2023年物理教師資格證筆試：從嫦娥四號(hào)說衛(wèi)星變軌問題

http://guangxi.hteacher.net 2023-01-30 13:17 廣西教師資格證 [您的教師考試網(wǎng)]

最近我們國(guó)家自主研制發(fā)射的嫦娥四號(hào)衛(wèi)星，成為了世界上第一顆在月球背面成功實(shí)現(xiàn)軟著陸的人造飛行器，這也是我國(guó)探月工程三步走“繞、落、回”中第二步，為接下來以月面采樣返回為目標(biāo)的月球探測(cè)第三步任務(wù)打下了很好的基礎(chǔ)。嫦娥四號(hào)衛(wèi)星從地球發(fā)射到月球軌道上，主要經(jīng)過了三個(gè)過程：繞地軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道和月球軌道(如圖1所示)，因此軌道與軌道之間就涉及到比較復(fù)雜的變軌問題，這也是教師招聘考試中常考的題型。下面我們以比較簡(jiǎn)單的變軌問題：同步衛(wèi)星為例，對(duì)于變軌問題中各種狀態(tài)參量的變化進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

 

如圖2所示，是將同步衛(wèi)星從地球上送到同步軌道上所經(jīng)歷的大致過程：同步衛(wèi)星首先被發(fā)送至圓形軌道1，又叫近地軌道;接著衛(wèi)星在軌道1上的P點(diǎn)點(diǎn)火加速，此時(shí)衛(wèi)星所需要的向心力隨之增大，因此衛(wèi)星在P點(diǎn)處所受的萬有引力不足以提供其所需要的向心力，衛(wèi)星就會(huì)做離心運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)入橢圓軌道2，軌道2又叫做轉(zhuǎn)移軌道;最后，衛(wèi)星在軌道2上的Q點(diǎn)再次進(jìn)行點(diǎn)火加速，使得衛(wèi)星所需要的向心力恰好和該位置衛(wèi)星所受到的萬有引力大小相等，這樣衛(wèi)星接下來就會(huì)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)入軌道3，也就是同步軌道。下面就以這一過程為例，談?wù)勂渲猩婕暗降囊恍┪锢砹俊?center>

 

3.機(jī)械能

首先需要明確的是，衛(wèi)星不管是在軌道1、軌道2或軌道3上，機(jī)械能都是守恒的，因?yàn)椴还苣莻€(gè)軌道上衛(wèi)星都只受萬有引力的作用。但是在軌道與軌道之間，機(jī)械能是不守恒的，是因?yàn)檐壍乐g變軌的過程中有除了重力以外的其他外力做功，這個(gè)外力就是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣所產(chǎn)生的反沖力。從軌道1到軌道2再到軌道3，衛(wèi)星需要在P、Q兩點(diǎn)加速，加速通過火箭發(fā)動(dòng)機(jī)做正功來實(shí)現(xiàn)，故機(jī)械能依次增加，增加的機(jī)械能來源于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗燃料的化學(xué)能。因此可以得出結(jié)論三：對(duì)于同一衛(wèi)星而言(忽略其質(zhì)量的變化)，其所在的軌道越高，那么它具有的機(jī)械能就越大。

以上三點(diǎn)結(jié)論在變軌問題中考察頻率很高，如果能在理解的基礎(chǔ)之上記住結(jié)論，對(duì)于解題會(huì)有很大的幫助，下面我們就以一題為例，探究一下變軌問題的解題思路。

例：2008年9月25日至28日我國(guó)成功實(shí)施了“神舟”七號(hào)載人航天飛行并實(shí)現(xiàn)了航天員首次出艙。飛船先沿橢圓軌道1飛行，后在遠(yuǎn)地點(diǎn)P，343千米處點(diǎn)火，由橢圓軌道變成高度為343千米的圓軌道2，下列判斷正確的是( )

 

A.飛船在圓軌道上時(shí)航天員出艙前后都處于失重狀態(tài)

B.飛船在橢圓軌道1上的P點(diǎn)和圓軌道2上的P點(diǎn)時(shí)的加速度相等

C.飛船在橢圓軌道1上Q點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的線速度小于在圓周軌道2上P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的線速度

D.飛船在橢圓軌道1上的機(jī)械能大于其在圓軌道2上的機(jī)械能

解析：根據(jù)結(jié)論一可知選項(xiàng)C錯(cuò)誤，由結(jié)論二可知選項(xiàng)B正確，由結(jié)論三可知選項(xiàng)D錯(cuò)誤;對(duì)于選項(xiàng)A，船在圓軌道上時(shí)，航天員出艙前后，航天員所受地球的萬有引力提供航天員做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，航天員此時(shí)的加速度就是萬有引力加速度，即航天員出艙前后均處于完全失重狀態(tài)，故A也正確;因此本題選AB。

因此，掌握變軌問題的一般結(jié)論，對(duì)于迅速破解變軌問題非常有幫助。

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責(zé)任編輯：廣西分校