第七章 拓展课6　变轨问题与双星、多星问题（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册（人教版2019）

拓展课6　变轨问题与双星、多星问题 物理观念 科学态度与责任 1．掌握卫星的发射、变轨问题的分析方法，会分析卫星的对接。 2．利用天体运动规律解决双星、多星运动问题。 感受人类对客观世界不断探究的精神和情感，担负起我国航天事业发展的重任，更好地服务生活、生产、国防等。 [对应学生用书P96] 探究点一 变轨问题 1．变轨分析：卫星在运动中的“变轨” 有两种情况：离心运动和近心运动。 (1)卫星在圆轨道上稳定运行时， 万有引力提供向心力， G＝m＝mω2r＝mr，物理量变化规律符合“高轨低速长周期”。 (2)加速变轨：当卫星的速度突然增大时，万有引力不足以提供所需要的向心力，即G<m，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大。 (3)制动变轨：当卫星的速度突然减小时， 万有引力大于所需要的向心力，即G>m，卫星将做近心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变小。 注意： (1)加速度：卫星到达椭圆轨道与圆轨道的切点时，卫星受到的万有引力相同，所以加速度相同。 (2)周期：变轨前后，卫星在不同轨道上(圆或椭圆轨道)的运行周期的大小可根据开普勒第三定律判断。 2．飞船的对接 (1)低轨道飞船与高轨道空间站对接：如图甲所示，低轨道飞船通过合理加速，沿椭圆轨道做离心运动，追上高轨道空间站与其完成对接。 (2)同一轨道飞船与空间站对接：如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度。 【例1】 (多选)(2022·广东肇庆高一期中)2020年7月23日，我国在海南文昌航天发射场成功将我国首个深空探测器天问一号火星探测器送上太空。探测器接近火星后，需经历如图所示的变轨过程，轨道Ⅰ为圆轨道，已知引力常量为G，则下列说法正确的是(　　) A．探测器在轨道Ⅰ上经过P点时的速度大于在轨道Ⅱ上经过P点时的速度 B．探测器在轨道上运动时，运行的周期TⅢ>TⅡ>TⅠ C．探测器若从轨道Ⅱ变轨到轨道Ⅰ，需要在P点朝速度的反方向喷气 D．若轨道Ⅰ贴近火星表面，并已知探测器在轨道Ⅰ上运动的角速度，可以推知火星的密度 BD　解析：探测器在P点从轨道Ⅱ变轨到轨道Ⅰ，需要在P点朝速度方向喷气，使探测器减速，则探测器在轨道Ⅰ上经过P点时的速度小于在轨道Ⅱ上经过P点时的速度，A、C错误；根据开普勒第三定律可知，探测器在轨道上运动时半长轴越大其运行的周期越大，B正确；根据万有引力定律可得G＝mω2R，根据ρ＝可得M＝ρπR3，联立解得ρ＝，所以当轨道Ⅰ贴近火星表面，并且已知探测器在轨道Ⅰ上运动的角速度，可以推知火星的密度，D正确。 【例2】 北京时间2022年5月10日01时56分，搭载天舟四号货运飞船的长征七号遥五运载火箭，在我国文昌航天发射场点火发射，约10分钟后，飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，2时23分，飞船太阳能帆板顺利展开工作，发射取得圆满成功。后续，天舟四号货运飞船与在轨运行的空间站组合体进行了交会对接，若对接前两者在同一轨道上运动，下列说法正确的是(　　) A．对接前天舟四号的运行速率大于空间站组合体的运行速率 B．对接前天舟四号的向心加速度小于空间站组合体的向心加速度 C．天舟四号通过加速可实现与空间站组合体在原轨道上对接 D．天舟四号先减速后加速可实现与空间站组合体在原轨道上对接 D　解析：对接前两者在同一轨道上运动，由万有引力提供向心力有G＝m＝ma，解得v＝，a＝G，同一轨道，运行速率、向心加速度大小相等，A、B错误；天舟四号加速后，所需要的向心力变大，万有引力不变，所以做离心运动，不能实现对接，C错误；天舟四号与空间站组合体在同一轨道上，天舟四号先减速做近心运动，进入较低的轨道，后加速做离心运动，轨道半径变大，可以实现对接，D正确。 [练1] (多选)(2022·山东乳山高一月考)天舟二号货运飞船是中国空间站关键技术验证及建造阶段首飞货运飞船，在距地面400千米高空精准对接于天和核心舱后向端口，为空间站送去6.8吨补给物资。为避免占用轨道资源，已于北京时间2022年3月31日18时40分采用分次控制的方式，从400千米高度的圆轨道变轨至近地点为200千米高度的椭圆轨道，然后受控进入大气层烧蚀销毁，展现了中国航天的责任和担当，树立了负责任大国形象。下列说法正确的是(　　) A．天舟二号需要与天和核心舱在同一高度轨道上加速以实现对接 B．天舟二号对接天和核心舱后，空间站由于质量增大，轨道半径将变小 C．天舟二号从400千米高度的圆轨道变轨至近地点为200千米高度的椭圆轨道，周期变小 D．天舟二号从400千米高度的圆轨道变轨至近地点为200千米高度的椭圆轨道，机械能减少 CD　解析：若天舟二号与天和核心舱在同一高度轨道上，天舟二号加速做离心运动，将无法完成对接，所以天舟二号需