卫星种类、发射、变轨及运行规律问题（原卷版）-2025高考物理热点模型讲义

模型19卫星种类、发射、变轨及运行规律问题

模型概述

1.人造卫星

(1)赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面内，同步卫星就是其中的一种.

(2)极地轨道：卫星的轨道过南北两极，即在垂直于赤道的平面内，如极地气象卫星.

(3)其他轨道：除以上两种轨道外的卫星轨道.

所有卫星的轨道平面一定通过地球的球心.

2.卫星种类

(1)同步卫星：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星.同步卫星有以下特

点:

①轨道平面一定：轨道平面与赤道壬面共面.

②周期一定：与地球自转周期相同,即7=24h.

③角速度一定：与地球自转的角速度相同.

Mm47r之

④高度一定：根据G尸二冽产〃得，乙〒=4.23x1()4版，卫星离地面高度

4k

h=r-R=5.6R=3.56x101m(为恒量).

⑤绕行方向一定：与地球自转的方向一致.

(2)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。

(3)近地卫星：轨道在地球表面附近的卫星，其轨道半径r=A(地球半径)，运行速度等于第一宇宙速度

v—1.9km/s(人造地球卫星做匀速圆周运动的最大运行速度)，T=85min(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。

近地卫星可能为极地卫星，也可能为赤道卫星

(4)倾斜轨道“同步”卫星：如果某卫星运行在一个轨道平面和赤道平面夹角不为0°的轨道上时，则

称该卫星被叫做倾斜轨道卫星，该夹角也被称为“轨道倾角”。若该卫星的运行周期等于地球的自转周期，

则该卫星为倾斜轨道同步卫星。与常规的同步轨道相比，同步卫星倾斜轨道的轨道平面呈现倾斜状态，只是

周期与地球自转同步，不能实现定点悬停。

(5)月球：绕地球的公转周期T=27.3天，月球和地球间的平均距离约38万千米，大约是地球半径的

60倍.

3.卫星发射

(1)第一宇宙速度:7.9km/s,它是卫星的最小发射速度，也是地球卫星的最大环绕速度.

第一宇宙速度推导

①方法一:

cMmV2[GM16.67x10-11x5.98x1024…,

G——=m—=>v=J----=---------------------------h(.9km/s

由厂r\rAV6.4x10

②方法二：

7.9km/s

第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，也是人造卫星的最大环绕速度，此时它的运行周期最

短，爆“=2n\^=5078s^85min.

(2)第二宇宙速度(脱离速度)：11.2km/s,使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度.

(3)第三宇宙速度(逃逸速度)：16.7km/s,使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度.

(4)宇宙速度与运动轨迹的关系

易三宇宙速度

16.7千米/秒

①/发=79AM时，卫星绕地球表面做匀速圆周运动.

第二宇宙速度

②7.9km/s<vs<ll.2km/s,卫星绕地球运动的轨迹为11.2千米/杪

椭圆.

③11.2km/sWv发<16.7km/s,卫星绕太阳运动.第一宇宙速度,

(环浇速度)

7.9千米/杪/

@vs^16.7km/s,卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以

外的空间.

4.地球同步卫星与赤道物体的区别：属于同轴转动，角速度、

周期相同。

5.同步卫星、近地卫星和赤道上物体比较

如图所示，2为近地卫星，轨道半径为4；3为地球同步卫星，轨道半径为&4为高空卫星，轨道半

径为％1为赤道上随地球自转的物体，轨道半径为4.

