高度和速度。同步卫星是相对于地面静止的，所以观察范围是固定的，极地卫星虽然离地面较近，每一时刻观察范围较小，但它相对于地面不断运动，可观察地面上任一点。“风云一号”通过小岛上空（图a），再过6小时，卫星再过赤道时，小岛随地球自转了900，卫星不在其上空（图b）；再过6小时，卫星到了原位置但小岛在原位置的对面（图c），必须再过12小时卫星才能再次到达小岛上空，即在第二天上午8点。
由 ，：可知“风云二号”离地面较高，“风云一号”运行速度较大。由于“风云二号”是同步卫星，只能观察地面一个固定区域；而“风云一号”相对地面是不断运动的，因此可观察到地球上任一地点，既观察范围大。由于“风云一号”的周期是12小时，而小岛随地球自转的周期是24小时，所以第二天上午8点才能再次通过小岛上空。
2．某颗卫星运行到位于东经α＝98°、北纬β＝40°的P地上空，且离地面高度为H，地球半径为R，这时处于东经98°赤道上的地面监控系统向该卫星发出微波信号，则卫星经多长时间能接收到该信号？
分析：卫星M、地面监控系统位置Q、圆心O三者位置如图4所示。设卫星M到监控系统位置Q的距离为L，由余弦定理得
L＝。
因微波信号以光速c传播，则所求时间为t＝L/c＝/c。
巩固练习：
一，1．宇航员在围绕地球作匀速圆周运动的航天飞机中，会处于完全失重状态，下列说法中正确的是
A 宇航员仍受重力作用
B 宇航员受力平衡
C 重力为向心力
D 宇航员不受任何力作用
2．关于地球同步通讯卫星，下述说法正确的是
A 已知它的质量为1t，若增为2t，其同步轨道半径将变为原来的2倍
B 它的运行速度应为第一宇宙速度
C 它可以通过北京的正上方
D 地球同步通讯卫星的轨道是唯一的——赤道上方一定高度处
3．宇宙飞船要与轨道空间站对接，飞船为了追上轨道空间站
A 只能从较低轨道上加速
B 只能从较高轨道上加速
C 只能从空间站同一高度轨道上加速
D 无论在什么轨道上，只要加速都行
4．在宇宙飞船内的实验室里，不能使用的仪器有
A 比重计 B 水银气压计 C 天平 D 水银温度计
5．飞船进入正常轨道后，因特殊情况而降低了轨道高度，那么飞船的线速度和周期分别将
A 增大、减小 B 减小、增大
C 增大、增大 D 减小、 减小
6．如果飞船内搭载有一条金鱼，金鱼被盛放在一有水和空气的密闭容器中，当助推火箭点火启动，航天飞机开始竖直升空经时间t，速度达到v。设小鱼的质量为m，在这过程中容器里的小鱼
A 将被挤在容器底部或一侧
B 仍能悬浮在水中任何位置
C 受到容器的压力为mv/t
D 受到容器的压力为m(v/t＋g)
7．如果飞船内搭载有一条金鱼，金鱼被盛放在一有水和空气的密闭容器中，当飞船进入轨道绕地球正常运行时，原来悬浮在水中的金鱼将
A 失去原来的平衡无目的的旋转 B 将漂浮在水面
C 将下沉到容器底部 D 仍能悬浮在水中任何位置
8．目前的航天飞机的飞行轨道都是近地轨道，一般在地球上空300～700km飞行，绕地球飞行一周的时间为90min左右。这样，航天飞机里的宇航员在24h内可以见到日落日出的次数应为
A 0.38 B 1 C 2.7 D 16
9．某一城市离北京的直线距离约600 km，离上海的直线距离约800 km，离广州的直线距离约1300 km，则这一城市是
A 西安 B 郑州 C 徐州 D 合肥
10．下列有关GPS中卫星的加速度的说法中正确的是
A 因卫星做匀速圆周运动，其加速度为零
