7.4 宇宙航行（卫星变轨问题）导学案-2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

第七单元第4节宇宙航行：卫星变轨问题 人造卫星 （一）种类： 1.近地卫星 近地卫星的轨道半径r可以近似地认为等于地球半径R 线速度v=7.9km/s 周期T=84min 是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的最大线速度和最小周期。 2.地球同步卫星（通讯卫星） （1）同步卫星：相对地面静止，跟地球自转同步的卫星 （2）同步卫星的特点： 周期一定：等于地球的自转周期T（24小时） 运行方向一定：从西向东运转（与地球自转方向相同） 轨道平面一定：与赤道共平面 高度一定：距地面h＝35800km 轨道半径一定：距地球球心42000km 环绕速度一定：v=3.08km/s 角速度、向心加速度一定 变轨道发射：发射同步卫星，一般不采用普通卫星的直接发射方法，而是采用变轨道发射 总结：同步卫星一定位于赤道平面内， h、v、ω、a、T均是唯一确定的 通讯卫星介绍 通讯卫星可以实现全球的电视转播，从图可知，如果能发射三颗相对地面静止的卫星（即同步卫星）并相互联网，即可覆盖全球的每个角落。由于通讯卫星都必须位于赤道上空3.6×107m处，各卫星之间又不能相距太近，所以，通讯卫星的总数是有限的。设想在赤道所在平面内，以地球中心为圆心隔50放置一颗通讯卫星，全球通讯卫星的总数应为72个。 （二）卫星的比较（重点） 近地卫星、同步卫星和赤道上随地自转物体的比较 1.轨道半径： 2.运行周期： 3.运行速度： 4.向心加速度： 卫星变轨问题 1．变轨过程： 卫星做匀速圆周运动时，F引=F向，当由于某种原因速度突然改变时，卫星将做变轨运行 （1）当v增大时，离心运动，轨道半径变大 （2）当v减小时，向心运动，轨道半径变小 2．同步卫星的发射问题 (1)利用第一级火箭将卫星送到180～200千米的高空 (2)依靠惯性进入圆停泊轨道 (3)第二、三级火箭点火，卫星进入位于赤道平面内的椭圆转移轨道，且轨道的远地点为35800千米 (4)当到达远地点时，卫星启动发动机，然后改变方向进入同步圆轨道 这种发射方法有两个优点：一是对火箭推力要求较低；二是发射场的位置不局限在赤道上 3．定性比较比较： 线速度 角速度 向心加速度 向心力 动能 势能 机械能 口诀： 高轨低速长周期，同质大势与大机 点火机增a不变，摩擦发热轨道低 口诀何时不能用？不是只受一引力 最难计算是椭圆，半长轴来定周期 近地远地机守恒，速度连线同乘积 【例1】如图，地球赤道上的山丘e，近地资源卫星p和同步通信卫星q均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动。设e、p、q的圆周运动速率分别为V1、V2、V3，向心加速度分别为a1、a2、a3，则（　　） A．V1＞V2＞V3 B．V1＜V3＜V2 C．a1＞a2＞a3 D．a1＜a3＜a2 【例1】“嫦娥四号”探测器在月球背面成功着陆，着陆前先绕月球在轨道Ⅰ做匀速圆周运动，在A点变轨进入椭圆轨道Ⅱ，在B点再次变轨进入轨道Ⅲ，做匀速圆周运动探测器在A点变轨前后的速度分别为v1和v2，加速度分别为a1和a2，在B点变轨前后的速度分别为v3和v4，加速度分别为a3和a4，下列关系正确的是（　　） A．v1＞v2＞v3＞v4 B．v3＞v4＞v1＞v2 C．a1＞a2＞a3＞a4 D．a1＝a2＞a3＝a4 【例2】．我国第一个自主火星探测器“天问一号”自2020年成功发射以来，飞行里程已经突破了4亿公里，即将接近火星。“天问一号”飞向火星的模拟示意图如图，Ⅰ为地球公转轨道，椭圆轨道Ⅱ为“天问一号”飞行轨道，Ⅲ为火星公转轨道。P、Q是轨道Ⅱ分别与Ⅰ、Ⅲ两轨道的公切点。下列说法正确的是（　　） A．地球公转的线速度小于火星公转的线速度 B．“天问一号”从P点运行到Q点的过程中，线速度逐渐增大 C．“天问一号”从P点运行到Q点的时间大于180天 D．“天问一号”在轨道Ⅱ上经过Q点时加速度小于火星在轨道Ⅲ上经过Q点的加速度 【例3】．如图所示的圆a、b、c，其圆心均在地球自转轴线上，b、c的圆心与地心重合，圆b的平面与地球自转轴垂直。对环绕地球做匀速圆周运动的卫星而言（　　） A．卫星的轨道可能为a B．卫星的轨道可能为b C．卫星的轨道可能为c D．同步卫星的轨道一定为平行于b的某一同心圆 1．如图所示，a为地球赤道上的物体，随地球表面一起转动，b为近地轨道卫星，c为同步轨道卫星，d为高空探测卫星。若a、b、c、d绕地球转动的方向相同，且均可视为匀速圆周运动。则（　　） A．a、b、c、d中，a的加速度最大 B．a、b、c、d中，b的线速度最大 C．a、b、c、d中，c的周期最大 D．a、b、c、d中，d的角速度最大 2．2021年6月17日9时22分，神舟十二号载人飞船发射成功，