分析思路：

①比较赤道上物体与同步卫星，用同轴转动的知识分析；

②比较近地卫星、同步卫星、高空卫星，用天体轨道与运动规律分析;

近地卫星同步卫星高空卫星赤道上随地球自转的物体

比较项目

（石、/2、乙、昆）（4、/3、匕、名）（勾、％、匕、&）（4、/、匕、4）

万有引力万有引力的一个分力

向心力来源

)2「Mm

G^-=man=marG——=mg+mco2r

r

轨道半径典>乙>4>4

角速度%>33>口4

线速度%＞匕＞匕？匕

向心加速度52>口?>?“4

6.卫星及天体运行规律

7.卫星变轨问题

(1)变轨操作：1-2-3

①在1轨道Q点点火加速，万有引力不足以提供航天飞机做匀速圆周运动向心力，航天飞机做离

心运动，进入轨道2

②在2轨道中，从Q点到P点飞行过程中，万有引力做负功，万有引力与航天飞机速度方向夹角

大于90°,航天飞机速度减小，动能减小，势能增加，机械能不变。

在2轨道P点处，万有引力大于航天飞机做匀速圆周运动向心力，如果不进行任何操作，航天飞

机做向心运动，沿着椭圆轨道2运行回Q,从P到Q,万有引力做正功，万有引力与航天飞机速度方向夹角

小于90°,航天飞机速度增加，动能增加，势能减小，机械能不变。

③在2轨道P点点火加速,当万有引力恰好能提供航天飞机做匀速圆周运动向心力，航天飞机将

沿着3轨道运行，完成变轨操作

(2)各点参数关系

①线速度大小：％。>匕〉'>V2P

>V3P>V2P(1_]|

②角速度关系：％。>%。

二……(\Q)/]

③向心加速度关系：％。=

④周期关系：4<”<：

\QJ

⑤能量关系：E\<E?<E3

典题攻破

1.卫星发射及第一宇宙速度问题

【典型题11（2024•广东江门•模拟预测）2024年5月3日嫦娥六号探测器由长征五号遥八运载火箭在中

国文昌航天发射场成功发射，之后准确进入地月转移轨道，由此开启世界首次月背“挖宝”之旅。如图

所示为嫦娥六号探测器登月的简化示意图，首先从地球表面发射探测器至地月转移轨道，探测器在P点

被月球捕获后沿椭圆轨道①绕月球运动,然后在P点变轨后沿圆形轨道②运动，下列说法正确的是（）

A.飞船在轨道①上经过尸点时应该加速才能进入轨道②

B.飞船在轨道②上的环绕速度大于月球的第一宇宙速度

C.飞船在轨道①上经过一点时的加速度与在轨道②上经过一点时的加速度相同

D.飞船在轨道①上的周期小于轨道②上的周期

【典型题2]（2024•湖南•高考真题）2024年5月3日，“嫦娥六号”探测器顺利进入地月转移轨道，正

式开启月球之旅。相较于“嫦娥四号”和“嫦娥五号”，本次的主要任务是登陆月球背面进行月壤采集并

通过升空器将月壤转移至绕月运行的返回舱，返回舱再通过返回轨道返回地球。设返回舱绕月运行的轨

道为圆轨道，半径近似为月球半径。己知月球表面重力加速度约为地球表面的月球半径约为地球半

径的《。关于返回舱在该绕月轨道上的运动，下列说法正确的是（）

A.其相对于月球的速度大于地球第一宇宙速度

B.其相对于月球的速度小于地球第一宇宙速度

c.其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的♦倍

D.其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的6倍

2.卫星变轨相关问题

【典型题3]（2024•广东广州•三模）2024年4月25日，神舟十八号发射成功。载人飞船先进入椭圆轨

道II,然后自A点进入圆形轨道I,两轨道相切于A点，下列说法正确的是（）

A.在轨道I通过力点的速度小于在轨道H通过/点的速度

B.载人飞船在/点的加速度大于在8点的加速度

C.载人飞船在轨道I上的速度小于第一宇宙速度

D.在相同时间内，载人飞船沿轨道I运行时与地心连线扫过的面积和沿轨道H运行时与地心连线扫过的

面积相等

3.卫星（赤道物体、近地卫星、同步卫星、高空卫星）比较类问题

【典型题4】（2024•四川成都•三模）2023年9月，神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮在离地球

