第七章 专题四《卫星的变轨问题》课件+分层练习（含解析）-人教版高中物理必修二

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专题4《卫星的变轨问题》人教版高中物理必修二02课堂导入03新课讲解目录CONTENTS课堂引入PART 01视频欣赏问题与思考新课讲解PART 02为何变轨PART 01原因一：节能 直接飞到月球可能是最快的方式，但目前的科技很难做到。目前的方案是首先进入地球轨道，加速至第二宇宙速度，然后点燃三级火箭将飞船推入地月转移轨道，飞船与三级火箭脱离，依靠月球的引力飞向月球。这样利用地球、月球引力不断加速变轨的措施，可以使飞船节省大量燃料，也更利于登月舱着陆。正如汽车爬山一样，为了克服阻力需要汽车发动机持续大功率输出。持续高功率输出会加重汽车发动机的负担，严重时甚至损毁。所以人们用盘山公路来解决汽车爬坡问题。原因二：发动机火箭也是一样，不过它不仅考虑发动机输出功率的问题，还要考虑燃料分配等很多问题。 发射火箭不仅要有足够的燃料，还要能对火箭的飞行过程进行有效的测量和控制。有效测控点越多，测控精度就越高，发射过程也就越可控。比如前期的入轨精度，真可谓差之毫厘谬之千里。原因三：测控要求 如果直飞月球，测控点会减少很多，测控精度必然下降，地面控制中心很难控制飞船转轨和变轨精度。正是由于测控技术的限制，飞船在环月轨道停留的时间要比环地轨道停留的时间大很多。 发射窗口（Launch window）是指比较合适运载火箭发射的一个时间范围（即允许运载火箭发射的时间范围）。 这个范围的大小也叫发射窗口的宽度。窗口宽度有宽有窄，宽的以小时计，甚至以天计算，窄的只有几十秒钟，甚至为零。原因四：发射窗口卫星的发射过程又是如何变轨的呢？如何变轨PART 021. 变轨视频演示2. 变轨原理离心运动无动力运行向后点火加速匀速圆周运动向前点火减速近心运动3. 变轨过程1——低轨到高轨离心运动离心运动低圆轨道(Ⅰ)——P点加速椭圆转移轨道(Ⅱ)——Q点加速高圆轨道(Ⅲ)1减速，v3>v223θ＞900加速v2>v1加速v4>v3切点P切点Q4. 变轨过程2——高轨到低轨近心运动近心运动低圆轨道(Ⅲ)——Q点减速椭圆转移轨道(Ⅱ)——P点减速高圆轨道(Ⅰ)卫星的回收演示5. 变轨过程的加速度设卫星在轨道Ⅰ通过P的加速度是a1，Ⅱ轨道通过P的加速度是a2,Ⅱ轨道通过Q的加速度为a3，Ⅲ轨道通过Q的速度为a46. 实例探究1——发射变轨【典例1】2022年11月，“天舟五号”货运飞船仅用2小时就与“天宫”空间站快速交会对接，创造了世界纪录。飞船从预定轨道Ⅰ的A点第一次变轨进入椭圆轨道Ⅱ，到达椭圆轨道的远地点B时，再次变轨进入空间站的运行轨道Ⅲ，与空间站实现对接，假设轨道Ⅰ和Ⅲ都近似为圆轨道，不计飞船质量的变化，则飞船（　　）A．在轨道Ⅰ的线速度大于第一宇宙速度B．在轨道Ⅰ上的运行周期小于空间站的运行周期C．第一次变轨需瞬间加速，第二次变轨需瞬间减速D．从椭圆轨道Ⅱ的A点运动到B点，动能增加【参考答案】B7. 实例探究2——着陆变轨【典例2】（多选）2021年5月15日7时18分，“天问一号”探测器成功着陆于火星，我国首次火星探测任务着陆火星取得成功。“天问一号”发射后经过地火转移轨道被火星捕获，进入环火星圆轨道，经变轨调整后，进入着陆准备轨道，如图所示。已知“天问一号”火星探测器的火星着陆准备轨道是半长轴为a1．周期为T1的椭圆轨道，我国北斗卫星导航系统的中圆地球轨道卫星的轨道半径为r2，周期为T2，引力常量为G。则下列说法正确的是（   ）A．B．“天问一号”在A点从环火星圆轨道进入着陆准备轨道时需要开启发动机向前喷气C．“天问一号”在环火星圆轨道上A点的加速度大于在着陆准备轨道上A点的加速度D．由题目已知数据可以估算出火星的质量【参考答案】BD8. 实例探究3——修正变轨【典例3】（多选）2021年7月和10月，SpaceX公司星链卫星两次侵入中国天宫空间站轨道，为保证空间站内工作的三名航天员生命安全，中方不得不调整轨道高度，紧急避碰。2021年10月19日至23日，美国星链2305持续轨道变化，中国空间站于10月21日3点16分进行变轨规避风险。图示为10月20日至23日期间星链2305和中国空间站的轨道距离地面高度数据图。假设除开变轨过程，中国空间站在不同高度轨道上都是绕地球进行匀速圆周运动，则下列说法正确的是（　　）A．10月21日3点16分，发动机向前喷气使得中国空间站速度减小B．中国空间站在10月22日运行的向心加速度小于其在10月20日运行的向心加速度C．中国空间站在10月22日运行轨道的周期大于其在10月20日运行轨道的周期D．中国空间站与地球的连线和星链2305与地球的连线在相同时间内扫过相同的面积【参考答案】BC9. 实例探究4——空间对接【典例4】2022年11月3日，长征五号B运载火箭将梦天实验舱送入预定轨道。之后，梦天实验舱成功与天和核心舱对接，标志着我国空间站“T”字基本构型在轨组装完成。天和核心舱绕地球稳定运行时距离地球表面约400km，已知地球半径约为6400km，且地球表面的重力加速度 ，由以上信息可知，下列说法不正确的是（　　）A．长征系列火箭发射时，是靠喷出气流的反冲作用获得巨大速度，则同一火箭喷出相同质量气体时，喷出气流的速度越大，火箭获得的速度就越大B．天和核心舱在轨稳定运行时，其速度可能等于11.2km/sC．天和核心舱的轨道比地球同步卫星的轨道低D．梦天实验舱要和在轨的天和核心舱对接，是将实验舱发射到较低的轨道上，然后使其加速实现与核心舱对接【参考答案】B1.飞船先在比空间站低的轨道运行，运行到某位置时，加速后到一个椭圆轨道。2.控制使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点。3.此时空间站通过机械手臂“抱住”飞船，便可实现对接，如图示。空间站飞船10. 实例探究4——空间对接两种变轨类型PART 03渐变与突变一、渐变 由于某种因素（如受到稀薄大气的阻力作用或外界引力等）的影响,使卫星的轨道半径发生缓慢的变化（逐渐减小或逐渐增大），由于半径变化缓慢，卫星的运动仍可以当做匀速圆周运动处理。二、突变 根据发射需要，有时要在适当的位置短时间启动飞行器上的发动机，使飞行轨道发生突变，以到达预定的目标。变轨的实质PART 04变轨实质拓展学习视频课程结束人教版高中物理必修二