人造衛(wèi)星、宇宙飛船運(yùn)行

1、高三物理專(zhuān)題人造衛(wèi)星、宇宙飛船運(yùn)行特點(diǎn)分析及應(yīng)用 飛船、衛(wèi)星運(yùn)行問(wèn)題與物理知識(shí)（如萬(wàn)有引力定律、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、牛頓運(yùn)動(dòng)定律等）及地理知識(shí)有十分密切的相關(guān)性，是新高考突出學(xué)科內(nèi)及跨學(xué)科間綜合創(chuàng)新能力考查的命題熱點(diǎn)，也是考生備考應(yīng)試的難點(diǎn)，特別是今年10月神州六號(hào)飛船再次實(shí)現(xiàn)載人航天飛行試驗(yàn)以來(lái)，明年高考有很大可能考察“神六”問(wèn)題。 衛(wèi)星、飛船的問(wèn)題貼近科技前沿，且蘊(yùn)含豐富的中學(xué)物理知識(shí)，以此為背景的高考命題立意高、情景新、綜合性強(qiáng)，對(duì)考生的理解能力、綜合分析能力、信息提煉處理能力及空間想象能力提出了極高的要求，亦是考生備考應(yīng)試的難點(diǎn).考生應(yīng)試失誤的原因主要表現(xiàn)在：（1）對(duì)衛(wèi)星和飛船運(yùn)行的過(guò)程及遵

2、循的規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，理解不透，難以建立清晰的物理情景.（2）對(duì)衛(wèi)星和飛船運(yùn)行中力與運(yùn)動(dòng)量之間，能量轉(zhuǎn)化間的關(guān)系難以明晰，對(duì)諸多公式含義模糊不清.一、衛(wèi)星的運(yùn)行及規(guī)律 一般情況下運(yùn)行的衛(wèi)星，其所受萬(wàn)有引力不是剛好提供向心力，此時(shí)，衛(wèi)星的運(yùn)行速率及軌道半徑就要發(fā)生變化，萬(wàn)有引力做功，我們將其稱(chēng)為不穩(wěn)定運(yùn)行即變軌運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)它所受萬(wàn)有引力剛好提供向心力時(shí)，它的運(yùn)行速率就不再發(fā)生變化，軌道半徑確定不變，從而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，我們稱(chēng)為穩(wěn)定運(yùn)行. 對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的衛(wèi)星， 運(yùn)行速率不變； 軌道半徑不變； 萬(wàn)有引力提供向心力，即GMm/r2=mv2/r成立. 其運(yùn)行速度與其運(yùn)行軌道處于一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即每一軌道都有

3、一確定速度相對(duì)應(yīng).而不穩(wěn)定運(yùn)行的衛(wèi)星則不具備上述關(guān)系，其運(yùn)行速率和軌道半徑都在發(fā)生著變化。 二、同步衛(wèi)星的四定 地球同步衛(wèi)星是相對(duì)地球表面靜止的穩(wěn)定運(yùn)行衛(wèi)星. 1.地球同步衛(wèi)星的軌道平面唯一確定：非同步人造地球衛(wèi)星其軌道平面可與地軸有任意夾角，而同步衛(wèi)星一定位于赤道的正上方，不可能在與赤道平行的其他平面上. 2.地球同步衛(wèi)星的周期唯一確定：地球同步衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同. 3. 地球同步衛(wèi)星的軌道半徑確定：據(jù)牛頓第二定律有GMm/r2=m02r，得r= ，0與地球自轉(zhuǎn)角速度相同，所以地球同步衛(wèi)星的軌道半徑為r=4.24104 km.其離地面高度也是一定的. 4. 地球同步衛(wèi)星的線(xiàn)速度