表面400km的“天宫二号”空间站上为广大青少年带来了一堂精彩的太空科普课。已知地球同步卫星、

天宫二号沿圆轨道运行的向心加速度和地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度大小分别为。同、/、

a赤，它们运行的速率分别为v同、%、v赤。贝U（）

A.。赤〈。同<。官B./〈心〈。赤C.v同<%<v赤D.标<%<v同

【典型题4]（2024•北京海淀•模拟预测）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。关于a、b、c做匀速圆周运动的说法中错误的是（）

A.a、b、。三物体，都仅由万有引力提供向心力

B.周期关系为北=（>£

C.线速度的大小关系为匕<匕<"

D.向心加速度的大小关系为%>4

针对训练

一、单选题（本题共7小题。每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，不选、多

选、错选均不得分）

1.（2024•河北保定•三模）2023年10月26日，神舟十七号载人飞船在酒泉卫星发射中心发射成功，神

舟十七号飞船在完成入轨任务后，成功与距地面400km的天和核心舱前向端口进行对接，如图甲所示，

图乙为飞船发射至对接的原理图，关于神舟十七号的发射、入轨、对接，下列说法正确的是（）

A.飞船从地面发射进入轨道1的速度应超过7.9km/s

B.飞船在加速升空过程中处于失重状态

C.飞船在轨道1上运行时机械能不断增大

D.飞船先进入轨道2,再加速完成对接

2.（2024•云南昆明•三模）2024年3月20日，长征八号火箭成功发射，将鹊桥二号直接送入预定地月转

移轨道，如图所示，鹊桥二号在进入近月点P、远月点A的月球捕获椭圆轨道，开始绕月球飞行。经过

多次轨道控制，鹊桥二号最终进入近月点P和远月点B的环月椭圆轨道，关于鹊桥二号的说法正确的是

（）

捕获轨道______

/环月航道个\

At--B-；--------\月厂jP

‘X’

