衛(wèi)星變軌問(wèn)題

人造衛(wèi)星變軌問(wèn)題專(zhuān)題一、人造衛(wèi)星基本原理繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星所需向心力由萬(wàn)有引力提供。軌道半徑r確定后，與之對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星線速度v=.「絲、周期T=2兀」'土、向心加速度a=四也都是確定的。如果衛(wèi)星r \GM r2的質(zhì)量也確定，那么與軌道半徑r對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星的動(dòng)能Ek（由線速度大小決定）、重力勢(shì)能弓（由衛(wèi)星高度決定）和總機(jī)械能E加（由能量轉(zhuǎn)換情況決定）也是確定的。一旦衛(wèi)星發(fā)生變軌，"即軌機(jī)道半徑r發(fā)生變化，上述物理量都將隨之變化。同理，只要上述七個(gè)物理量之一發(fā)生變化，另外六個(gè)也必將隨之變化。在高中物理中，會(huì)涉及到人造衛(wèi)星的兩種變軌問(wèn)題。二、漸變由于某個(gè)因素的影響使衛(wèi)星的軌道半徑發(fā)生緩慢的變化（逐漸增大或逐漸減?。捎诎霃阶兓徛?，衛(wèi)星每一周的運(yùn)動(dòng)仍可以看做是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。解決此類(lèi)問(wèn)題，首先要判斷這種變軌是離心還是向心，即軌道半徑是增大還是減小，然后再判斷衛(wèi)星的其他相關(guān)物理量如何變化。如：人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，無(wú)論軌道多高，都會(huì)受到稀薄大氣的阻力作用。如果不及時(shí)進(jìn)行軌道維持（即通過(guò)啟動(dòng)星上小型火箭，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，保持衛(wèi)星應(yīng)具有的速度），衛(wèi)星就會(huì)自動(dòng)變軌，偏離原來(lái)的圓周軌道，從而引起各個(gè)物理量的變化。mv2由于這種變軌的起因是阻力，阻力對(duì)衛(wèi)星做負(fù)功，使衛(wèi)星速度減小，所需要的向心力——減r小了，而萬(wàn)有引力大小GMm沒(méi)有變，因此衛(wèi)星將做向心運(yùn)動(dòng)，即半徑r將減小。r2由㈠中結(jié)論可知：衛(wèi)星線速度v將增大，周期T將減小，向心加速度a將增大，動(dòng)能Ek將增大，勢(shì)能E將減小，該過(guò)程有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能（摩擦生熱），因此衛(wèi)星機(jī)械能E機(jī)將減小。為什么衛(wèi)星克服阻力做功，動(dòng)能反而增加了呢？這是因?yàn)橐坏┸壍腊霃綔p小，在衛(wèi)星克服阻力做功的同時(shí)，萬(wàn)有引力（即重力）將對(duì)衛(wèi)星做正功。而且萬(wàn)有引力做的正功遠(yuǎn)大于克服大氣阻力做的功，外力對(duì)衛(wèi)星做的總功是正的，因此衛(wèi)星動(dòng)能增加。根據(jù)E機(jī)=Ek+Ep，該過(guò)程重力勢(shì)能的減少總是大于動(dòng)能的增加。再如：有一種宇宙學(xué)的理論認(rèn)為在漫長(zhǎng)的宇宙演化過(guò)程中，引力常量G是逐漸減小的。如果這個(gè)結(jié)論正確，那么恒星、行星將發(fā)生離心現(xiàn)象，即恒星到星系中心的距離、行星到恒星間的距離都將逐漸增大，宇宙將膨脹。三、突變由于技術(shù)上的需要，有時(shí)要在適當(dāng)?shù)奈恢枚虝r(shí)間啟動(dòng)飛行器上的發(fā)動(dòng)機(jī)，使飛行器軌道發(fā)生突變，使其到達(dá)預(yù)定的目標(biāo)。如：發(fā)射同步衛(wèi)星時(shí)，通常先將衛(wèi)星發(fā)送到近地軌道I，使其繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速率為v1，第一次在P點(diǎn)點(diǎn)火加速，在短時(shí)間內(nèi)將速率由V1增加到v2,使衛(wèi)星進(jìn)入橢圓形的轉(zhuǎn)移軌道II；衛(wèi)星運(yùn)行到遠(yuǎn)地點(diǎn)Q時(shí)的速率為v3,此時(shí)進(jìn)行第二次點(diǎn)火加速，在短時(shí)間內(nèi)將速率由V3增加到％，使衛(wèi)星進(jìn)入同步軌道III，繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。