人造卫星、宇宙飞船运行

1、高三物理专题人造卫星、宇宙飞船运行特点分析及应用 飞船、卫星运行问题与物理知识（如万有引力定律、匀速圆周运动、牛顿运动定律等）及地理知识有十分密切的相关性，是新高考突出学科内及跨学科间综合创新能力考查的命题热点，也是考生备考应试的难点，特别是今年10月神州六号飞船再次实现载人航天飞行试验以来，明年高考有很大可能考察“神六”问题。 卫星、飞船的问题贴近科技前沿，且蕴含丰富的中学物理知识，以此为背景的高考命题立意高、情景新、综合性强，对考生的理解能力、综合分析能力、信息提炼处理能力及空间想象能力提出了极高的要求，亦是考生备考应试的难点.考生应试失误的原因主要表现在：（1）对卫星和飞船运行的过程及遵

2、循的规律认识不清，理解不透，难以建立清晰的物理情景.（2）对卫星和飞船运行中力与运动量之间，能量转化间的关系难以明晰，对诸多公式含义模糊不清.一、卫星的运行及规律 一般情况下运行的卫星，其所受万有引力不是刚好提供向心力，此时，卫星的运行速率及轨道半径就要发生变化，万有引力做功，我们将其称为不稳定运行即变轨运动；而当它所受万有引力刚好提供向心力时，它的运行速率就不再发生变化，轨道半径确定不变，从而做匀速圆周运动，我们称为稳定运行. 对于稳定运行状态的卫星， 运行速率不变； 轨道半径不变； 万有引力提供向心力，即GMm/r2=mv2/r成立. 其运行速度与其运行轨道处于一一对应关系，即每一轨道都有

3、一确定速度相对应.而不稳定运行的卫星则不具备上述关系，其运行速率和轨道半径都在发生着变化。 二、同步卫星的四定 地球同步卫星是相对地球表面静止的稳定运行卫星. 1.地球同步卫星的轨道平面唯一确定：非同步人造地球卫星其轨道平面可与地轴有任意夹角，而同步卫星一定位于赤道的正上方，不可能在与赤道平行的其他平面上. 2.地球同步卫星的周期唯一确定：地球同步卫星的运转周期与地球自转周期相同. 3. 地球同步卫星的轨道半径确定：据牛顿第二定律有GMm/r2=m02r，得r= ，0与地球自转角速度相同，所以地球同步卫星的轨道半径为r=4.24104 km.其离地面高度也是一定的. 4. 地球同步卫星的线速度

4、为定值：地球同步卫星的线速度大小为v = 0r =3.08103 m/s，为定值，绕行方向与地球自转方向相同. 典型例题一 我国在近几年内，发射了多颗地球同步通讯卫星，若用m表示地球同步通信卫星的质量、h表示卫星离地面的高度、M表示地球的质量、R0表示地球的半径、g0表示地球表面处的重力加速度、T0表示地球自转的周期、0表示地球自转的角速度，则：（1）地球同步通讯卫星的轨道有什么特点？在同步的轨道上均匀分布三颗通信卫星，能否实现全球的通讯，为什么？ 答案： 、同步卫星的轨道平面必须与地球的赤道的平面重合，这是卫星运动实现的必要的条件，同步卫星发射后并不是直接进入同步轨道的，而是要先进入近地的停

5、泊轨道再进入转移轨道，最后再经过一系列的调整进入同步轨道。同步卫星的轨道平面虽然要与地球的赤道的平面重合，但发射并不一定要在赤道上发射。 、不能，设地球为球体，从卫星处作与地球相切的两条直线，因为同步卫星的高度不是无限大，所以着两根切线总不能过地球的南北的极点M、N。由此可见，不管在同步轨道上发射多小卫星，都不能覆盖全球。 （2）地球同步通信卫星的环绕速度v为：A.0（R0+h） B. C. D. 答案：A、B、C、D均正确 （2）答案：设地球同步卫星离地心的高度为r, 则r=R0+h则环绕速度为： v =0r =0（R0+h） 同步卫星圆周运动由万有引力提供向心力：即G得v =又有G=m02

