人造卫星与宇宙航行复习学案及作业.doc

高三二部物理复习学案NO.29(第九周NO1)人造卫星若干补充问题设计人：贾丙光 审核人：周学猛 难点解析一、认清卫星的分类：1、区别赤道轨道卫星、极地轨道卫星与一般轨道卫星的不同人造地球卫星从轨道取向上一般分为三类：赤道轨道、极地轨道和一般轨道试分析三种类别卫星的相同与不同点并分别举例说明2、必须区别“赤道物体”与“同步卫星”以及“近地卫星”的运动规律不同 地球同步卫星运行在赤道上空的“天上”,与地球保持相对静止，总是位于赤道的正上空，其轨道叫地球静止轨道．通信卫星、广播卫星、气象卫星、预警卫星等采用这样的轨道极为有利，一颗静止卫星可以覆盖地球大约40％的面积，若在此轨道上均匀分布3颗卫星，即可实现全球通信或预警．此同步卫星与其内部的物体均处于完全失重状态地球同步卫星具有以下特点：轨道取向一定: 运行轨道平面与地球赤道平面共面. 方向一定: 运行方向一定与地球的自转方向相同 .运行周期一定: 与地球的自转周期相同,T=86400s， 高度一定: 所在地球赤道正上方高h=36000km处， 速率一定: v=3.1km/s,约为第一宇宙速度的0.39倍. 角速度一定: 与地球自转角速度相同，ω=7.3 ×10—5rad/s。

地球赤道上的物体,静止在地球赤道的”地上”与地球相对静止,随地球的自转绕地轴做匀速圆周运动.有-mg=m (其中R为地球半径)近地卫星的轨道高度、运行速度、角速度、周期等，均与同步卫星不同，更与“赤道上的物体”不可相提并论赤道上的物体”与“地球同步卫星”的相同之处是：二者具有与地球自转相同的运转周期和运转角速度,始终与地球保持相对静止状态,共同绕地轴做匀速圆周运动；“近地卫星”与“地球同步卫星”的相同之处是：二者所需要量的向心力均是完全由地球的万有引力提供二、卫星的发射、运行、变轨1、发射与运行中的超失重 卫星发射时在加速升高中，以及卫星再进入大气层向下降落的减速过程中，都有一个向上的加速度，这时就发生了超重现象人造卫星进入轨道后，向心加速度等于卫星高度处的重力加速度，所以人造卫星以及其中的人和物体都处于完全失重状态，平常由重力产生的物理现象会消失例如，在轨道运行的卫星里，连通器里同种液体的液面可以不相平；绳挂物体无拉力，桌面放物体无压力；杯子倾斜，杯子里的水不会倒出来；物体可静止于仓内的任何地方；液体、气体不能靠对流传热；铁块、木块均可悬浮等以下仪器在运转的卫星上将失去在地面上的作用：天平杆秤、钟(单)摆、水银气压计、液体密度计、气泡水平仪、虹吸管、重垂线和医院常用的输液装置等。

弹簧秤可以在卫星上使用吗？2、必须区别人造地球卫星的圆周轨道与椭圆轨道的运行规律的不同图４－９ 　要使人造地球卫星最终进入预定轨道而稳定运行，要经过火箭推动加速——进入停泊轨道（圆周运动）——再次点火变轨——进入转移轨道（椭圆轨道）——开启行星载动力——进入预定轨道(圆周轨道)等过程 卫星的预定运行轨道均是圆周轨道，卫星在此轨道上做匀速圆周运动，万有引力完全提供向心力，卫星处于无动力稳定运行的状态当发射速度大于79km/s而小于112km/s时，卫星则做椭圆运动逐渐远离地球，由于地球引力的作用，到达远地点P后，又会沿椭圆轨道面到近地点Q，如图4-9所示在椭圆轨道的某一位置上，卫星所受地球的万有引力可以分解为切向分力（产生卫星的切向加速度）和沿法线方向的分力即向心力（产生卫星的向心加速度）卫星在由近地点Q向远地点P运动的过程中做加速度和线速度都逐渐减小的减速运动；而由远地点P向近地点Q运行的过程则是加速度和线速度逐渐增大的加速运动，椭圆轨道是将卫星发射到预定轨道之间的一个过渡轨道3、卫星的两种变轨方式 在高中物理中，涉及到人造卫星的两种变轨问题1）渐变：由于某个因素的影响使原来做匀速圆周运动的卫星的轨道半径发生缓慢的变化（逐渐增大或减小），由于半径变化缓慢，卫星每一周的运动仍可以看做是匀速圆周运动。

