資源簡介

航天
1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星以來， 人類已經(jīng)發(fā)射了大約4800顆各種用途的衛(wèi)星，形成了龐大的衛(wèi)星家族。它們主要有通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、空間探測衛(wèi)星、科學技術試驗衛(wèi)星以及軍事衛(wèi)星。中國在1970年4月24日成功地發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號”。
這些衛(wèi)星的應用十分廣泛，在機械制造、材料、能源、生命科學等方面有十分廣泛的用途。多年來，科學家利用太空環(huán)境失重的顯著特點，將多種生物隨航天器帶入太空，進行失重生物學的實驗研究，并取得了不少成果，如：太空失重環(huán)境對生物生長的影響有一定的可逆性、太空失重環(huán)境影響生物的遺傳性、失重環(huán)境會影響生物機體的形狀和功能、太空失重環(huán)境使生物生長過程變化很大、失重與輻射的綜合影響等。氣象又是衛(wèi)星的另一用武之地，氣象衛(wèi)星裝有電視攝像機和紅外輻射計，可以拍攝云的照片，測量溫度、濕度、風速等各種氣象參數(shù)，它既能觀測大面積以至全球范圍的氣象資料，又能測量離地面不同高度上的氣象數(shù)據(jù)。我國先后發(fā)射的“風云一號”和“風云二號”氣象衛(wèi)星。它們的運行軌道是不同的，前者采用“極地圓形軌道”，軌道平面與赤道平面垂直，通過地球兩極，每12小時巡視地球一周，每天只能對同一地區(qū)進行兩次觀測；后者采用“地球同步軌道”，軌道平面在赤道平面內(nèi)，能對同一地區(qū)進行連續(xù)觀測。極地圓形軌道也稱太陽同步軌道，一般用作觀測地球衛(wèi)星的軌道，如：氣象衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星等幾乎都在太陽同步圓形軌道上運行，在這種軌道上運行的衛(wèi)星通過任意緯度地方的時間保持不變，例如：衛(wèi)星由南向北經(jīng)過北緯40 上空時是當?shù)貢r間早晨8點，以后凡由南向北經(jīng)過北緯40 時也是當?shù)貢r間早晨8點，從而使衛(wèi)星能在太陽光照角度基本相同的條件下對地球攝影。
全球定位系統(tǒng)（Global Position System，簡稱GPS）也是應用衛(wèi)星來實現(xiàn)的。2000年10月31日凌晨0時2分、12月21日凌晨0時20分，兩顆由我國自主研制的“北斗導航系統(tǒng)”的導航定位衛(wèi)星——北斗導航試驗衛(wèi)星，先后在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，并準確進入預定軌道，標志著我國在全球定位系統(tǒng)技術領域進入了世界先進行列。
　　　　　　　
GPS的原理是采用“三點定位法”來定位的。下面我們以二維平面為例，來說明三點定位的原理。假若你到了一個陌生的地方，你可以通過測量出你到某已知地點A的距離a，則你現(xiàn)在就處在以A為圓心、以a為半徑的圓周上，如右圖1所示，如果再測量出你到另一個已知地點B的距離b，則你也處在以B為圓心、以b為半徑的圓周上，如圖2所示。由圖2可以看出，你現(xiàn)在的位置只可能是在兩圓周的交點O1或O2上．若要惟一確定你的位置，就必須再通過測量出你到第三個已知地點C的距離c，你現(xiàn)在的位置也一定在以C為圓心、以c為半徑的第三個圓周上。如圖3所示，三圓的交點O1就是你的位置。這就是說，三點定位法需要有三個坐標已知的參考點，并知道被測點到參考點之間的距離。在三維空間中，其定位原理基本與此相同，只是往往要加上一個已知條件：被測量點在地面上。在GPS中，三個參考點就是三顆懸在空中已知位置坐標的衛(wèi)星，被測量點到它們的距離可以通過接收從衛(wèi)星發(fā)來的無線電波測量出來，則被測點在地面上的位置可由地面接收裝置中的電腦計算出來。GPS要由空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接收系統(tǒng)三大部分構成，天上地下協(xié)同工作，才能完成定位．空間衛(wèi)星系統(tǒng)也就是GPS導航衛(wèi)星群，以俄羅斯“格拉納斯”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)為例，按照設計方案，它是由24顆工作衛(wèi)星組成，它們均勻分布在6個軌道平面上，每個軌道上均勻分布有4顆衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星每12 h繞地球運行一周。