4、為定值：地球同步衛(wèi)星的線(xiàn)速度大小為v = 0r =3.08103 m/s，為定值，繞行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同. 典型例題一 我國(guó)在近幾年內(nèi)，發(fā)射了多顆地球同步通訊衛(wèi)星，若用m表示地球同步通信衛(wèi)星的質(zhì)量、h表示衛(wèi)星離地面的高度、M表示地球的質(zhì)量、R0表示地球的半徑、g0表示地球表面處的重力加速度、T0表示地球自轉(zhuǎn)的周期、0表示地球自轉(zhuǎn)的角速度，則：（1）地球同步通訊衛(wèi)星的軌道有什么特點(diǎn)？在同步的軌道上均勻分布三顆通信衛(wèi)星，能否實(shí)現(xiàn)全球的通訊，為什么？ 答案： 、同步衛(wèi)星的軌道平面必須與地球的赤道的平面重合，這是衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的必要的條件，同步衛(wèi)星發(fā)射后并不是直接進(jìn)入同步軌道的，而是要先進(jìn)入近地的停

5、泊軌道再進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道，最后再經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)整進(jìn)入同步軌道。同步衛(wèi)星的軌道平面雖然要與地球的赤道的平面重合，但發(fā)射并不一定要在赤道上發(fā)射。 、不能，設(shè)地球?yàn)榍蝮w，從衛(wèi)星處作與地球相切的兩條直線(xiàn)，因?yàn)橥叫l(wèi)星的高度不是無(wú)限大，所以著兩根切線(xiàn)總不能過(guò)地球的南北的極點(diǎn)M、N。由此可見(jiàn)，不管在同步軌道上發(fā)射多小衛(wèi)星，都不能覆蓋全球。 （2）地球同步通信衛(wèi)星的環(huán)繞速度v為：A.0（R0+h） B. C. D. 答案：A、B、C、D均正確 （2）答案：設(shè)地球同步衛(wèi)星離地心的高度為r, 則r=R0+h則環(huán)繞速度為： v =0r =0（R0+h） 同步衛(wèi)星圓周運(yùn)動(dòng)由萬(wàn)有引力提供向心力：即G得v =又有G=m02

6、, 所以 r =則v=0r =0=（2）地球同步通信衛(wèi)星的環(huán)繞速度v為：A.0（R0+h） B. C. D. 答案：A、B、C、D均正確 （3）地球同步通信衛(wèi)星所受的地球?qū)λ娜f(wàn)有引力 F 的大小為： A .m B . m20（R0+h） C .m D .m 答案：A、B、C、D均正確 （3）答案：地球?qū)ν叫l(wèi)星的萬(wàn)有引力大小來(lái)提供向心力：在地面上時(shí)有 mg0= 得出，GM= g0R02=m02（R0+h），所以R0+h =F向=m02（R0+h）=m02F向=m02（R0+h）=m （3）地球同步通信衛(wèi)星所受的地球?qū)λ娜f(wàn)有引力 F 的大小為： A .m B . m20（R0+h） C .m

7、 D .m 答案：A、B、C、D均正確 （4）地球同步通信衛(wèi)星離地面的高度h為A .因地球同步通信衛(wèi)星和地球自轉(zhuǎn)同步， 則衛(wèi)星離地面的高度就被確定。B -R0 C -R0D 地球同步通信衛(wèi)星的角速度雖已確定，但衛(wèi)星離地面的高度可以選擇.高度增加，環(huán)繞速度增大，高度降低，環(huán)繞速度減小，仍能同步。答案：A、B、C正確 （5）2000年1月26日我國(guó)發(fā)射了一顆同步衛(wèi)星,其定點(diǎn)位置與東徑98的經(jīng)線(xiàn)在同一平面內(nèi),若把甘肅省嘉裕關(guān)處的經(jīng)度和緯度近似取為東徑98和北緯=40,已知地球半徑R,地球自轉(zhuǎn)周期T,地球表面重力加速度g(視為常量)和光速c.試求該同步衛(wèi)星發(fā)射的微波信號(hào)傳到嘉裕關(guān)處的接收站所需的時(shí)間(

