第七章 专题 卫星变轨和双星 课件 -2022-2023学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

第七章 专题 卫星变轨问题与多星问题 卫星变轨 我国在2018.11.1发射了第41颗北斗导航同步卫星，那么如何让卫星进入预定轨道呢？ 对于低轨道卫星来说一般直接入轨，即最后一级火箭发动机关机后，就可进入预定轨道。而中、高轨道卫星的发射需要滑行入轨，一般经历以下三个阶段： ①停泊轨道：h=200km-400km的圆形轨道。 ②转移轨道：即图中椭圆形轨道，地球为焦点。 ③同步轨道：调整姿态实现电磁通讯。 1.卫星变轨原理 v F引 F引＜F向 F引＞F向 M A 在A点万有引力相同 A点速度—内小外大（在A点看轨迹） v F引 1 2 R 卫星在圆轨道运行速度v1 v2 θ＞900 减小 v3 F引 L 使卫星进入更高轨道做圆周运动 v3 v4 2.卫星发射及变轨过程概述 人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如图所示。 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。 ②在A点点火加速，由于速度变大，万有引力不足以提供向心力，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。 3.三个运行物理量的大小比较 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，经过B点加速度也相同。 ③周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上运行周期分别为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.宇宙飞船与空间站的对接 空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何登到空间站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。　　 思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？ 不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间站对接。飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，便可实现对接. 课堂练习 1.(卫星变轨问题)2019年春节期间，中国科幻电影里程碑的作品《流浪地球》热播，影片中为了让地球逃离太阳系，人们在地球上建造特大功率发动机，使地球完成一系列变轨操作，其逃离过程如图8所示，地球在椭圆轨道Ⅰ上运行到远日点B变轨，进入圆形轨道Ⅱ.在圆形轨道Ⅱ上运行到B点时再次加速变轨，从而最终摆脱太阳束缚.对于该过程，下列说法正确的是 （ ） A.沿轨道Ⅰ运动至B点时，需向前喷气减速才能进入轨道 Ⅱ B.沿轨道Ⅰ运行的周期小于沿轨道Ⅱ运行的周期 C.沿轨道Ⅰ运行时，在A点的加速度小于在B点的加速度 D.在轨道Ⅰ上由A点运行到B点的过程，速度逐渐增大 B 2.如图所示，一颗卫星从圆形轨道变轨到椭圆轨道，又从椭圆轨道变轨到圆形轨道，、两点是椭圆轨道分别与轨道和轨道的切点，卫星在圆形轨道、轨道切点点、轨道切点点和圆形轨道上的速度分别为、、、，加速度分别为、、、，则这些参数关系（比较大小） 1.双星模型 (1)如图所示，宇宙中有相距较近、质量相差不大的两个星球，它们离其他星球都较远，其他星球对它们的万有引力可以忽略不计.在这种情况下，它们将围绕其连线上的某一固定点做周期相同的匀速圆周运动，通常，我们把这样的两个星球称为“双星”. 多星模型 (2)双星问题的特点： ①两星围绕它们之间连线上的某一点做匀速圆周运动，两星的运行周期、角速度相同. ②两星的向心力大小相等，由它们间的万有引力提供. ③两星的轨道半径之和等于两星之间的距离，即r1＋r2＝L. (3)双星问题的处理方法：双星间的万有引力提供了它们做圆周运动的向心力， Q1:若在双星模型中，图中L、m1、m2、G为已知量，双星运动的周期如何表示？ Q2:若双星运动的周期为T，双星之间的距离为L，G已知，双星的总质量如何表示？ 3.由质量不等的星体S1和S2构成,两星在相互之间的万有引力作用下绕两者连线上某一定点C做匀速圆周运动.由天文观察测得其运动周期为T,S1到C点的距离为r1,S1和S2的距离为r,已知引力常量为G.由此可求出S2的质量为 $