2020高考物理衛(wèi)星變軌與航天器對接問題(解析版)

1、2020年高考物理備考微專題精準(zhǔn)突破專題2.8衛(wèi)星變軌與航天器對接問題專題詮釋】人造地球衛(wèi)星的發(fā)射過程要經(jīng)過多次變軌，如圖所示，我們從以下幾個方面討論1變軌原理及過程(1) 為了節(jié)省能量，在赤道上順著地球自轉(zhuǎn)方向發(fā)射衛(wèi)星到圓軌道I上.(2) 在A點點火加速，由于速度變大，萬有引力不足以提供在軌道I上做圓周運動的向心力，衛(wèi)星做離心運動進入橢圓軌道II.(3) 在B點(遠(yuǎn)地點)再次點火加速進入圓形軌道III.2物理量的定性分析(1) 速度：設(shè)衛(wèi)星在圓軌道I和III上運行時的速率分別為V、v3,在軌道II上過A點和B點時速率分別為vA、v.因在A點加速，則v>V1，因在B點加速，則V3>

2、v，又因v1>v3，故有v>V>V3>V.BA13B13A13B(2) 加速度：因為在A點，衛(wèi)星只受到萬有引力作用，故不論從軌道I還是軌道II上經(jīng)過A點，衛(wèi)星的加速度都相同.同理，從軌道II和軌道III上經(jīng)過B點時加速度也相同.(3) 周期：設(shè)衛(wèi)星在I、II、III軌道上運行周期分別為T、T2、T3，軌道半徑分別為仃、r2(半長軸)、r3，由a3開普勒第三定律T2=k可知t<t2<t3.(4) 機械能：在一個確定的圓(橢圓)軌道上機械能守恒.若衛(wèi)星在I、II、III軌道的機械能分別為EE2、E3，則E1<E2<E3.高考領(lǐng)航】【2019江蘇高考】

3、1970年成功發(fā)射的“東方紅一號”是我國第一顆人造地球衛(wèi)星，該衛(wèi)星至今仍沿橢圓軌道繞地球運動。如圖所示，設(shè)衛(wèi)星在近地點、遠(yuǎn)地點的速度分別為*、v2，近地點到地心的距離為r,地球質(zhì)量為M,引力常量為G。貝9()Av1>v2Cv1<v2【答案】v1v1BD【解析】衛(wèi)星繞地球運動，由開普勒第二定律知，近地點的速度大于遠(yuǎn)地點的速度，即v1>v2。若衛(wèi)星以近地點時距地心的距離為半徑做圓周運動，則有詈=mv近，得運行速度v近=1竽，由于衛(wèi)星沿橢圓軌v2v2道運動，在近地點所需向心力大于萬有引力，故m；>m近，則V>v近,即v1>B正確?！?017高考全國卷皿】2017年

4、4月，我國成功發(fā)射的天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室完成了首次交會對接，對接形成的組合體仍沿天宮二號原來的軌道(可視為圓軌道)運行與天宮二號單獨運行時相比組合體運行的()A.周期變大C動能變大B. 速率變大D.向心加速度變大答案】CGMmv2GM單獨運行時相比，組合體運行的速率不變，B項錯誤;又T='V,則周期T不變，A項錯誤；質(zhì)量變大、【解析】組合體比天宮二號質(zhì)量大，軌道半徑R不變，根®GR2m=mR，可得v=GM，可知與天宮二號速率不變，動能變大，C項正確；向心加速度a=R2，不變，D項錯誤.技巧方法】1從引力和向心力的關(guān)系分析變軌問題GMmvr2(1)衛(wèi)星突然加速(

5、通過發(fā)動機瞬間噴氣實現(xiàn)，噴氣時間不計)，則萬有引力不足以提供向心力，GMm<mV7,衛(wèi)星將做離心運動，變軌到更高的軌道(2)當(dāng)衛(wèi)星突然減速時，衛(wèi)星所需向心力減小，萬有引力大于向心力，衛(wèi)星變軌到較低的軌道2變軌問題考查的熱點(1)運動參量的比較：兩個軌道切點處，加速度由詈=ma分析，式中“r”表示衛(wèi)星到地心的距離，a大小相等；由于變軌時發(fā)動機要點火工作，故線速度大小不等(2)能量的比較：在離心運動過程中(發(fā)動機已關(guān)閉)，衛(wèi)星克服引力做功，其動能向引力勢能轉(zhuǎn)化，機械能保持不變兩個不同的軌道上(圓軌道或橢圓軌道)，軌道越高衛(wèi)星的機械能越大【最新考向解碼】【例1(2019河北衡水中學(xué)高三二調(diào))探

