高考物理一轮复习 知识点33：卫星变轨及对接问题（原卷版）（基础版）

知识点33：卫星变轨及对接问题考点一：卫星的减速变轨问题题型一：卫星摩擦减速变轨问题【知识思维方法技巧】卫星轨道连续渐变时各运动参量的关系：当卫星在大气层稀薄空气摩擦作用下变轨的时候，空气阻力使卫星的速度减少，Geq\f(Mm,r2)>meq\f(v2,r)→向心运动→引力做正功→卫星动能增大→低轨道运行v′＝eq\r(\f(GM,r′))。【典例1基础题】2017年9月，我国控制“天舟一号”飞船离轨，使它进入大气层烧毁，残骸坠入南太平洋一处号称“航天器坟场”的远离大陆的深海区．在受控坠落前，“天舟一号”在距离地面380km的圆轨道上飞行，则下列说法中正确的是()A．在轨运行时，“天舟一号”的线速度大于第一宇宙速度B．在轨运行时，“天舟一号”的角速度小于同步卫星的角速度C．受控坠落时，应通过“反推”实现制动离轨D．“天舟一号”离轨后，在进入大气层前，运行速度不断减小题型二：卫星点火喷气减速问题类型一：动力学的变化【典例2a基础题】（多选）航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后，在A点从圆形轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ，B为轨道Ⅱ上的一点，如图所示．关于航天飞机的运动，下列说法中正确的有()A．在轨道Ⅱ上经过A的速度小于经过B的速度B．在轨道Ⅱ上经过A的动能小于在轨道Ⅰ上经过A的动能C．在轨道Ⅱ上运动的周期小于在轨道Ⅰ上运动的周期D．在轨道Ⅱ上经过A的加速度小于在轨道Ⅰ上经过A的加速度类型二：功与能的变化【典例2b基础题】（多选）如图所示为嫦娥三号登月轨迹示意图。图中M点为环地球运行的近地点，N点为环月球运行的近月点。a为环月球运行的圆轨道，b为环月球运行的椭圆轨道，下列说法中正确的是()A．嫦娥三号在环地球轨道上的运行速度大于11.2km/sB．嫦娥三号在M点进入地月转移轨道时应点火加速C．设嫦娥三号在圆轨道a上经过N点时的加速度为a1，在椭圆轨道b上经过N点时的加速度为a2，则a1＞a2D．嫦娥三号在圆轨道a上的机械能小于在椭圆轨道b上的机械能【典例2b基础题对应练习】(多选)嫦娥五号取壤返回地球，完成了中国航天史上的一次壮举．如图所示为嫦娥五号着陆地球前部分轨道的简化示意图，其中Ⅰ是月地转移轨道，在P点由轨道Ⅰ变为绕地椭圆轨道Ⅱ，在近地点Q再变为绕地椭圆轨道Ⅲ.下列说法正确的是()A．在轨道Ⅱ运行时，嫦娥五号在Q点的机械能比在P点的机械能大B．嫦娥五号在轨道Ⅱ上运行的周期比在轨道Ⅲ上运行的周期长C．嫦娥五号分别沿轨道Ⅱ和轨道Ⅲ运行时，经过Q点的向心加速度大小相等D．嫦娥五号分别沿轨道Ⅱ和轨道Ⅲ运行时，经过Q点的速度大小相等考点二：卫星的加速变轨及对接问题题型一：卫星点火喷气加速问题【知识思维方法技巧】（1）卫星发射及变轨过程的特点：人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如图所示。升高轨道需要点火加速（向后喷气），降低轨道需要点火减速（向前喷气）。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。②升高轨道需要点火加速（向后喷气），降低轨道需要点火减速（向前喷气）．在A点点火加速(向后喷气)，由于速度变大，万有引力不足以提供向心力，卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ。③在B点(远地点)再次点火加速(向后喷气)进入圆形轨道Ⅲ。（2）卫星轨道突变时各运动参量的关系：①速度：设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3，在轨道Ⅱ上过A点和B点时速率分别为vA、vB。在A点加速，则vA＞v1，在B点加速，则v3＞vB，又因两个不同圆轨道，r越大速度越小则v1＞v3，故有vA＞v1＞v3＞vB。②加速度：由Geq\f(Mm,r2)＝ma知a＝Geq\f(M,r2)，只取决于卫星距离星球中心的距离，故aⅢ＝aⅡB，aⅡA＝aⅠ，aⅠ>aⅢ.③周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上的运行周期分别为T1、T2、T3，轨道半径分别为r1、r2(半长轴)、r3，由开普勒第三定律eq\f(r3,T2)＝k可知T1＜T2＜T3。④机械能：卫星在一个确定的圆(椭圆)轨道上运动，机械能守恒。若卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E1、E2、E3，轨道半径(或半长轴)越大，机械能越大，则E1＜E2＜E3。类型一：动力学的变化【典例1a基础题】如图是一次卫星发射过程，先将卫星发射进入绕地球的较低圆形轨道Ⅰ，然后在a点使卫星进入椭圆形的转移轨道Ⅱ，再在椭圆轨道的远地点b使卫星进入同步轨道Ⅲ，则下列说法正确的是()A．卫星在轨道Ⅰ的速率小于卫星在轨道Ⅲ的速率B．卫星在轨道Ⅰ的周期大于卫星在轨道Ⅲ的周期C．卫星运动到轨道Ⅰ的a点时，需减速才可进入轨道ⅡD．卫星运动到轨道Ⅱ的b点时，需加速才可进入轨道Ⅲ类型二：功与能的变化【典例1b基础题】物体在万有引力场中具有的势能叫作引力势能，若取离地球无穷远处的引力势能为零，则质量为m的物体引力势能为Ep＝－，其中G为引力常量，M为地球的质量，r为物体到地心的距离．如图中虚线圆为人造地球卫星的两个圆轨道，轨道Ⅰ是近地轨道．已知轨道Ⅱ的半径为轨道Ⅰ的2倍，地球半径为R，则质量为m0的人造地球卫星()A.在轨道Ⅰ上的速率小于在轨道Ⅱ上的速率B.在轨道Ⅰ上的周期大于在轨道Ⅱ上的周期C.从轨道Ⅰ到轨道Ⅱ克服引力做的功为D.从轨道Ⅰ到轨道Ⅱ需要的能量至少为【典例1b基础题对应练习】2020年12月17日，嫦娥五号成功返回地球，创造了我国到月球取土的伟大历史．如图所示，嫦娥五号取土后，在P处由圆形轨道Ⅰ变轨到椭圆轨道Ⅱ，以便返回地球．下列说法正确的是()A．嫦娥五号在轨道Ⅰ和Ⅱ运行时均超重B．嫦娥五号在轨道Ⅰ和Ⅱ运行时机械能相等C．嫦娥五号在轨道Ⅰ和Ⅱ运行至P处时速率相等D．嫦娥五号在轨道Ⅰ和Ⅱ运行至P处时加速度大小相等题型二：卫星（航天器）对接问题【知识思维方法技巧】为了实现飞船与空间实验室的对接，必须使飞船在较低的轨道上加速做离心运动，上升到空间实验室运动的轨道后逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接，对接后速度与空间实验室速度相等。【典例2基础题】宇宙飞船和空间站在同一轨道上运动