地月转移轨道鹊桥二号

A.发射时的速度大于n.2km/s

B.经过捕获椭圆轨道上尸点的速度小于经过环月椭圆轨道上尸点的速度

C.在捕获椭圆轨道上的周期大于在环月椭圆轨道上的周期

D.经过/点的加速度比经过6点的加速度大

3.（2025•浙江•一模）如图为科幻电影中的太空电梯示意图。超级缆绳将地球赤道上的固定基地、同步

空间站和配重空间站连接在一起，它们随地球同步旋转，P为太空电梯。地球同步卫星的轨道在同步空

间站和配重空间站之间。下列说法正确的是（）

A.若太空电梯沿缆绳匀速运动，则其内的物体受力平衡

B.宇航员可以自由漂浮在配重空间站内

C.从太空电梯向外自由释放一物块，物块将相对电梯做加速直线运动

D.若两空间站之间缆绳断裂，配重空间站将做离心运动

4.（2024•北京朝阳•一模）地球同步卫星位于地面上方高度约36000km处，周期与地球自转周期相同，

其运动可视为绕地球做匀速圆周运动。其中一种轨道平面与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方

向相同，因其相对地面静止，也称静止卫星。下列说法正确的是（）

A.与静止于赤道上的物体相比，静止卫星向心加速度更小

B.与近地轨道卫星相比，静止卫星的线速度更小

C.静止卫星内的物体处于平衡状态

D.所有静止卫星的线速度均相同

5.（2024•辽宁锦州•模拟预测）为空间站补给物资时，我国新一代货运飞船“天舟五号”实现了2小时

与“天宫空间站”快速对接，对接后的“结合体”仍在原空间站轨道运行。对接前“天宫空间站”与“天

舟五号”的轨道如图所示，则（）

\天宫空间站

天舟五号

A.“天宫空间站”的角速度大于“天舟五号”的角速度

B.“天宫空间站”的速率小于“天舟五号”的速率

C.“天宫空间站”的加速度大于“天舟五号”的加速度

D.“结合体”受到地球的引力等于“天宫空间站”受到地球的引力

6.（2024•黑龙江哈尔滨•模拟预测）北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展的需要，

自主建设运行的全球卫星导航系统。2023年5月17日，第56颗北斗导航卫星成功进入距地面高度约

36000km的预定轨道：12月26日，第57颗北斗导航卫星成功进入距地面高度约21500km的预定轨道。

两颗北斗卫星均视作绕地球做匀速圆周运动，下列说法正确的是（）

A.第57颗北斗导航卫星的动能一定大于第56颗北斗导航卫星的动能

B.第57颗北斗导航卫星的线速度一定大于第56颗北斗导航卫星的线速度

C.第57颗北斗导航卫星的周期一定大于第56颗北斗导航卫星的周期

D.第57颗北斗导航卫星的加速度一定小于第56颗北斗导航卫星的加速度

7.（2020•安徽•模拟预测）2020年3月9口，我国在西昌卫星发射中心成功发射北斗系统第54颗导航卫

星，北斗导航工程实现2020年“开门红”。北斗卫星导航系统由地球同步静止轨道卫星、与同步静止轨

道卫星具有相同周期的地球同步倾斜轨道卫星，以及比它们轨道低一些的中轨道卫星组成。它们均为圆

轨道卫星，轨道分布情况如图所示，则（）

中国北斗卫星导航系统

A.地球同步静止轨道卫星可能相对静止在合肥正上空

B.地球同步倾斜轨道卫星的轨道高度与同步静止轨道卫星的轨道高度相同

C.同步卫星绕地球稳定运行的加速度大于中轨道卫星绕地球稳定运行的加速度

D.质量相等的中轨道卫星与同步轨道卫星相比运行速率大，则中轨道卫星所具有的机械能较大

二、多选题（本题共5小题。每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。全部

选对的得全分,选对但不全的得一半分,有选错的得0分）

8.（2025•福建泉州•一模）2024年4月25日，“神舟十八号”载人飞船发射升空，次日与空间站天和核

心舱自主交会对接成功。将二者对接前的轨道简化如图，轨道I为载人飞船运行的椭圆轨道，轨道n为

空间站运行的圆轨道。两轨道相切于椭圆轨道的远地点a,b为椭圆轨道的近地点，c为轨道n上一点，

a、b、c三点共线，则载人飞船（）

A.从6点运行到a点与空间站从c点运行到a点所用的时间相等

B.在轨道I上a点的加速度等于空间站在轨道II上a点的加速度

C.在轨道I上a点的速度大于其在6点的速度

D.在轨道I上6点的速度大于空间站在轨道II上c点的速度

9.（2022•海南•高考真题）火星与地球的质量比为a,半径比为b,则它们的第一宇宙速度之比和表面的

重力加速度之比分别是（）

A.红/B.*=C,红*D,*邛

g地8V地Y6g地力V地Y。

10.（2025•湖南益阳•一模）我国计划2025年前后发射天问二号，开展小行星探测任务；2030年前后发

射天问三号和天间四号，分别开展火星采样返回任务和木星系探测任务。若将探测器送入地火转移轨道,

逐渐远离地球，并成为一颗人造行星，简化轨迹如图。定义地球和太阳平均距离为1个天文单位（Au）,

火星和太阳平均距离为L5个天文单位，则（）

A.从一点转移到0点的时间小于6个月

B.探测器在地火转移轨道与火星轨道经过同一点。时，机械能相等

C.探测器在地火转移轨道上尸点的加速度大于0点的加速度

D.地球、火星绕太阳运动的速度之比为云

11.（2024•陕西榆林•模拟预测）2月29日21时03分，我国在西昌卫星发射中心使用长征三号乙运载火

箭，成功发射卫星互联网高轨卫星01星。卫星发射并进入轨道是一个复杂的过程，如图所示，发射卫星