8、要求用題給的已知量的符號(hào)表示). 答案：t= （5）解析：設(shè)嘉裕關(guān)到同步衛(wèi)星的距離為L(zhǎng)，如圖所示，由余弦定理得： 所求時(shí)間為又同步衛(wèi)星到地球球心距離為r 則 由以上各式得 神州六號(hào)飛船的運(yùn)行特點(diǎn)一、飛船圍繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)律和衛(wèi)星的規(guī)律相同。二、飛船發(fā)射和返回過(guò)程具有自己相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)，可以通過(guò)實(shí)際圖片以及模擬圖片來(lái)了解飛船的運(yùn)行過(guò)程。 聚焦“神州六號(hào)”飛天紀(jì)實(shí)圖片。 典型例題二 2005年10月12日9時(shí)整，我國(guó)自行研制的“神舟六號(hào)”載人飛船順利升空，飛行115小時(shí)32分繞地球73圈于17日4時(shí)33分在內(nèi)蒙古主著陸場(chǎng)成功著陸，返回艙完好無(wú)損，宇航員費(fèi)俊龍、聶海勝自主出艙，“神舟

9、六號(hào)”載人航天飛行圓滿(mǎn)成功。飛船升空后，首先沿橢圓軌道運(yùn)行，其近地點(diǎn)約為200公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)約為347公里。 在繞地球飛行四圈后，地面發(fā)出指令，使飛船上的發(fā)動(dòng)機(jī)在飛船到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)自動(dòng)點(diǎn)火，實(shí)施變軌，提高了飛船的速度。使得飛船在距地面340公里的圓軌道上飛行。(一)、求在圓軌道上飛船的飛行速度v和 運(yùn)行周期T（已知g0、R0）。 答案：1、G又 r = R0+h 所以 v=2、T = (二)、若已知飛船的質(zhì)量為M，飛船在Q點(diǎn)時(shí)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)向后噴出一定質(zhì)量氣體使飛船速度增加而進(jìn)入圓軌道，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度大小v2 ，設(shè)噴出的氣體的速度為u，質(zhì)量為m，求：飛船在橢圓軌道上經(jīng)Q點(diǎn)的速度v1及橢圓軌道Q點(diǎn)處的重

10、力加速度。地球PQ解析：由動(dòng)量守恒得 Mv1=（Mm）v2mu，得出：v1=（Mm）v2mu/M，因?yàn)樵赒點(diǎn)上的重力加速度由萬(wàn)有引力提供，則有：得出 (三)、飛船在圓軌道上運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行多次軌道維持。軌道維持就是通過(guò)控制飛船上的發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間和推力，使飛船能保持在同一軌道上穩(wěn)定運(yùn)行。如果不進(jìn)行軌道維持，飛船的軌道高度就會(huì)逐漸降低，在這種情況下，飛船的動(dòng)能、重力勢(shì)能和機(jī)械能變化的關(guān)系應(yīng)該是 ( )A動(dòng)能、重力勢(shì)能和機(jī)械能逐漸減小B重力勢(shì)能逐漸減小，動(dòng)能逐漸增大， 機(jī)械能不變 C重力勢(shì)能逐漸增大，動(dòng)能逐漸減小， 機(jī)械能不變 D重力勢(shì)能逐漸減小，動(dòng)能逐漸增大， 機(jī)械能逐漸減小 答案：D 正確 (四)、飛船繞地球飛行73圈后于16日9時(shí)57分收到返回信號(hào)，5時(shí)58分發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)點(diǎn)火，假設(shè)點(diǎn)火通過(guò)噴氣使飛船做減速運(yùn)動(dòng)，飛船應(yīng)向什么方向噴氣? 答案：飛船應(yīng)該向前進(jìn)的方向噴氣，減少這一時(shí)刻的瞬時(shí)速度，使萬(wàn)有引力大于所需要的向心力，飛船開(kāi)始做近心運(yùn)動(dòng)，實(shí)施返回計(jì)劃。 (五)、飛船在豎直向上發(fā)射升空階段、進(jìn)入軌道繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)階段和返回地球豎直向下加速下降階段