1999年11月21日，我國第一艘飛船—“神舟”號搭載不少“乘客”安然歸來，這標志著我國搭載飛船的試驗順利完成，為以后發(fā)射載人飛船打下良好的基礎，據(jù)悉飛船搭載有紀念意義的國旗外，還搭載了不少植物種子，為我國農(nóng)業(yè)科學研究提供了便利條件。
綜合練習：
1．我國自行研制發(fā)射的“風云一號”、“風云二號”氣象衛(wèi)星的飛行軌道是不同的。“風云一號”是極地圓形軌道衛(wèi)星，其軌道平面與赤道平面垂直，周期為T1＝12h；“風云二號”是同步軌道衛(wèi)星，其軌道平面就是赤道平面，周期為T2＝24h。兩顆衛(wèi)星相比： 離地面較高； 觀察范圍較大； 運行速度大。若某天上午8點“風云一號”正好通過赤道附近太平洋上一個小島的上空，那么“風云一號”下一次通過該小島上空將是 。
分析：由做勻速圓周運動的人造衛(wèi)星的速度公式可比較“風云二號”和“風云一號”的高度和速度。同步衛(wèi)星是相對于地面靜止的，所以觀察范圍是固定的，極地衛(wèi)星雖然離地面較近，每一時刻觀察范圍較小，但它相對于地面不斷運動，可觀察地面上任一點?！帮L云一號”通過小島上空（圖a），再過6小時，衛(wèi)星再過赤道時，小島隨地球自轉(zhuǎn)了900，衛(wèi)星不在其上空（圖b）；再過6小時，衛(wèi)星到了原位置但小島在原位置的對面（圖c），必須再過12小時衛(wèi)星才能再次到達小島上空，即在第二天上午8點。
由 ，：可知“風云二號”離地面較高，“風云一號”運行速度較大。由于“風云二號”是同步衛(wèi)星，只能觀察地面一個固定區(qū)域；而“風云一號”相對地面是不斷運動的，因此可觀察到地球上任一地點，既觀察范圍大。由于“風云一號”的周期是12小時，而小島隨地球自轉(zhuǎn)的周期是24小時，所以第二天上午8點才能再次通過小島上空。
2．某顆衛(wèi)星運行到位于東經(jīng)α＝98°、北緯β＝40°的P地上空，且離地面高度為H，地球半徑為R，這時處于東經(jīng)98°赤道上的地面監(jiān)控系統(tǒng)向該衛(wèi)星發(fā)出微波信號，則衛(wèi)星經(jīng)多長時間能接收到該信號？
分析：衛(wèi)星M、地面監(jiān)控系統(tǒng)位置Q、圓心O三者位置如圖4所示。設衛(wèi)星M到監(jiān)控系統(tǒng)位置Q的距離為L，由余弦定理得
L＝。
因微波信號以光速c傳播，則所求時間為t＝L/c＝/c。
鞏固練習：
一，1．宇航員在圍繞地球作勻速圓周運動的航天飛機中，會處于完全失重狀態(tài)，下列說法中正確的是
A 宇航員仍受重力作用
B 宇航員受力平衡
C 重力為向心力
D 宇航員不受任何力作用
2．關于地球同步通訊衛(wèi)星，下述說法正確的是
A 已知它的質(zhì)量為1t，若增為2t，其同步軌道半徑將變?yōu)樵瓉淼?倍
B 它的運行速度應為第一宇宙速度
C 它可以通過北京的正上方
D 地球同步通訊衛(wèi)星的軌道是唯一的——赤道上方一定高度處
3．宇宙飛船要與軌道空間站對接，飛船為了追上軌道空間站
A 只能從較低軌道上加速
B 只能從較高軌道上加速
C 只能從空間站同一高度軌道上加速
D 無論在什么軌道上，只要加速都行
4．在宇宙飛船內(nèi)的實驗室里，不能使用的儀器有
A 比重計 B 水銀氣壓計 C 天平 D 水銀溫度計
5．飛船進入正常軌道后，因特殊情況而降低了軌道高度，那么飛船的線速度和周期分別將
A 增大、減小 B 減小、增大
C 增大、增大 D 減小、 減小
6．如果飛船內(nèi)搭載有一條金魚，金魚被盛放在一有水和空氣的密閉容器中，當助推火箭點火啟動，航天飛機開始豎直升空經(jīng)時間t，速度達到v。設小魚的質(zhì)量為m，在這過程中容器里的小魚
A 將被擠在容器底部或一側
B 仍能懸浮在水中任何位置
C 受到容器的壓力為mv/t
D 受到容器的壓力為m(v/t＋g)
7．如果飛船內(nèi)搭載有一條金魚，金魚被盛放在一有水和空氣的密閉容器中，當飛船進入軌道繞地球正常運行時，原來懸浮在水中的金魚將
A 失去原來的平衡無目的的旋轉(zhuǎn) B 將漂浮在水面
C 將下沉到容器底部 D 仍能懸浮在水中任何位置
8．目前的航天飛機的飛行軌道都是近地軌道，一般在地球上空300～700km飛行，繞地球飛行一周的時間為90min左右。這樣，航天飛機里的宇航員在24h內(nèi)可以見到日落日出的次數(shù)應為
