专题5.3 卫星变轨问题 双星模型—2022届高三物理一轮复习考点全攻关

专题5.3卫星变轨问题 双星模型 【考点要求】 1.会处理人造卫星的变轨和对接问题. 2.掌握双星、多星系统，会解决相关问题． 考点一　卫星的变轨和对接问题 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1所示． 图1 (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. 2．变轨过程分析 (1)速度：设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3，在轨道Ⅱ上过A点和B点时速率分别为vA、vB.在A点加速，则vA>v1，在B点加速，则v3>vB，又因v1>v3，故有vA>v1>v3>vB. (2)加速度：因为在A点，卫星只受到万有引力作用，故不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A点，卫星的加速度都相同，同理，卫星在轨道Ⅱ或轨道Ⅲ上经过B点的加速度也相同． (3)周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上的运行周期分别为T1、T2、T3，轨道半径分别为r1、r2(半长轴)、r3，由开普勒第三定律＝k可知T1<T2<T3. (4)机械能：在一个确定的圆(椭圆)轨道上机械能守恒．若卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E1、E2、E3，则E1<E2<E3. 【例1】(2021·北京市通州区期中)如图2所示，一颗人造卫星原来在椭圆轨道1上绕地球E运行，在A点变轨后进入轨道2做匀速圆周运动，下列说法正确的是(　　) 图2 A．在轨道1上，卫星在A点的速度等于在B点的速度 B．卫星在轨道2上的周期大于在轨道1上的周期 C．在轨道1和轨道2上，卫星在A点的速度大小相同 D．在轨道1和轨道2上，卫星在A点的加速度大小不同 【答案】B 【解析】在轨道1上，卫星由A点运动到B点，万有引力做正功，动能变大，速度变大，故选项A错误；由开普勒第三定律知卫星在轨道2上的周期较大，故选项B正确；卫星由轨道1变到轨道2，需要在A点加速，即在轨道1和轨道2上，卫星在A点的速度大小不相同，故选项C错误；由G＝ma得a＝G，可知在轨道1和轨道2上，卫星在A点的加速度大小相等，故选项D错误． 【例2】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 【答案】B 【解析】飞船在轨道上正常运行时，有G＝m.当飞船直接加速时，所需向心力m增大，则G<m，故飞船做离心运动，轨道半径增大，将导致不在同一轨道上，A错误；飞船若先减速，它的轨道半径将减小，但运行速度增大，故在低轨道上飞船可接近空间站，当飞船运动到合适的位置再加速，回到原轨道，即可追上空间站，B正确，D错误；若飞船先加速，它的轨道半径将增大，但运行速度减小，再减速故而追不上空间站，C错误． 【对点练】 1． (2021·山西五地联考期末)2018年12月8日2时23分，嫦娥四号探测器搭乘长征三号乙运载火箭，开始了奔月之旅．她肩负着沉甸甸的使命：首次实现人类探测器月球背面软着陆.2018年12月12日16时45分，嫦娥四号探测器成功实施近月制动，顺利完成“太空刹车”，被月球捕获，进入了近月点约100公里的环月轨道，如图3所示，下列说法正确的是(　　) 图3 A．嫦娥四号在地月转移轨道经过P点时和在100公里环月轨道经过P点时的速度相同 B．嫦娥四号从100公里环月轨道的P点进入椭圆环月轨道后机械能减小 C．嫦娥四号在100公里环月轨道运动的周期等于在椭圆环月轨道运动的周期 D．嫦娥四号在100公里环月轨道运动经过P的加速度大小等于在椭圆环月轨道经过P的加速度大小，但方向有可能不一样 【答案】B 【解析】嫦娥四号从地月转移轨道的P点进入100公里环月轨道，需点火减速，所以在地月转移轨道P点的速度大于在100公里环月轨道P点的速度，故A错误；从100公里环月轨道进入椭圆环月轨道，嫦娥四号需点火减速，发动机做负功，机械能减小，故B正确；根据开普勒第三定律＝k知，100公里环月轨道半径大于椭圆环月轨道的半长轴，则嫦娥四号在100公里环月轨道运动的周期大于在椭圆环月轨道运动的周期，故C错误；嫦娥四号卫星在不同轨道经过P点，所受的万有引力相等，根据牛顿第二定律知，加速度大小相等，方向相同，故D错误． 2． 2017年9月，我国控制“天舟一号”飞船离轨，使它进入大气层烧毁，残骸坠入南太平洋一处号称“航天器坟场”的远离大陆的深海区．在受控坠落前，“天舟一号”在距离地面380 km的圆轨道上飞行，则下列说法中正确的是(　　) A．在轨运