6、, 所以 r =则v=0r =0=（2）地球同步通信卫星的环绕速度v为：A.0（R0+h） B. C. D. 答案：A、B、C、D均正确 （3）地球同步通信卫星所受的地球对它的万有引力 F 的大小为： A .m B . m20（R0+h） C .m D .m 答案：A、B、C、D均正确 （3）答案：地球对同步卫星的万有引力大小来提供向心力：在地面上时有 mg0= 得出，GM= g0R02=m02（R0+h），所以R0+h =F向=m02（R0+h）=m02F向=m02（R0+h）=m （3）地球同步通信卫星所受的地球对它的万有引力 F 的大小为： A .m B . m20（R0+h） C .m

7、 D .m 答案：A、B、C、D均正确 （4）地球同步通信卫星离地面的高度h为A .因地球同步通信卫星和地球自转同步， 则卫星离地面的高度就被确定。B -R0 C -R0D 地球同步通信卫星的角速度虽已确定，但卫星离地面的高度可以选择.高度增加，环绕速度增大，高度降低，环绕速度减小，仍能同步。答案：A、B、C正确 （5）2000年1月26日我国发射了一颗同步卫星,其定点位置与东径98的经线在同一平面内,若把甘肃省嘉裕关处的经度和纬度近似取为东径98和北纬=40,已知地球半径R,地球自转周期T,地球表面重力加速度g(视为常量)和光速c.试求该同步卫星发射的微波信号传到嘉裕关处的接收站所需的时间(

8、要求用题给的已知量的符号表示). 答案：t= （5）解析：设嘉裕关到同步卫星的距离为L，如图所示，由余弦定理得： 所求时间为又同步卫星到地球球心距离为r 则 由以上各式得 神州六号飞船的运行特点一、飞船围绕地球运动时，其受力特点和运行规律和卫星的规律相同。二、飞船发射和返回过程具有自己相对独立的特点，可以通过实际图片以及模拟图片来了解飞船的运行过程。 聚焦“神州六号”飞天纪实图片。 典型例题二 2005年10月12日9时整，我国自行研制的“神舟六号”载人飞船顺利升空，飞行115小时32分绕地球73圈于17日4时33分在内蒙古主着陆场成功着陆，返回舱完好无损，宇航员费俊龙、聂海胜自主出舱，“神舟

9、六号”载人航天飞行圆满成功。飞船升空后，首先沿椭圆轨道运行，其近地点约为200公里，远地点约为347公里。 在绕地球飞行四圈后，地面发出指令，使飞船上的发动机在飞船到达远地点时自动点火，实施变轨，提高了飞船的速度。使得飞船在距地面340公里的圆轨道上飞行。(一)、求在圆轨道上飞船的飞行速度v和 运行周期T（已知g0、R0）。 答案：1、G又 r = R0+h 所以 v=2、T = (二)、若已知飞船的质量为M，飞船在Q点时通过发动机向后喷出一定质量气体使飞船速度增加而进入圆轨道，这时的运动速度大小v2 ，设喷出的气体的速度为u，质量为m，求：飞船在椭圆轨道上经Q点的速度v1及椭圆轨道Q点处的重

10、力加速度。地球PQ解析：由动量守恒得 Mv1=（Mm）v2mu，得出：v1=（Mm）v2mu/M，因为在Q点上的重力加速度由万有引力提供，则有：得出 (三)、飞船在圆轨道上运行时，需要进行多次轨道维持。轨道维持就是通过控制飞船上的发动机的点火时间和推力，使飞船能保持在同一轨道上稳定运行。如果不进行轨道维持，飞船的轨道高度就会逐渐降低，在这种情况下，飞船的动能、重力势能和机械能变化的关系应该是 ( )A动能、重力势能和机械能逐渐减小B重力势能逐渐减小，动能逐渐增大， 机械能不变 C重力势能逐渐增大，动能逐渐减小， 机械能不变 D重力势能逐渐减小，动能逐渐增大， 机械能逐渐减小 答案：D 正确 (四)、飞船绕地球飞行73圈后于16日9时57分收到返回信号，5时58分发动机制动点火，假设点火通过喷气使飞船做减速运动，飞船应向什么方向喷气? 答案：飞船应该向前进的方向喷气，减少这一时刻的瞬时速度，使万有引力大于所需要的向心力，飞船开始做近心运动，实施返回计划。 (五)、飞船在竖直向上发射升空阶段、进入轨道绕地球做匀速圆周运动阶段和返回地球竖直向下加速下降阶段