专题 卫星的变轨和双星问题 课件-2025-2026学年高一下学期物理教科版必修第二册

该高中物理课件聚焦卫星变轨、航天器对接及双星问题，通过飞船发射示意图和“天问一号”案例导入，以问题引导分析变轨措施，衔接万有引力与向心力知识，搭建从基础到应用的学习支架。 其亮点在于以科学思维中的模型建构和科学推理为核心，通过变轨过程示意图、双星模型推导及真题解析，帮助学生掌握物理量分析方法。采用问题链驱动探究，提炼总结解题思路，既培养学生科学探究能力，又为教师提供结构化教学资源，提升教学效果。

专题：卫星的变轨和双星问题 第 三 章 学习目标 1.理解卫星变轨的原因，会分析卫星变轨前后的物理量变化(重难点)。 2.知道航天器的对接问题的处理方法。 3.掌握双星运动的特点，会分析双星的相关问题(重点)。 内容索引 一、卫星的变轨问题 二、航天器的对接问题 三、双星及多星问题 < 一 > 卫星的变轨问题 如图是飞船从地球上发射到绕月球运动过程的飞行示意图。 (1)从绕地球运动的轨道上进入奔月轨道，飞船应采取什么措施？为什么？ 答案　从绕地球运动的轨道上加速，使飞船做离心运动。当飞船加速时，飞船所需的向心力F向=m增大，万有引力不足以提供飞船所需的向心力，飞船将做离心运动，向高轨道变轨。 (2)从奔月轨道进入月球轨道，又应采取什么措施？为什么？ 答案　飞船从奔月轨道进入月球轨道应减速。当飞船减速时，飞船所需的向心力F向=m减小，万有引力大于所需的向心力，飞船将做近心运动，向低轨道变轨。 1.变轨过程 (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，如图所示。 (2)在A点(近地点)点火 (选填“加”或“减”)速， 由于速度变 ，万有引力不足以提供卫星在轨道Ⅰ上做圆周运动所需的向心力，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 (选填“加”或“减”)速进入圆轨道Ⅲ。 加 大 加 提炼与总结 2.变轨过程各物理量分析 (1)两个不同轨道的“切点”处线速度 图中vⅢ vⅡB，vⅡA vⅠ(均选填“>”“<”或“=”)。 (2)同一个椭圆轨道上近地点和远地点线速度 从远地点到近地点线速度逐渐 。 (3)两个不同轨道上的线速度 轨道半径越大，v越 ，图中vⅠ vⅢ(选填“>”“<”或“=”)。 (4)不同轨道上运行周期T 根据开普勒第三定律=k知，内侧轨道的周期 外侧轨道的周期，图中三个轨道周期关系： 。 > > 增大 小 > 小于 TⅠ<TⅡ<TⅢ (5)两个不同轨道的“切点”处加速度 根据=ma得，同一点的加速度相同，图中aⅢ aⅡB，aⅡA aⅠ(均选填“>”“<”或“=”)。 = = 　如图为飞船运动过程的示意图。飞船先进入圆轨道1做匀速圆周运动，再经椭圆轨道2，最终进入圆轨道3完成对接任务。椭圆轨道2分别与轨道1、轨道3相切于A点、B点。则飞船 A.在轨道1的运行周期大于在轨道3的运行周期 B.在轨道2运动过程中，经过A点时的速率比B点大 C.在轨道2运动过程中，经过A点时的加速度比B点小 D.从轨道2进入轨道3时需要在B点处减速 例1 √ 根据G=mr得T=，轨道1的运动半径小于轨道3的运动半径，则在轨道1的运行周期小于在轨道3的运行周期，A错误； 在轨道2运动过程中，A点为近地点，速度最大；B点为远地点，速度最小，B正确； 根据G=ma得a=G，可知经过A点时的加速度比B点大，C错误； 从轨道2进入轨道3时需要在B点加速，D错误。 　(2024·成都市高一期中)2021年2月，“天问一号”探测器实施近火捕获，顺利进入大椭圆环火轨道，成为我国第一颗人造火星卫星，实现“绕、落、巡”目标的第一步，环绕火星成功。图甲为我国航天局发布了由“天问一号”拍摄的首张火星图像；图乙为“天问一号”探测器经过多次变轨后登陆火星前的部分轨迹图，轨道Ⅰ、轨道Ⅱ、轨道Ⅲ相切于P点，轨道Ⅲ为环绕火星的圆形轨道，P、S两点分别是椭圆轨道的近火星点和远火星点，P、S、Q三点与火星中心在同一直线上，下列说法正确的是 A.探测器在P点由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需要点火加速 B.