A 0.38 B 1 C 2.7 D 16
9．某一城市離北京的直線距離約600 km，離上海的直線距離約800 km，離廣州的直線距離約1300 km，則這一城市是
A 西安 B 鄭州 C 徐州 D 合肥
10．下列有關GPS中衛(wèi)星的加速度的說法中正確的是
A 因衛(wèi)星做勻速圓周運動，其加速度為零
B 因衛(wèi)星只受重力作用，其加速度為重力加速度g
C 若衛(wèi)星距地面高度H為地球半徑R的n倍，則其加速度為g/n2
D 若衛(wèi)星距地面高度H為地球半徑R的n倍，則其加速度為g/(n＋1)2
11．“格拉納斯”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的導航衛(wèi)星群中除24顆工作衛(wèi)星外，還有些替補衛(wèi)星在天空運行，當某顆工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時可及時頂替工作。若某顆替補衛(wèi)星處在略低于工作衛(wèi)星的軌道上，則這顆衛(wèi)星的周期和速度與工作衛(wèi)星相比較，以下說法正確的是
A 替補衛(wèi)星的周期大于工作衛(wèi)星的周期，速度大于工作衛(wèi)星的速度
B 替補衛(wèi)星的周期小于工作衛(wèi)星的周期，速度大于工作衛(wèi)星的速度
C 替補衛(wèi)星的周期大于工作衛(wèi)星的周期，速度小于工作衛(wèi)星的速度
D 替補衛(wèi)星的周期小于工作衛(wèi)星的周期，速度小于工作衛(wèi)星的速度

鞏固練習答案：
1．A、C
宇航員仍受重力作用，此力提供宇航員做圓周運動向的向心力。
2．D
對衛(wèi)星，萬有引力提供向心力，v與衛(wèi)星質(zhì)量無關，故A錯。當r＝R（地球半徑）時衛(wèi)星有最大速度，因此衛(wèi)星速度小于第一宇宙速度，故B錯。同步衛(wèi)星只有在赤道上空的一定高度才能與地球自轉(zhuǎn)同步。因地球自轉(zhuǎn)周期一定，則r一定，故C錯D對。
3．A
當衛(wèi)星在其軌道上加速時，F(xiàn)萬小于所需向心力，故要做離心運動，從而使半徑增大，故選A。
4．A、B、C
因宇宙飛船內(nèi)處于完全失重狀態(tài)，物件之間沒有作用力，因此，凡與力有關的儀器均不能使用，故只有D能用。
5．A
6．B
金魚依靠鰾的體積不必劃動魚鰭就能懸浮在水中任何位置。設魚的體積為V，水的密度為ρ，這時魚的平衡條件是所受重力等于浮力mg＝ρgV排＝ρgV。即魚重等于同體積的水重?；鸺仙龝r推力不變，但隨著燃料的不斷燃燒噴發(fā)，質(zhì)量很快減小，火箭將做變加速運動，航天飛機內(nèi)的一切物件都處于超重狀態(tài)，而且超重倍數(shù)逐漸增大，由于容器中魚的視重和水的視重同時增加相同倍數(shù)，所以，魚處在一系列新的平衡狀態(tài)之下，魚仍能懸浮在水中任何位置。
7．A
而當航天飛機入軌后繞地球正常運行的過程中，這一加速系統(tǒng)所受地球引力全部用于產(chǎn)生向心加速度，系統(tǒng)中的一切物體包括容器里的魚和水都處于失重狀態(tài)。水不再對魚產(chǎn)生浮力，魚在水中既不會下沉也不會上浮。小魚將失去原來的平衡，由于胸鰭和尾的本能動作，依靠水的反作用力在前進的同時繞其自身質(zhì)心轉(zhuǎn)動，表現(xiàn)為無目的地轉(zhuǎn)圈。上兩題本題主要是生物知識和物理知識的綜合應用，涉及超重、失重、平衡等知識。
8．D
本題是物理知識、航天知識和地理知識的綜合，將地球因自轉(zhuǎn)產(chǎn)生晝夜的原因應用于航天飛機繞地球公轉(zhuǎn)的情況。
航天飛機繞行到地球向陽的區(qū)域，陽光能照射到它時為白晝，當飛到地球背陽的區(qū)域，陽光被地球擋住時就是黑夜。航天飛機晝夜周期長短不一，在其橢圓軌道離地球較遠時，速率變慢，晝夜周期長；而離地球較近時速率變快，晝夜周期短。白晝黑夜的時間長短也是變化的，因航天飛機繞地球一周所需時間約為90min，而地球晝夜交替的周期是24×60min，所以，航天飛機里的宇航員在繞行一周的時間內(nèi)，看到的日落日出的次數(shù)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)可解得衛(wèi)星運行周期T＝，由GMm/(R＋H)2＝mv2/(R+H) 可解得衛(wèi)星運行速度v＝。因此，衛(wèi)星高度H越小，運行周期T越小，速度v越大）
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