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方向發(fā)射衛(wèi)星到圓軌道Ⅰ上，如圖所示。(2)在A點(近地點)點火加速，由于速度變大，萬有引力不足以提供衛(wèi)星在軌道Ⅰ上做圓周運動的向心力，衛(wèi)星做離心運動進入橢圓軌道Ⅱ。(3)在B點(遠地點)再次點火加速進入圓形軌道Ⅲ。注意：變軌時間極短，瞬間即可完成，所以變軌時假定衛(wèi)星位置不變。2.變軌過程各物理量比較速度關系在A點加速：vⅡA＞vⅠ，在B點加速：vⅢ＞vⅡB，即vⅡA＞vⅠ＞vⅢ＞vⅡB加速度關系aⅢ＝aⅡBaⅡA＝aⅠ周期關系TⅠ＜TⅡ＜TⅢ機械能EⅠ＜EⅡ＜EⅢ注意：變軌時間極短，瞬間即可完成，所以變軌時假定衛(wèi)星位置不變。

PQ1、變軌過程2、回收過程

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

注意：變軌時間極短，瞬間即可完成，所以變軌時假定衛(wèi)星位置不變。變軌問題如果我們把人造衛(wèi)星和行星的運行視為理想化的圓周運動，那么人造衛(wèi)星繞地球的運行規(guī)律就和行星繞太陽的運行規(guī)律相同，都是軌道越高運行的速率越小、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)星的運動學參量也就都是確定的。那么如何實現(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點運動到Q點的過程中還有一個萬有引力做負功的減速過程！（觀察下圖的v-t圖像）A.在P點由a軌道轉變到b軌道時，速度必須變小B.在Q點由d軌道轉變到c軌道時，要加速才能實現(xiàn)(不計“嫦娥三號”的質(zhì)量變化)C.在b軌道上，衛(wèi)星在P點的速度比在R點的速度大D.“嫦娥三號”在a、b軌道上正常運行時，通過同一點P時，加速度相等例1.(多選)“嫦娥三號”衛(wèi)星從地球發(fā)射到月球過程的路線示意圖如圖所示．關于“嫦娥三號”的說法正確的是()CD例1

(2023·江蘇南京模擬)2020年我國實施“天問一號”計劃，通過一次發(fā)射，實現(xiàn)“環(huán)繞、降落、巡視”三大任務。如圖1所示，探測器經(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遠火點，P為軌道Ⅰ近火點，探測器在三個軌道運行時都經(jīng)過P點。則探測器(

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

)A.載人飛船可在到達軌道2后不斷加速追上空間站實現(xiàn)對接B.載人飛船在軌道1上P點的加速度等于空間站在軌道2上P點的加速度C.載人飛船在軌道1上經(jīng)過Q點時的速度等于7.9km/sD.載人飛船從Q點向P點運動過程中，萬有引力不做功B圖22.(2022·重慶市育才中學模擬)2021年5月15日中國首次火星探測任務“天問一號”探測器在火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)成功著陸。“天問一號”探測器需要通過霍曼轉移軌道從地球發(fā)送到火星，地球軌道和火星軌道看成圓形軌道，此時霍曼轉移軌道是一個近日點M和遠日點P分別與地球軌道、火星軌道相切的橢圓軌道(如圖3所示)，在近日點短暫點火后“天問一號”進入霍曼轉移軌道，接著“天問一號”沿著這個軌道運行直至抵達遠日點，然后再次點火進入火星軌道。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”運行方向都為逆時針方向。若只考慮太陽對“天問一號”的作用力，下列說法正確的是(

)圖3答案CB對點練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動。若飛船想與前方的空間站對接，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，完成對接 B.飛船從原軌道減速至一個較低軌道，再加速追上空間站完成對接 C.飛船加速至一個較高軌道，再減速追上空間站，完成對接 D.無論飛船采取何種措施，均不能與空間站對接2.(2023·山東臨沂高三專練)神舟十三號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56分在東風著陸場成功著陸。返回的大致過程如下：0時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)過制動減速、自由滑行、再入大氣層、著陸返回四個階段，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動到過渡軌道D.與空間站分離后，返回艙進入大氣層之前機械能減少圖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，衛(wèi)星在原軌道上需要先行減速 C.降軌后，衛(wèi)星在新軌道上運動周期變大 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為橢圓軌道，與圓形軌道Ⅰ和同步軌道Ⅲ分別相切于P、Q點。已知地球同步衛(wèi)星的軌道半徑為r，衛(wèi)星在Ⅰ、Ⅲ軌道上運行時，衛(wèi)星與地心的連線在相等時間內(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)射的神舟十三號飛船實現(xiàn)了和空間站徑向對接的新突破，如圖6甲所示。假定對接前飛船在橢圓軌道Ⅰ上，如圖乙所示，Ⅱ為空間站圓軌道，軌道半徑為kR(R為地球半徑)，A為兩軌道交點，B為飛船軌道近地點。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56分，天舟四號貨運飛船成功發(fā)射，隨后與“天和”核心艙成功對接。發(fā)射過程簡化示意圖如圖3所示，先把天舟四號貨運飛船發(fā)射到近地圓軌道Ⅰ，繼而調(diào)整