高中物理衛(wèi)星的變軌和能量問題

衛(wèi)星的變軌和能量問題1.變軌原理(1)為了節(jié)省能量，在赤道上順著地球自轉(zhuǎn)方向發(fā)射衛(wèi)星到圓軌道Ⅰ上，如圖所示。(2)在A點(diǎn)(近地點(diǎn))點(diǎn)火加速，由于速度變大，萬有引力不足以提供衛(wèi)星在軌道Ⅰ上做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，衛(wèi)星做離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入橢圓軌道Ⅱ。(3)在B點(diǎn)(遠(yuǎn)地點(diǎn))再次點(diǎn)火加速進(jìn)入圓形軌道Ⅲ。注意：變軌時(shí)間極短，瞬間即可完成，所以變軌時(shí)假定衛(wèi)星位置不變。2.變軌過程各物理量比較速度關(guān)系在A點(diǎn)加速：vⅡA＞vⅠ，在B點(diǎn)加速：vⅢ＞vⅡB，即vⅡA＞vⅠ＞vⅢ＞vⅡB加速度關(guān)系aⅢ＝aⅡBaⅡA＝aⅠ周期關(guān)系TⅠ＜TⅡ＜TⅢ機(jī)械能EⅠ＜EⅡ＜EⅢ注意：變軌時(shí)間極短，瞬間即可完成，所以變軌時(shí)假定衛(wèi)星位置不變。

PQ1、變軌過程2、回收過程

1軌道的P點(diǎn)，點(diǎn)火加速，到達(dá)2軌道；2軌道的Q點(diǎn)，再點(diǎn)火加速，到達(dá)3軌道.1、變軌原理：加速離心，減速近心。

注意：變軌時(shí)間極短，瞬間即可完成，所以變軌時(shí)假定衛(wèi)星位置不變。變軌問題如果我們把人造衛(wèi)星和行星的運(yùn)行視為理想化的圓周運(yùn)動(dòng)，那么人造衛(wèi)星繞地球的運(yùn)行規(guī)律就和行星繞太陽的運(yùn)行規(guī)律相同，都是軌道越高運(yùn)行的速率越小、周期越長——R大T大三度小。如果衛(wèi)星的軌道半徑是確定的，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)參量也就都是確定的。那么如何實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星從較低的軌道變軌到較高的軌道呢？我們以發(fā)射地球同步衛(wèi)星為例說明這個(gè)問題。由v?經(jīng)過兩次加速后變成v?，但為什么v?>v?呢？其原因就在于由P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到Q點(diǎn)的過程中還有一個(gè)萬有引力做負(fù)功的減速過程?。ㄓ^察下圖的v-t圖像）A.在P點(diǎn)由a軌道轉(zhuǎn)變到b軌道時(shí)，速度必須變小B.在Q點(diǎn)由d軌道轉(zhuǎn)變到c軌道時(shí)，要加速才能實(shí)現(xiàn)(不計(jì)“嫦娥三號(hào)”的質(zhì)量變化)C.在b軌道上，衛(wèi)星在P點(diǎn)的速度比在R點(diǎn)的速度大D.“嫦娥三號(hào)”在a、b軌道上正常運(yùn)行時(shí)，通過同一點(diǎn)P時(shí)，加速度相等例1.(多選)“嫦娥三號(hào)”衛(wèi)星從地球發(fā)射到月球過程的路線示意圖如圖所示．關(guān)于“嫦娥三號(hào)”的說法正確的是()CD例1

(2023·江蘇南京模擬)2020年我國實(shí)施“天問一號(hào)”計(jì)劃，通過一次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)“環(huán)繞、降落、巡視”三大任務(wù)。如圖1所示，探測(cè)器經(jīng)歷橢圓軌道Ⅰ→橢圓軌道Ⅱ→圓軌道Ⅲ的變軌過程。Q為軌道Ⅰ遠(yuǎn)火點(diǎn)，P為軌道Ⅰ近火點(diǎn)，探測(cè)器在三個(gè)軌道運(yùn)行時(shí)都經(jīng)過P點(diǎn)。則探測(cè)器(

)A.沿軌道Ⅰ運(yùn)行至P點(diǎn)速度大于運(yùn)行至Q點(diǎn)速度B.沿軌道Ⅱ運(yùn)行至P點(diǎn)的加速度小于沿軌道Ⅲ運(yùn)行至P點(diǎn)的加速度C.沿軌道Ⅰ運(yùn)行的周期小于沿軌道Ⅱ運(yùn)行的周期D.與火星連線在相等時(shí)間內(nèi)，沿軌道Ⅰ運(yùn)行與沿軌道Ⅱ運(yùn)行掃過面積相等A圖1跟蹤訓(xùn)練1.(2022·湖北孝感模擬)2022年4月13日，神舟十三號(hào)飛船在歷經(jīng)了183天的太空航行之后，成功返回地球。神舟十三號(hào)此行的主要任務(wù)之一是進(jìn)入太空并與天宮空間站進(jìn)行對(duì)接，飛船的運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為如圖2所示的情境，圓形軌道2為天宮空間站運(yùn)行軌道，橢圓軌道1為載人飛船運(yùn)行軌道，兩軌道相切于P點(diǎn)，Q點(diǎn)在地面附近，是軌道1的近地點(diǎn)，則下列判斷正確的是(