解决此类问题，首先要判断这种变轨是离心还是向心，即轨道半径r是增大还是减小，然后再判断卫星的其他相关物理量如何变化如：人造卫星绕地球做匀速圆周运动，无论轨道多高，都会受到稀薄大气的阻力作用如果不及时进行轨道维持（即通过启动星上小型发动机，将化学能转化为机械能，保持卫星应具有的状态），卫星就会自动变轨，偏离原来的圆周轨道，从而引起各个物理量的变化这种变轨的起因是阻力阻力对卫星做负功，使卫星速度减小，卫星所需要的向心力减小了，而万有引力的大小没有变，因此卫星将做向心运动，即轨道半径r将减小由基本原理中的结论可知：卫星线速度v将增大，周期T将减小，向心加速度a将增大，动能Ek将增大，势能Ep将减小，有部分机械能转化为内能（摩擦生热），卫星机械能E机将减小为什么卫星克服阻力做功，动能反而增加了呢？这是因为一旦轨道半径减小，在卫星克服阻力做功的同时，万有引力（即重力）将对卫星做正功而且万有引力做的正功远大于克服空气阻力做的功，外力对卫星做的总功是正的，因此卫星动能增加根据E机=Ek+Ep，该过程重力势能的减少总是大于动能的增加又如：有一种宇宙学的理论认为在漫长的宇宙演化过程中，引力常量G是逐渐减小的。

如果这个结论正确，那么环绕星球将发生离心现象，即环绕星球到中心星球间的距离r将逐渐增大，环绕星球的线速度v将减小，周期T将增大，向心加速度a将减小，动能Ek将减小，势能Ep将增大v2v3v4v1QPⅠⅢⅡ（2）突变：由于技术上的需要，有时要在适当的位置短时间启动飞行器上的发动机，使飞行器轨道发生突变，使其进入预定的轨道如：发射同步卫星时，可以先将卫星发送到近地轨道Ⅰ，使其绕地球做匀速圆周运动，速率为v1；变轨时在P点点火加速，短时间内将速率由v1增加到v2，使卫星进入椭圆形的转移轨道Ⅱ；卫星运行到远地点Q时的速率为v3；此时进行第二次点火加速，在短时间内将速率由v3增加到v4，使卫星进入同步轨道Ⅲ，绕地球做匀速圆周运动第一次加速：卫星需要的向心力增大了，但万有引力没变，因此卫星开始做离心运动，进入椭圆形的转移轨道Ⅱ点火过程有化学能转化为机械能，卫星的机械能增大在转移轨道上，卫星从近地点P向远地点Q运动过程只受重力作用，机械能守恒重力做负功，重力势能增加，动能减小在远地点Q处，如果不进行再次点火加速，卫星将继续沿椭圆形轨道运行，从远地点Q回到近地点P，不会自动进入同步轨道这种情况下卫星在Q点受到的万有引力大于以速率v3沿同步轨道运动所需要的向心力，因此卫星做向心运动。