6、月工程中，“嫦娥三號”探測器的發(fā)射過程可以簡化如下：衛(wèi)星由地面發(fā)射后，進入地月轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)過P點時變軌進入距離月球表面100公里的圓形軌道1,在軌道1上經(jīng)過Q點時變軌進入橢圓軌道2,軌道2與月球相切于M點，月球車將在M點著陸月球表面。下列說法正確的是()A. “嫦娥三號”在軌道1上的速度比月球的第一宇宙速度小B. “嫦娥三號”在地月轉(zhuǎn)移軌道上經(jīng)過P點的速度比在軌道1上經(jīng)過P點時大C. “嫦娥三號”在軌道1上的運動周期比在軌道2上小D. “嫦娥三號”在軌道1上經(jīng)過Q點時的加速度小于在軌道2上經(jīng)過Q點時的加速度【答案】AB【解析】月球的第一宇宙速度是衛(wèi)星在月球表面繞月球做勻速圓周運動時的速度，“嫦

7、娥三號”在軌道1GMmv2/gm上做勻速圓周運動的半徑大于月球半徑，根據(jù)r嚴(yán)=m；，得線速度v=嚴(yán)，可知“嫦娥三號”在軌道1上的運動速度比月球的第一宇宙速度小，A正確；“嫦娥三號”在地月轉(zhuǎn)移軌道上經(jīng)過P點進入軌道1,需減速，所以在地月轉(zhuǎn)移軌道上經(jīng)過P點的速度比在軌道1上經(jīng)過P點時大，B正確；由于衛(wèi)星在軌道2上運動時軌道的半長軸比在軌道1上運動時的軌道半徑小，根據(jù)開普勒第三定律可知衛(wèi)星在軌道1上的運動周期比在軌道2上大，C錯誤；“嫦娥三號”經(jīng)過Q點時的加速度取決于在該點時所受的萬有引力，由萬有引力公式可知它在軌道1和軌道2上經(jīng)過Q點時所受萬有引力相等，則加速度相等，D錯誤?！纠?.(2019山東

8、棗莊高三上學(xué)期期末)2018年5月21日，我國發(fā)射人類首顆月球中繼衛(wèi)星，鵲橋”，6月14日進入使命軌道地月拉格朗日L2軌道，為在月球背面著陸的“嫦娥四號”與地球站之間提供通信鏈路。12月8日，我國成功發(fā)射“嫦娥四號”探測器，并于2019年1月3日成功著陸于月球背面，通過中繼衛(wèi)星“鵲橋”傳回了月背影像圖，如圖1所示，揭開了古老月背的神秘面紗。如圖2所示，假設(shè)“鵲橋”中繼衛(wèi)星在拉格朗日點L2時，與月、地兩個大天體保持相對靜止。設(shè)地球的質(zhì)量為月球的k倍，地月間距為L,拉格朗日點l2與月球間距為d。地球、月球和制橋”中繼衛(wèi)星均視為質(zhì)點，忽略太陽對鵲橋”中繼星的引力，貝y下列選項正確的是()B“鵲橋”中

9、繼衛(wèi)星與月球繞地球運動的線速度之比為v鵲:v月=(L+d):LCk、L、Dk、L、d的關(guān)系式為丄+d2=d的關(guān)系式為爲(wèi)+止=鏟答案】BD解析】“鵲橋”中繼衛(wèi)星與月球相對靜止，繞地球做勻速圓周運動的角速度與月球的相等，不是處于平衡狀態(tài)，A錯誤；根據(jù)v=e尸,“鵲橋”中繼衛(wèi)星與月球繞地球運動的半徑分別是(L+d)和L,所以線速度之比為v鵲：v月=(L+d):L,B正確；設(shè)地球的質(zhì)量為M,月球的質(zhì)量為，“鵲橋”中繼衛(wèi)星的質(zhì)量為m2，則月12GMmGMmGmm112對月球有=my2L,對“鵲橋”中繼衛(wèi)星有(l+£2+=m2p2(L+d)，M=km、，聯(lián)立得(厶十好+亦L+dLT，C錯誤，D正

10、確?！纠?】(2019江西重點中學(xué)聯(lián)考)小型登月器連接在航天站上，一起繞月球做勻速圓周運動，其軌道半徑為月球半徑的3倍,某時刻,航天站使登月器減速分離,登月器沿如圖所示的橢圓軌道登月,在月球表面逗留一段時間完成科考工作后,經(jīng)快速啟動仍沿原橢圓軌道返回,當(dāng)?shù)谝淮位氐椒蛛x點時恰與航天站對接,登月器的快速啟動時間可以忽略不計,整個過程中航天站保持原軌道繞月運行已知月球表面的重力加速【答案】B.【解析】當(dāng)?shù)窃缕骱秃教煺驹诎霃綖?R的軌道上繞月球做勻速圓周運動時，應(yīng)用牛頓第二定律有呼4n2rrm萬丁,r=3R,則有T=2nGM=6ngm在月球表面的物體所受重力近似等于萬有引力，可得GM=gR2,所以T=