mv2 GMm第一次加速：衛(wèi)星需要的向心力——增大了，但萬(wàn)有引力 沒(méi)變，因此衛(wèi)星將開(kāi)始做r r2離心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入橢圓形的轉(zhuǎn)移軌道II。點(diǎn)火過(guò)程有化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，衛(wèi)星的機(jī)械能增大。在轉(zhuǎn)移軌道上，衛(wèi)星從近地點(diǎn)P向遠(yuǎn)地點(diǎn)Q運(yùn)動(dòng)過(guò)程只受重力作用，機(jī)械能守恒。重力做負(fù)功，重力勢(shì)能增加，動(dòng)能減小。在遠(yuǎn)地點(diǎn)Q時(shí)如果不進(jìn)行再次點(diǎn)火，衛(wèi)星將繼續(xù)沿橢圓軌道運(yùn)行，從遠(yuǎn)地點(diǎn)Q回到近地點(diǎn)P，不會(huì)自動(dòng)進(jìn)入同步軌道。這種情況下衛(wèi)星在Q點(diǎn)受到的萬(wàn)有引力大于以速率v3沿同步軌道運(yùn)動(dòng)所需要的向心力，因此衛(wèi)星做向心運(yùn)動(dòng)。為使衛(wèi)星進(jìn)入同步軌道，在衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到Q點(diǎn)時(shí)必須再次啟動(dòng)衛(wèi)星上的小火箭，短時(shí)間內(nèi)使衛(wèi)mv2星的速率由v3增加到v4，使它所需要的向心力一丁增大到和該位置的萬(wàn)有引力相等，這樣就能使衛(wèi)星進(jìn)入同步軌道I而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。該過(guò)程再次啟動(dòng)火箭加速，又有化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，衛(wèi)星的機(jī)械能再次增大。結(jié)論是：要使衛(wèi)星由較低的圓軌道進(jìn)入較高的圓軌道，即增大軌道半徑（增大軌道高度h），一定要給衛(wèi)星增加能量。與在低軌道I時(shí)比較，衛(wèi)星在同步軌道I上的動(dòng)能Ek減小了，勢(shì)能Ep增大了，機(jī)械能E機(jī)也增大了。增加的機(jī)械能由化學(xué)能轉(zhuǎn)化而來(lái)。 "四、與玻爾理論類(lèi)比人造衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬(wàn)有引力提供，電子繞氫原子核做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由庫(kù)侖力提供。萬(wàn)有引力和庫(kù)侖力都遵從平方反比率：F=Gmm和F=紳2，因此關(guān)于人r2 r2造衛(wèi)星的變軌和電子在氫原子各能級(jí)間的躍遷，分析方法是完全一樣的。⑴電子的不同軌道，對(duì)應(yīng)著原子系統(tǒng)的不同能級(jí)E，E包括電子的動(dòng)能Ek和系統(tǒng)的電勢(shì)能E，即E=Ek+E。⑵量子數(shù)n減小時(shí)，電子軌道半徑r減小，線速度v增大，周期T減小，向心加速度a增大，動(dòng)能Ek增大，電勢(shì)能^減小，原子向相應(yīng)的低能級(jí)躍遷，要釋放能量（輻射光子），因此氫原子系統(tǒng)總能量E減小。由PE=Ek+Ep可知，該過(guò)程Ep的減小量一定大于Ek的增加量。反之，量子數(shù)n增大時(shí)，電子軌道半徑r增大，線速度v減小，周期T增大，向心加速度a減小，動(dòng)能Ek減小，電勢(shì)能Ep增大，原子向相應(yīng)的高能級(jí)躍遷，要吸收能量（吸收光子），因此氫原子系統(tǒng)總能量E增大。由“E=Ek+Ep可知，該過(guò)程Ep的增加量一定大于Ek的減少量。A.1918B.■'19\A.1918B.■'19\；18,'18C.1：西D.181?五、練習(xí)題如圖，地球赤道上山丘°,近地資源衛(wèi)星p和同步通信衛(wèi)星q均在赤道平面上繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。設(shè)e、p、q的圓周運(yùn)動(dòng)速率分別為七、u2、％，向心加速度分別為％、a、a，貝v>v,>% B.v<v><% C.a>a>a D.a<a<a 。 