为使卫星进入同步轨道，在卫星运动到Q点时必须再次启动卫星上的小火箭，短时间内使卫星的速率由v3增加到v4，使它所需要的向心力增大到和该位置的万有引力大小恰好相等，这样才能使卫星进入同步轨道Ⅲ做匀速圆周运动该过程再次启动火箭加速，又有化学能转化为机械能，卫星的机械能再次增大结论是：要使卫星由较低的圆轨道进入较高的圆轨道，即增大轨道半径（增大轨道高度h），一定要给卫星增加能量与在低轨道Ⅰ时比较（不考虑卫星质量的改变），卫星在同步轨道Ⅲ上的动能Ek减小了，势能Ep增大了，机械能E机也增大了增加的机械能由化学能转化而来4、卫星的“追及”与飞船的对接对地面的直线运动而言,当两个运动物体发生追赶运动时,只要“追赶物体”的速度大于“被追物体”的速度时即可追赶成功.且追赶成功时必有“追赶物体”与“被追物体”相对于同一起点的位移相同这是“追及问题”的必备条件1） 卫星的“追及”----同一轨道的卫星在稳定情况下相对位置关系不会变化；不同轨道的卫星会出现周期性间距最近和最远2） 对于航天飞机与宇宙空间站的“对接”其实际上就是两个做匀速圆周运动的物体追赶问题，本质仍然是人造天体的变轨运行的变轨运行问题要使航天飞机与宇宙空间站成功“对接”，必须让航天飞机在较低轨道上加速，通过速度v的增大——所需向心力增大——离心运动——轨道半径r增大——升高轨道的系列变速、变轨过程而完成航天飞机与宇宙空间站的成功对接。

典例探究例1某一赤道卫星发射中心的火箭发射架上，有一待发射的卫星，它随地球自转的线速度为v1、加速度为a1；发射升空后在近地轨道上做匀速圆周运动，线速度为v2、加速度为a2；实施变轨后，使其在同步卫星轨道上做匀速圆周运动，运动的线速度为v3、加速度为a3则v1、v2、v3的大小关系和a1、a2、a3的大小关系是（ ） A．v2>v3>v1；a2v3a3>a1 C．v2>v3>v1；a2>a3>a1 D．v3>v2>v1；a2>a3>a1例2．俄罗斯“和平号”轨道空间站因超期服役和缺乏维持继续在轨道运行的资金，俄政府于2000年底作出了将其坠毁的决定，坠毁过程分两个阶段，首先使空间站进人无动力自由运动状态，因受高空稀薄空气阻力的影响，空间站在绕地球运动的同时缓慢向地球靠近，2001年3月，当空间站下降到距地球320km高度时，再由俄地面控制中心控制其坠毁和平号”空间站已于2001年3月23日顺利坠入南太平洋预定海域在空间站自由运动的过程中①角速度逐渐减小 ②线速度逐渐减小 ③加速度逐渐增大 ④周期逐渐减小 ⑤机械能逐渐增大以上叙述正确的是A、①③④ B、②③④ C、③④⑤ D、③④例3．发射地球同步卫星时，先将卫星发射到近地圆轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送人同步圆轨道3。

轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如图所示，，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，下列说法中正确的是A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率B．卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度例4．某人造卫星运动的轨道可近似看作是以地心为中心的圆．由于阻力作用，人造卫星到地心的距离从r1慢慢变到r2，用EKl．EK2分别表示卫星在这两个轨道上的动能，则(A)r1r2，EK1EK2 (D)r1>r2，EK1>EK2例5：如右图所示，有A、B两个行星绕同一恒星O做圆周运动，旋转方向相同，A行星的周期为T1，B行星的周期为T2，在某一时刻两行星第一次相遇（即两行星距离最近），则（　　）A． 经过时间t=T2+T1，两行星将第二次相遇 B．经过时间，两行星将第二次相遇Ｃ．经过时间，两行星第一次相距最远D．经过时间,两行星第一次相距最远例6：宇宙飞船和轨道空间站在同一轨道上运动，若飞船想与前面的空间站对接，飞船为了追上轨道空间站，比较可行方法是 (     )A．飞船加速直到追上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课堂检测 1、宇航员在围绕地球做匀速圆周运动的航天飞机中,会处于完全失重的状态,下列关于宇航员的受力说法正确的是( ) A. 仍受重力作用 B. 受力平衡 C.重力正好为向心力 D. 不受任何力的作用AB轨道Ⅰ轨道Ⅱ2、航天飞机在完成对哈勃太间望远镜的维修任务后，在A点短时间开动小型发动机进行变轨，从圆形轨道Ⅰ进入椭圆道Ⅱ，B为轨道Ⅱ上的一点，如图所示。