探测器在轨道Ⅲ上Q点的速度大于在轨道Ⅱ上S点的速度 C.探测器在轨道Ⅰ上运行时，在相等时间内与火星连线扫 　过的面积与在轨道Ⅲ上相等 D.探测器在轨道Ⅱ上由P点运动到S点的时间小于探测器在轨道Ⅲ上由P点运动到Q点 　的时间 例2 √ 探测器由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ做的是近心运动，需点火减速，使万有引力大于所需的向心力，A错误； 根据万有引力提供向心力，有G=m，解得v=，可知轨道Ⅱ上S点对应圆轨道的速度小于轨道Ⅲ上P点的速度，而轨道Ⅱ上S点速度小于对应圆轨道的速度，又P、Q为轨道Ⅲ上的两点，则P、Q速度大小相等，所以Q点速度大于在轨道Ⅱ上S点的速度，B正确； 开普勒第二定律描述的是卫星在同一个轨道上相等时间连线扫过的面积相等，轨道Ⅰ和轨道Ⅲ属于不同的轨道，则在相等时间内与火星连线扫过的面积不等，C错误； 轨道Ⅱ的半长轴大于轨道Ⅲ的半径，由开普勒第三定律知，探测器在轨道Ⅱ上的周期大于探测器在轨道Ⅲ上的周期，而探测器在轨道Ⅱ上由P点运动到S点的时间和探测器在轨道Ⅲ上由P点运动到Q点的时间都是各自周期的一半，故探测器在轨道Ⅱ上由P点运动到S点的时间大于探测器在轨道Ⅲ上由P点运动到Q点的时间，D错误。 判断卫星变轨时速度、加速度变化情况的思路 1.判断卫星在不同圆轨道的运行速度大小时，可根据“越远越慢”的规律判断。 2.判断卫星在同一椭圆轨道上不同点的速度大小时，可根据开普勒第二定律判断，即离中心天体越远，速度越小。 3.判断卫星为实现变轨在某点需要加速还是减速时，可根据离心运动或近心运动的条件进行分析。 4.判断卫星的加速度大小时，可根据a==G判断。 总结提升 返回 < 二 > 航天器的对接问题 1.如图所示，若两个航天器在同一轨道上运动，后面的航天器加速会追上前面的航天器吗？ 答案　不会，后面的航天器加速会做离心运动进入高轨道，不会追上前面的航天器。 2.怎样才能使后面的航天器追上前面的航天器？ 答案　如图所示，后面的航天器先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使后面的航天器追上前面的航天器时恰好具有相同的速度。 返回 < 三 > 双星及多星问题 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”。 (2)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 ，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中心之间的距离，即r1+r2=L。 (3)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，即=m1ω2r1，G=m2ω2r2。 相等 *2.多星系统 (1)多颗星体共同绕空间某点做匀速圆周运动。如： 三星模型 四星模型     (2)每颗星体做匀速圆周运动的周期和角速度都相同，以保持其相对位置不变。 (3)某一星体做圆周运动的向心力是由其他星体对它引力的合力提供的。 　两个靠得很近的天体，离其他天体非常遥远，它们以其连线上某一点O为圆心各自做匀速圆周运动，两者的距离保持不变，科学家把这样的两个天体称为“双星”，如图所示。已知双星的质量分别为m1和m2，它们中心之间的距离为L，引力常量为G，求双星的运行轨道半径r1和r2及运行周期T。 例3 答案　见解析 双星间的万有引力提供了各自做匀速圆周运动的向心力， 对质量为m1的星体：=m1r1ω2 对质量为m2的星体：=m2r2ω2， 且r1+r2=L 解得r1=，r2= 由G=m1r1及r1=得 周期T=2πL。 解决双星问题的基本思路 1.明确两星做匀速圆周运动的圆心、半径、向心力来源。 2.由牛顿运动定律分别对两星列向心力方程。 3.利用两星运动的特点，构建两星的角速度(或周期)、半径、向心力之间的关系方程。 注意：万有引力定律表达式中的r表示双星间的距离L，而不是轨道半径(双星中两颗星的轨道半径一般不同)。 总结提升 返回 本课结束 第 三 章 $