高中物理卫星的变轨和能量问题

卫星的变轨和能量问题1.变轨原理(1)为了节省能量，在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道Ⅰ上，如图所示。(2)在A点(近地点)点火加速，由于速度变大，万有引力不足以提供卫星在轨道Ⅰ上做圆周运动的向心力，卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ。(3)在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ。注意：变轨时间极短，瞬间即可完成，所以变轨时假定卫星位置不变。2.变轨过程各物理量比较速度关系在A点加速：vⅡA＞vⅠ，在B点加速：vⅢ＞vⅡB，即vⅡA＞vⅠ＞vⅢ＞vⅡB加速度关系aⅢ＝aⅡBaⅡA＝aⅠ周期关系TⅠ＜TⅡ＜TⅢ机械能EⅠ＜EⅡ＜EⅢ注意：变轨时间极短，瞬间即可完成，所以变轨时假定卫星位置不变。

PQ1、变轨过程2、回收过程

1轨道的P点，点火加速，到达2轨道；2轨道的Q点，再点火加速，到达3轨道.1、变轨原理：加速离心，减速近心。

注意：变轨时间极短，瞬间即可完成，所以变轨时假定卫星位置不变。变轨问题如果我们把人造卫星和行星的运行视为理想化的圆周运动，那么人造卫星绕地球的运行规律就和行星绕太阳的运行规律相同，都是轨道越高运行的速率越小、周期越长——R大T大三度小。如果卫星的轨道半径是确定的，卫星的运动学参量也就都是确定的。那么如何实现卫星从较低的轨道变轨到较高的轨道呢？我们以发射地球同步卫星为例说明这个问题。由v₁经过两次加速后变成v₂，但为什么v₁>v₂呢？其原因就在于由P点运动到Q点的过程中还有一个万有引力做负功的减速过程！（观察下图的v-t图像）A.在P点由a轨道转变到b轨道时，速度必须变小B.在Q点由d轨道转变到c轨道时，要加速才能实现(不计“嫦娥三号”的质量变化)C.在b轨道上，卫星在P点的速度比在R点的速度大D.“嫦娥三号”在a、b轨道上正常运行时，通过同一点P时，加速度相等例1.(多选)“嫦娥三号”卫星从地球发射到月球过程的路线示意图如图所示．关于“嫦娥三号”的说法正确的是()CD例1

(2023·江苏南京模拟)2020年我国实施“天问一号”计划，通过一次发射，实现“环绕、降落、巡视”三大任务。如图1所示，探测器经历椭圆轨道Ⅰ→椭圆轨道Ⅱ→圆轨道Ⅲ的变轨过程。Q为轨道Ⅰ远火点，P为轨道Ⅰ近火点，探测器在三个轨道运行时都经过P点。则探测器(

)A.沿轨道Ⅰ运行至P点速度大于运行至Q点速度B.沿轨道Ⅱ运行至P点的加速度小于沿轨道Ⅲ运行至P点的加速度C.沿轨道Ⅰ运行的周期小于沿轨道Ⅱ运行的周期D.与火星连线在相等时间内，沿轨道Ⅰ运行与沿轨道Ⅱ运行扫过面积相等A图1跟踪训练1.(2022·湖北孝感模拟)2022年4月13日，神舟十三号飞船在历经了183天的太空航行之后，成功返回地球。神舟十三号此行的主要任务之一是进入太空并与天宫空间站进行对接，飞船的运动可简化为如图2所示的情境，圆形轨道2为天宫空间站运行轨道，椭圆轨道1为载人飞船运行轨道，两轨道相切于P点，Q点在地面附近，是轨道1的近地点，则下列判断正确的是(

)A.载人飞船可在到达轨道2后不断加速追上空间站实现对接B.载人飞船在轨道1上P点的加速度等于空间站在轨道2上P点的加速度C.载人飞船在轨道1上经过Q点时的速度等于7.9km/sD.载人飞船从Q点向P点运动过程中，万有引力不做功B图22.(2022·重庆市育才中学模拟)2021年5月15日中国首次火星探测任务“天问一号”探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区成功着陆。“天问一号”探测器需要通过霍曼转移轨道从地球发送到火星，地球轨道和火星轨道看成圆形轨道，此时霍曼转移轨道是一个近日点M和远日点P分别与地球轨道、火星轨道相切的椭圆轨道(如图3所示)，在近日点短暂点火后“天问一号”进入霍曼转移轨道，接着“天问一号”沿着这个轨道运行直至抵达远日点，然后再次点火进入火星轨道。已知引力常量为G，地球轨道和火星轨道半径分别为r和R，地球、火星、“天问一号”运行方向都为逆时针方向。若只考虑太阳对“天问一号”的作用力，下列说法正确的是(

)图3答案CB对点练1卫星的变轨和能量问题1.宇宙飞船和空间站在同一轨道上运动。若飞船想与前方的空间站对接，飞船为了追上空间站，可采取的方法是(

) A.飞船加速直到追上空间站，完成对接 B.飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站完成对接 C.飞船加速至一个较高轨道，再减速追上空间站，完成对接 D.无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接2.(2023·山东临沂高三专练)神舟十三号载人飞船返回舱首次采用快速返回模式，于2022年4月16日9时56分在东风着陆场成功着陆。返回的大致过程如下：0时44分飞船沿径向与空间站天和核心舱成功分离，分离后空间站仍沿原轨道飞行，飞船下降到空间站下方200m处的过渡轨道并进行调姿，由径向飞行改为横向飞行。绕行5圈后，经过制动减速、自由滑行、再入大气层、着陆返回四个阶段，如图1为该过程的示意图。下列说法正确的是(

)DA.分离后空间站运行速度变小B.飞船在过渡轨道的速度大于第一宇宙速度C.飞船沿径向与空间站分离后在重力作用下运动到过渡轨道D.与空间站分离后，返回舱进入大气层之前机械能减少图13.(2022·江苏南京模拟)2021年5月16日至6月24日，运行在约555km高度轨道上的“星链—1095”卫星降轨至平均高度为382km的近圆轨道上，后持续运行于这一与中国空间站相近的高度。在此期间，中国空间站采取了紧急避碰措施。关于卫星的降轨，下列说法正确的是(

) A.降轨前，卫星在原轨道上处于平衡状态 B.降轨时，卫星在原轨道上需要先行减速 C.降轨后，卫星在新轨道上运动周期变大 D.降轨后，卫星在新轨道上的速度将大于第一宇宙速度B4.(2023·江西景德镇模拟)如图2所示为某一同步卫星的发射过程示意图，Ⅱ为椭圆轨道，与圆形轨道Ⅰ和同步轨道Ⅲ分别相切于P、Q点。已知地球同步卫星的轨道半径为r，卫星在Ⅰ、Ⅲ轨道上运行时，卫星与地心的连线在相等时间内扫过的面积之比为k，下列说法正确的是(

)B图2A10.(2022·湖北八市联考)2021年10月我国发射的神舟十三号飞船实现了和空间站径向对接的新突破，如图6甲所示。假定对接前飞船在椭圆轨道Ⅰ上，如图乙所示，Ⅱ为空间站圆轨道，轨道半径为kR(R为地球半径)，A为两轨道交点，B为飞船轨道近地点。地球表面重力加速度为g，下列说法中正确的是(

)D图6三、科学探究：航天事业的发展与宇宙探究例3(多选)2022年5月10日01时56分，天舟四号货运飞船成功发射，随后与“天和”核心舱成功对接。发射过程简化示意图如图3所示，先把天舟四号货运飞船发射到近地圆轨道Ⅰ，继而调整