。 。 。 據(jù)報(bào)道，“嫦娥一號(hào)”和“嫦娥二號(hào)”繞月飛行器的圓形工作軌道距月球表面分別約為200km和100km，運(yùn)行速率分別為v1和v2。那么，v1和v2的比值為（月球半徑取1700km）我國(guó)成功實(shí)施了“神舟”七號(hào)載入航天飛行并實(shí)現(xiàn)了航天員首次出艙。飛船先沿橢圓軌道飛行，后在遠(yuǎn)地點(diǎn)343千米處點(diǎn)火加速，由橢圓軌道變成高度為343千米的圓軌道，在此圓軌道上飛船運(yùn)行周期約為90分鐘。下列判斷正確的是飛船變軌前后的機(jī)械能相等飛船在圓軌道上時(shí)航天員出艙前后都處于超重狀態(tài)飛船在此圓軌道上運(yùn)動(dòng)的角速度大于同步衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的角速度飛船變軌前通過(guò)橢圓軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)的加速度大于變軌后沿圓軌道運(yùn)動(dòng)的加速度4.2009年2月11日，俄羅斯的“宇宙一2251”衛(wèi)星和美國(guó)“銥一33”衛(wèi)星在西伯利亞上空約805km處發(fā)生碰撞。這是歷史上首次發(fā)生的完整在軌衛(wèi)星碰撞事件。碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的大量碎片可能會(huì)影響太空環(huán)境。假定有甲、乙兩塊碎片，繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道都是圓，甲的運(yùn)行速率比乙的大，則下列說(shuō)法中正確的是A.甲的運(yùn)行周期一定比乙的長(zhǎng) B.甲距地面的高度一定比乙的高C.甲的向心力一定比乙的小 D.甲的加速度一定比乙的大5.“嫦娥一號(hào)”月球探測(cè)器在環(huán)繞月球運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)探測(cè)器運(yùn)行的軌道半徑為r，運(yùn)行速率為v，當(dāng)探測(cè)器在飛越月球上一些環(huán)形山中的質(zhì)量密集區(qū)上空時(shí)A.r、v都將略為減小 B.r、v都將保持不變C.r將略為減小，v將略為增大 D.r將略為增大，v將略為減小

6.近地人造衛(wèi)星1和2繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期分別為T(mén)和T2。設(shè)在衛(wèi)星1、衛(wèi)星26.則4C公=g2IT2J1T則4C公=g2IT2J1T1Jg太陽(yáng)系中的8大行星的軌道均可以近似看成圓軌道。下列4幅圖是用來(lái)描述這些行星運(yùn)動(dòng)所遵從的某一規(guī)律的圖象。圖中坐標(biāo)系的橫軸是1g(T/T0)?？v軸是1g(R/R0)；這里T和R分別是行星繞太陽(yáng)運(yùn)行的周期和相應(yīng)的圓軌道半徑，T0和R0分別是水星繞太陽(yáng)的周期和相應(yīng)的圓軌道半徑。下列4幅圖中正確的是A.:I j1g(TA.:I j1g(T/Tn)I|1g(T/T0)1 2 3O1 2 3航天飛機(jī)在完成對(duì)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的維修任務(wù)后，在A點(diǎn)短時(shí)間開(kāi)動(dòng)小型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行變軌，從圓形軌道1進(jìn)入橢圓道II,B為軌道II上的一點(diǎn)，如圖所示。下列說(shuō)法中正確的有在軌道II上經(jīng)過(guò)A的機(jī)械能大于經(jīng)過(guò)B的機(jī)械能在A點(diǎn)短時(shí)間開(kāi)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后航天飛機(jī)的動(dòng)能增大了在軌道II上運(yùn)動(dòng)的周期小于在軌道I上運(yùn)動(dòng)的周期在軌道II上經(jīng)過(guò)A的加速度小于在軌道I上經(jīng)過(guò)A的加速度我國(guó)“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星發(fā)射后，先在“24小時(shí)軌道”上繞地球運(yùn)行(即繞地球一圈需要24小時(shí))；然后，經(jīng)過(guò)