B 因卫星只受重力作用，其加速度为重力加速度g
C 若卫星距地面高度H为地球半径R的n倍，则其加速度为g/n2
D 若卫星距地面高度H为地球半径R的n倍，则其加速度为g/(n＋1)2
11．“格拉纳斯”全球卫星导航系统的导航卫星群中除24颗工作卫星外，还有些替补卫星在天空运行，当某颗工作卫星出现故障时可及时顶替工作。若某颗替补卫星处在略低于工作卫星的轨道上，则这颗卫星的周期和速度与工作卫星相比较，以下说法正确的是
A 替补卫星的周期大于工作卫星的周期，速度大于工作卫星的速度
B 替补卫星的周期小于工作卫星的周期，速度大于工作卫星的速度
C 替补卫星的周期大于工作卫星的周期，速度小于工作卫星的速度
D 替补卫星的周期小于工作卫星的周期，速度小于工作卫星的速度

巩固练习答案：
1．A、C
宇航员仍受重力作用，此力提供宇航员做圆周运动向的向心力。
2．D
对卫星，万有引力提供向心力，v与卫星质量无关，故A错。当r＝R（地球半径）时卫星有最大速度，因此卫星速度小于第一宇宙速度，故B错。同步卫星只有在赤道上空的一定高度才能与地球自转同步。因地球自转周期一定，则r一定，故C错D对。
3．A
当卫星在其轨道上加速时，F万小于所需向心力，故要做离心运动，从而使半径增大，故选A。
4．A、B、C
因宇宙飞船内处于完全失重状态，物件之间没有作用力，因此，凡与力有关的仪器均不能使用，故只有D能用。
5．A
6．B
金鱼依靠鳔的体积不必划动鱼鳍就能悬浮在水中任何位置。设鱼的体积为V，水的密度为ρ，这时鱼的平衡条件是所受重力等于浮力mg＝ρgV排＝ρgV。即鱼重等于同体积的水重。火箭上升时推力不变，但随着燃料的不断燃烧喷发，质量很快减小，火箭将做变加速运动，航天飞机内的一切物件都处于超重状态，而且超重倍数逐渐增大，由于容器中鱼的视重和水的视重同时增加相同倍数，所以，鱼处在一系列新的平衡状态之下，鱼仍能悬浮在水中任何位置。
7．A
而当航天飞机入轨后绕地球正常运行的过程中，这一加速系统所受地球引力全部用于产生向心加速度，系统中的一切物体包括容器里的鱼和水都处于失重状态。水不再对鱼产生浮力，鱼在水中既不会下沉也不会上浮。小鱼将失去原来的平衡，由于胸鳍和尾的本能动作，依靠水的反作用力在前进的同时绕其自身质心转动，表现为无目的地转圈。上两题本题主要是生物知识和物理知识的综合应用，涉及超重、失重、平衡等知识。
8．D
本题是物理知识、航天知识和地理知识的综合，将地球因自转产生昼夜的原因应用于航天飞机绕地球公转的情况。
航天飞机绕行到地球向阳的区域，阳光能照射到它时为白昼，当飞到地球背阳的区域，阳光被地球挡住时就是黑夜。航天飞机昼夜周期长短不一，在其椭圆轨道离地球较远时，速率变慢，昼夜周期长；而离地球较近时速率变快，昼夜周期短。白昼黑夜的时间长短也是变化的，因航天飞机绕地球一周所需时间约为90min，而地球昼夜交替的周期是24×60min，所以，航天飞机里的宇航员在绕行一周的时间内，看到的日落日出的次数n＝24×60/90＝16。
9、B
10、D（提示：GMm/(R+H)2＝ma，GMm/R2＝mg，H/R＝n）
11、B（提示：由GMm/(R+H)2＝m(2π/T)2(R＋H)可解得卫星运行周期T＝，由GMm/(R＋H)2＝mv2/(R+H) 可解得卫星运行速度v＝。因此，卫星高度H越小，运行周期T越小，速度v越大）
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