11、6qJ3R，登月器在橢圓軌道上運行的周期用T表示，航天站在圓軌道上運行的周期用T2T2T2t2表示，對登月器和航天站依據(jù)開普勒第三定律有（3r）3（tr）3i3r）3，為使登月器仍沿原橢圓軌道回到分離點與航天站實現(xiàn)對接,登月器可以在月球表面停留的時間t應(yīng)滿足t=nTT（其中n=l、2、3、），聯(lián)立式得t=6nng42R（其中n=1、2、3、），當(dāng)n=1時，登月器可以在月球上停留的時間最短，即t.=6nmin微專題精練】1（2019河北衡水檢測）同步衛(wèi)星的發(fā)射方法是變軌發(fā)射，即先把衛(wèi)星發(fā)射到離地面高度為200300km的圓形軌道上，這條軌道叫停泊軌道，如圖所示，當(dāng)衛(wèi)星穿過赤道平面上的P點時，末級

12、火箭點火工作，使衛(wèi)星進入一條大的橢圓軌道，其遠(yuǎn)地點恰好在地球赤道上空約36000km處，這條軌道叫轉(zhuǎn)移軌道；當(dāng)衛(wèi)星到達遠(yuǎn)地點Q時，再開動衛(wèi)星上的發(fā)動機，使之進入同步軌道，也叫靜止軌道關(guān)于同步衛(wèi)星及其發(fā)射過程下列說法正確的是（）A. 在P點火箭點火和Q點開動發(fā)動機的目的都是使衛(wèi)星加速，因此，衛(wèi)星在靜止軌道上運行的線速度大于在停泊軌道運行的線速度B. 在P點火箭點火和Q點開動發(fā)動機的目的都是使衛(wèi)星加速，因此，衛(wèi)星在靜止軌道上運行的機械能大于在停泊軌道運行的機械能C. 衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道上運動的速度大小范圍為7.911.2km/sD. 所有地球同步衛(wèi)星的靜止軌道都相同【答案】BD【解析】根據(jù)衛(wèi)星變軌的原

13、理知，在P點火箭點火和Q點開動發(fā)動機的目的都是使衛(wèi)星加速.當(dāng)衛(wèi)星做圓周運動時，由6詈=加牛，得7=葺，可知，衛(wèi)星在靜止軌道上運行的線速度小于在停泊軌道運行的線速度，故A錯誤；在P點火箭點火和Q點開動發(fā)動機的目的都是使衛(wèi)星加速，由能量守恒知，衛(wèi)星在靜止軌道上運行的機械能大于在停泊軌道運行的機械能，故B正確；衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道上的遠(yuǎn)地點需加速才能進入同步衛(wèi)星軌道，而同步衛(wèi)星軌道的速度小于7.9km/h，故C錯誤；所有地球同步衛(wèi)星的靜止軌道都相同，并且都在赤道平面上，高度一定，故D正確.2.我國發(fā)射的“天宮二號”空間實驗室與之后發(fā)射“神舟十一號”成功完成對接假設(shè)“天宮二號”與“神舟十一號都圍繞地球做勻速

14、圓周運動，為了實現(xiàn)飛船與空間實驗室的對接，下列措施可行的是()A. 使飛船與空間實驗室在同一軌道上運行，然后飛船加速追上空間實驗室實現(xiàn)對接B. 使飛船與空間實驗室在同一軌道上運行，然后空間實驗室減速等待飛船實現(xiàn)對接C. 飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上加速，加速后飛船逐漸靠近空間實驗室，兩者速度接近時實現(xiàn)對接D. 飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上減速，減速后飛船逐漸靠近空間實驗室，兩者速度接近時實現(xiàn)對接【答案】C【解析】飛船在同一軌道上加速追趕空間實驗室時，速度增大，所需向心力大于萬有引力，飛船將做離心運動，不能實現(xiàn)與空間實驗室的對接，選項A錯誤；同理，空間實驗室在同一軌道上減速等待飛船時