)A.載人飛船可在到達(dá)軌道2后不斷加速追上空間站實(shí)現(xiàn)對(duì)接B.載人飛船在軌道1上P點(diǎn)的加速度等于空間站在軌道2上P點(diǎn)的加速度C.載人飛船在軌道1上經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)的速度等于7.9km/sD.載人飛船從Q點(diǎn)向P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，萬有引力不做功B圖22.(2022·重慶市育才中學(xué)模擬)2021年5月15日中國首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”探測(cè)器在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)成功著陸?！疤靻栆惶?hào)”探測(cè)器需要通過霍曼轉(zhuǎn)移軌道從地球發(fā)送到火星，地球軌道和火星軌道看成圓形軌道，此時(shí)霍曼轉(zhuǎn)移軌道是一個(gè)近日點(diǎn)M和遠(yuǎn)日點(diǎn)P分別與地球軌道、火星軌道相切的橢圓軌道(如圖3所示)，在近日點(diǎn)短暫點(diǎn)火后“天問一號(hào)”進(jìn)入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，接著“天問一號(hào)”沿著這個(gè)軌道運(yùn)行直至抵達(dá)遠(yuǎn)日點(diǎn)，然后再次點(diǎn)火進(jìn)入火星軌道。已知引力常量為G，地球軌道和火星軌道半徑分別為r和R，地球、火星、“天問一號(hào)”運(yùn)行方向都為逆時(shí)針方向。若只考慮太陽對(duì)“天問一號(hào)”的作用力，下列說法正確的是(

)圖3答案CB對(duì)點(diǎn)練1衛(wèi)星的變軌和能量問題1.宇宙飛船和空間站在同一軌道上運(yùn)動(dòng)。若飛船想與前方的空間站對(duì)接，飛船為了追上空間站，可采取的方法是(

) A.飛船加速直到追上空間站，完成對(duì)接 B.飛船從原軌道減速至一個(gè)較低軌道，再加速追上空間站完成對(duì)接 C.飛船加速至一個(gè)較高軌道，再減速追上空間站，完成對(duì)接 D.無論飛船采取何種措施，均不能與空間站對(duì)接2.(2023·山東臨沂高三專練)神舟十三號(hào)載人飛船返回艙首次采用快速返回模式，于2022年4月16日9時(shí)56分在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸。返回的大致過程如下：0時(shí)44分飛船沿徑向與空間站天和核心艙成功分離，分離后空間站仍沿原軌道飛行，飛船下降到空間站下方200m處的過渡軌道并進(jìn)行調(diào)姿，由徑向飛行改為橫向飛行。繞行5圈后，經(jīng)過制動(dòng)減速、自由滑行、再入大氣層、著陸返回四個(gè)階段，如圖1為該過程的示意圖。下列說法正確的是(

)DA.分離后空間站運(yùn)行速度變小B.飛船在過渡軌道的速度大于第一宇宙速度C.飛船沿徑向與空間站分離后在重力作用下運(yùn)動(dòng)到過渡軌道D.與空間站分離后，返回艙進(jìn)入大氣層之前機(jī)械能減少圖13.(2022·江蘇南京模擬)2021年5月16日至6月24日，運(yùn)行在約555km高度軌道上的“星鏈—1095”衛(wèi)星降軌至平均高度為382km的近圓軌道上，后持續(xù)運(yùn)行于這一與中國空間站相近的高度。在此期間，中國空間站采取了緊急避碰措施。關(guān)于衛(wèi)星的降軌，下列說法正確的是(

) A.降軌前，衛(wèi)星在原軌道上處于平衡狀態(tài) B.降軌時(shí)，衛(wèi)星在原軌道上需要先行減速 C.降軌后，衛(wèi)星在新軌道上運(yùn)動(dòng)周期變大 D.降軌后，衛(wèi)星在新軌道上的速度將大于第一宇宙速度B4.(2023·江西景德鎮(zhèn)模擬)如圖2所示為某一同步衛(wèi)星的發(fā)射過程示意圖，Ⅱ?yàn)闄E圓軌道，與圓形軌道Ⅰ和同步軌道Ⅲ分別相切于P、Q點(diǎn)。已知地球同步衛(wèi)星的軌道半徑為r，衛(wèi)星在Ⅰ、Ⅲ軌道上運(yùn)行時(shí)，衛(wèi)星與地心的連線在相等時(shí)間內(nèi)掃過的面積之比為k，下列說法正確的是(

)B圖2A10.(2022·湖北八市聯(lián)考)2021年10月我國發(fā)射的神舟十三號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)了和空間站徑向?qū)拥男峦黄?，如圖6甲所示。假定對(duì)接前飛船在橢圓軌道Ⅰ上，如圖乙所示，Ⅱ?yàn)榭臻g站圓軌道，軌道半徑為kR(R為地球半徑)，A為兩軌道交點(diǎn)，B為飛船軌道近地點(diǎn)。地球表面重力加速度為g，下列說法中正確的是(

)D圖6三、科學(xué)探究：航天事業(yè)的發(fā)展與宇宙探究例3(多選)2022年5月10日01時(shí)56分，天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船成功發(fā)射，隨后與“天和”核心艙成功對(duì)接。發(fā)射過程簡(jiǎn)化示意圖如圖3所示，先把天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船發(fā)射到近地圓軌道Ⅰ，繼而調(diào)整