15、，速度減小，所需向心力小于萬有引力，空間實驗室做近心運動，也不能實現(xiàn)對接，選項B錯誤；當(dāng)飛船在比空間實驗室半徑小的軌道上加速時，飛船做離心運動，逐漸靠近空間實驗室，可實現(xiàn)對接，選項C正確；當(dāng)飛船在比空間實驗室半徑小的軌道上減速時，飛船將做近心運動，遠(yuǎn)離空間實驗室，不能實現(xiàn)對接，選項D錯誤3如圖所示，1、3軌道均是衛(wèi)星繞地球做圓周運動的軌道示意圖，1軌道的半徑為R，2軌道是一顆衛(wèi)星繞地球做橢圓運動的軌道示意圖，3軌道與2軌道相切于B點，O點為地球球心，AB為橢圓的長軸，三軌道和地心都在同一平面內(nèi).已知在1、2兩軌道上運動的衛(wèi)星的周期相等，引力常量為G,地球質(zhì)量為M,三A. 衛(wèi)星在3軌道上的機械能

16、小于在2軌道上的機械能B. 若衛(wèi)星在1軌道上的速率為”】，衛(wèi)星在2軌道A點的速率為vA，則v1VvA1A1AC. 若衛(wèi)星在1、3軌道上的加速度大小分別為aa3，衛(wèi)星在2軌道A點的加速度大小為aA,則aA<a,<13AA1D. 若OA=0.4R，貝9衛(wèi)星在2軌道B點的速率vB>58RM答案】B【解析】2、3軌道在B點相切，衛(wèi)星在3軌道相對于2軌道是做離心運動的，衛(wèi)星在3軌道上的線速度大于在2軌道上B點的線速度，因衛(wèi)星質(zhì)量相同，所以衛(wèi)星在3軌道上的機械能大于在2軌道上的機械能，A錯誤；以O(shè)A為半徑作一個圓軌道4與2軌道相切于A點,則聽肚又因聽-，所以嚇肚B正確；加速度是萬有引力產(chǎn)

17、生的，只需要比較衛(wèi)星到地心的高度即可，應(yīng)是aA>al>a3,C錯誤；由開普勒第三定律可知，2軌道的半長軸為R，OB=1.6R，3軌道上的線速度v3=/58RM，又因vB<v3,所以vB<“，D錯誤.4. 我國于2016年9月15日發(fā)射了“天宮二號”空間實驗室，之后在10月17日，又發(fā)射了“神舟十一號”飛船與“天宮二號”對接.假設(shè)“天宮二號”與“神舟十一號”都圍繞地球做勻速圓周運動，為了實現(xiàn)飛船與空間實驗室的對接，下列措施可行的是()A. 使飛船與空間實驗室在同一軌道上運行，然后飛船加速追上空間實驗室實現(xiàn)對接B. 使飛船與空間實驗室在同一軌道上運行，然后空間實驗室減速等待

18、飛船實現(xiàn)對接C. 飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上加速，加速后飛船逐漸靠近空間實驗室，兩者速度接近時實現(xiàn)對接D. 飛船先在比空間實驗室半徑小的軌道上減速，減速后飛船逐漸靠近空間實驗室，兩者速度接近時實現(xiàn)對接【答案】C.【解析】為了實現(xiàn)飛船與空間實驗室的對接，必須使飛船在較低的軌道上加速做離心運動，上升到空間實驗室運動的軌道后逐漸靠近空間實驗室，兩者速度接近時實現(xiàn)對接，選項C正確.5. 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)又被稱為“雙星定位系統(tǒng)”，具有導(dǎo)航、定位等功能.如圖所示，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中的兩顆工作衛(wèi)星均繞地心做勻速圓周運動，且軌道半徑均為r，某時刻工作衛(wèi)星1、2分別位于軌道上的A、B兩個位置，若兩衛(wèi)星均沿順時針

19、方向運行，地球表面的重力加速度為g,地球半徑為R,不計衛(wèi)星間的相互作用力，下列判斷錯誤的是()皿IA. 這兩顆衛(wèi)星的加速度大小相等，均為讐B-衛(wèi)星1由A位置運動到B位置所需的時間是3RC. 衛(wèi)星1由A位置運動到B位置的過程中萬有引力不做功D.衛(wèi)星1向后噴氣就一定能夠追上衛(wèi)星2【答案】D.【解析】根據(jù)F合=%°,對衛(wèi)星有cMm=ma,可得a=GM,取地面一物體由厝=m'g，聯(lián)立解得aRg,故A正確；根據(jù)GMrm=m（y）r,得T=，又t=*T，聯(lián)立可解得丫=爲(wèi)，故B正確；衛(wèi)星1由位置A運動到位置B的過程中，由于萬有引力方向始終與速度方向垂直，故萬有引力不做功，C正確;若衛(wèi)星1向

20、后噴氣，則其速度會增大，衛(wèi)星1將做離心運動，所以衛(wèi)星1不可能追上衛(wèi)星2,D錯誤.球地球地月荊移軌道6. （2019湖北八校聯(lián)考）如圖所示為嫦娥三號登月軌跡示意圖.圖中M點為環(huán)地球運行的近地點，N點為環(huán)月球運行的近月點.a為環(huán)月球運行的圓軌道，b為環(huán)月球運行的橢圓軌道，下列說法中正確的是（）A.嫦娥三號在環(huán)地球軌道上的運行速度大于11.2km/sB嫦娥三號在M點進入地月轉(zhuǎn)移軌道時應(yīng)點火加速C. 設(shè)嫦娥三號在圓軌道a上經(jīng)過N點時的加速度為a/在橢圓軌道b上經(jīng)過N點時的加速度為a2，則a1>a2D. 嫦娥三號在圓軌道a上的機械能小于在橢圓軌道b上的機械能【答案】BD【解析】嫦娥三號在環(huán)地球軌道

21、上運行速度v滿足7.9km/s<v<11.2km/s,則A錯誤；嫦娥三號要脫離地球需在M點點火加速讓其進入地月轉(zhuǎn)移軌道，則B正確；由a=GM，知嫦娥三號在經(jīng)過圓軌道a上的N點和經(jīng)過在橢圓軌道b上的N點時的加速度相等，則C錯誤；嫦娥三號要從b軌道轉(zhuǎn)移到a軌道需要減速，機械能減小，則D正確.7（2019江南十校聯(lián)考）據(jù)外媒綜合報道，英國著名物理學(xué)家史蒂芬霍金在2018年3月14日去世，享年76歲.這位偉大的物理學(xué)家，向人類揭示了宇宙和黑洞的奧秘.高中生對黑洞的了解為光速是在星球（黑洞）上的第二宇宙速度對于普通星球，如地球，光速仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其宇宙速度現(xiàn)對于發(fā)射地球同步衛(wèi)星的過程分析，衛(wèi)星首

22、先進入橢圓軌道I,P點是軌道I上的近地點，然后在Q點通過改變衛(wèi)星速度，讓衛(wèi)星進入地球同步軌道II,則（）A. 衛(wèi)星在同步軌道II上的運行速度大于第一宇宙速度7.9km/sB. 該衛(wèi)星的發(fā)射速度必定大于第二宇宙速度11.2km/sC. 在軌道I上，衛(wèi)星在P點的速度大于第一宇宙速度7.9km/sD. 在軌道I上，衛(wèi)星在Q點的速度大于第一宇宙速度7.9km/s【答案】C【解析】第一宇宙速度是近地軌道的線速度，根據(jù)可知尸普，故軌道半徑越大，線速度越小，所以同步衛(wèi)星的運行速度小于第一宇宙速度，A錯誤；該衛(wèi)星為地球的衛(wèi)星，所以發(fā)射速度小于第二宇宙速度，B錯誤；P點為近地軌道上的一點，但要從近地軌道變軌到I

23、軌道，則需要在P點加速，所以在軌道I上衛(wèi)星在P點的速度大于第一宇宙速度，C正確；在Q點要從軌道I變軌到軌道II,則需要在Q點加速，即軌道II上經(jīng)過Q點的速度大于軌道I上經(jīng)過Q點的速度，而軌道II上的速度小于第一宇宙速度,故在軌道I上經(jīng)過Q點時的速度小于第一宇宙速度，D錯誤.8. （2019湖北黃岡中學(xué)模擬）某衛(wèi)星在半徑為r的軌道1上做圓周運動，動能為Ek，變軌到軌道2上后，動能AkrE-AErkAECrE-aek比在軌道1上減小了AE,在軌道2上也做圓周運動，則軌道2的半徑為（）唸rE-AED七廠丫【答案】AMmv21GMmGMmrrk1rkr2E此r=kr,A正確.2E-AEk9. （2019江西重點中學(xué)聯(lián)考）如圖所示為某飛船從軌道I經(jīng)兩次變軌繞火星飛行的軌跡圖，其中軌道II為圓軌道，軌道III為橢圓軌道，三個軌道相切于P點，P、Q兩點分別是橢圓軌道III的遠(yuǎn)火星點和近火星點，S是軌道II上的點，P、Q、S三點與火星中心在同一直線上，且PQ=2QS，下列說法正確的是()A. 飛船在P點由軌道I進入軌道II可向運動方向噴氣B. 飛船在軌道II上由P點運動到S點的時間是飛船在軌道III上由P點運動到Q點的時間的2.25倍C. 飛船在軌道II上S點的速度小于在