(完整版)卫星变轨问题

2 mv小，所需要的向心力 减小了，而万有引力大小 r GMm 2 r 没有变，因此卫星将做向心运动，即半径 r 将减小由㈠中结论可知：卫星线速度 v 将增大，周期T 将减小，向心加速度 a 将增大。

三、突变由于技术上的需要，有时要在适当的位置短时间启动飞行器上的发动机，使 飞行器轨道发生突变，使其到达预定的目标。

如口：发射同步卫星时，通常先将卫星发送到近地轨道I,使其绕地球做匀速圆周运动，速率为v i ,第一次在P 点点火加速，在短时间内将速率由v i 增加到V 2， 使卫星进入椭圆形的转移轨道卫星运行到远地点Q 时的速率为v 3，此时进行 第二次点火加速，在短时间内将速率由v 3增加到v 4，使卫星进入同步轨道山，绕地球做匀速圆周运动。

第一次加速：卫星需要的向心力mv 2 增大了，但万有引力 GM m 没变，因此卫星将开始做离心运动，进 r、人造卫星基本原理在高中物理中，会涉及到人造卫星的两种变轨问题。

二、渐变由于某个因素的影响使卫星的轨道半径发生缓慢的变化（逐渐增大或逐渐减小），由于半径变化缓慢，卫星每一周的运动仍可以看做是匀速圆周运动。

解决此类问题，首先要判断这种变轨是离心还是向心，即轨道半径是增大还是减小，然后再判断卫星的其他 相关物理量如何变化。

如口：人造卫星绕地球做匀速圆周运动，无论轨道多高，都会受到稀薄大气的阻力作用。

如果不及时进行轨道 维持（即通过启动星上小型火箭，将化学能转化为机械能，保持卫星应具有的速度） ，卫星就会自动变轨，偏离 原来的圆周轨道，从而引起各个物理量的变化。

由于这种变轨的起因是阻力，阻力对卫星做负功，使卫星速度减入椭圆形的转移轨道H 。

点火过程中卫星的线速度增大。

在转移轨道上，卫星从近地点 P 向远地点Q 运动过程只受重力作用，重力做负功，速度减小。

在远地点Q 时 如果不进行再次点火，卫星将继续沿椭圆轨道运行，从远地点 Q 回到近地点P,不会自动进入同步轨道。

[考点07] 卫星的变轨和对接问题[典例1]答案 C解析 飞船从轨道Ⅰ变轨到轨道Ⅱ需要加速，所以沿两轨道经过A 点时速度大小不相等，故A 错误；沿轨道Ⅱ从A 运动到对接点B 过程中，万有引力做负功，速度不断减小，故B错误；根据开普勒第三定律，有r 13T 12＝(r 1＋r 32)3T 22，解得T 2＝T 1(r 1＋r 32r 1)3，故C 正确；物体绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，有GMm r 2＝m 4π2T2r ，解得T ＝2πr 3GM ，由于飞船沿轨道Ⅰ运行的半径小于天和核心舱沿轨道Ⅲ运行的半径，因此飞船沿轨道Ⅰ运行的周期小于天和核心舱沿轨道Ⅲ运行的周期，故D 错误．[典例2]答案 D解析 当卫星在r 1＝r 的圆轨道上运行时，有G m 地m r 2＝m v 02r，解得在此圆轨道上运行时通过A 点的速度为v 0＝Gm 地r ，所以发动机在A 点对卫星做的功为W 1＝12m v 2－12m v 02＝12m v 2－Gm 地m 2r ；当卫星在r 2＝2r 的圆轨道上运行时，有G m 地m (2r )2＝m v 0′22r ，解得在此圆轨道上运行时通过B 点的速度为v 0′＝Gm 地2r，而根据卫星在椭圆轨道上时到地心的距离与速度的乘积为定值可知，在椭圆轨道上通过B 点时的速度为v 1＝r 1r 2v ＝12v ，故发动机在B 点对卫星做的功为W 2＝12m v 0′2－12m v 12＝Gm 地m 4r －18m v 2，所以W 1－W 2＝58m v 2－3Gm 地m 4r，D 正确． [典例3]答案 D解析 根据卫星变轨时，由低轨道进入高轨道需要点火加速，反之要减速，所以飞船先到空间站下方的圆周轨道上同方向运动，合适位置加速靠近即可，或者飞船先到空间站轨道上方圆周轨道上同方向运动，合适的位置减速即可，故选D.1.答案 B解析 飞船在轨道上正常运行时，有G Mm r 2＝m v 2r.当飞船直接加速时，所需向心力增大，故飞船做离心运动，轨道半径增大，将导致不在同一轨道上，A 错误；飞船若先减速，它的轨道半径将减小，但运行速度增大，故在低轨道上飞船可接近空间站，当飞船运动到合适的位置再加速，回到原轨道，即可追上空间站，B 正确，D 错误；若飞船先加速，它的轨道半径将增大，但运行速度减小，再减速不会追上空间站，C 错误．2.答案 A解析 由高轨道进入低轨道需要点火减速，则由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需在O 点减速，A 正确；根据开普勒第三定律有r 23T 22＝a 33T 32，因轨道Ⅱ的半径大于轨道Ⅲ的半长轴，所以在轨道Ⅱ上运行的周期大于在轨道Ⅲ上运行的周期，B 错误；根据v ＝GM R可知，在轨道Ⅱ上运行的线速度小于火星的第一宇宙速度，C 错误；根据开普勒第二定律可知，近地点的线速度大于远地点的线速度，所以在轨道Ⅲ上，探测器运行到O 点的线速度小于运行到Q 点的线速度，D 错误．3.答案 BD解析 设卫星在轨道Ⅱ上运行的加速度大小为a 1，由GMm r 2＝ma 得a ＝GM r 2，则a 1＝R 2(3R )2a 0＝19a 0，故A 错误；设卫星在轨道Ⅱ上运行的线速度大小为v 1，有a 1＝v 123R ，解得v 1＝13a 0R ＝3a 0R 3，故B 正确；根据开普勒第三定律有T 22T 12＝(3R )3(2R )3，解得T 2T 1＝364，故C 错误；设卫星在椭圆轨道远地点B 的线速度大小为v ，根据开普勒第二定律有v 0R ＝v ×3R ，解得v ＝13v 0，卫星从轨道Ⅰ变轨到轨道Ⅱ发动机需要做的功为W ＝12m v 12－12m v 2＝ma 0R 6－m v 0218，故D 正确． 4.答案 C解析 根据开普勒第三定律a 3T2＝k ，由题图可知飞船“天问一号”椭圆运动的半长轴大于地球公转半径，所以飞船“天问一号”椭圆运动的周期大于地球公转的周期，A 错误；在与火星会合前，飞船“天问一号”到太阳的距离小于火星公转半径，根据万有引力提供向心力有G Mm r2＝ma ，可知飞船“天问一号”的向心加速度大于火星公转的向心加速度，B 错误；飞船“天问一号”在无动力飞向火星过程中，引力势能增大，动能减少，机械能守恒，C 正确；飞船“天问一号”要脱离地球的束缚，所以发射速度大于第二宇宙速度，D 错误．5.答案 C解析 轨道Ⅱ的半径大于椭圆轨道Ⅰ的半长轴，根据开普勒第三定律可知，在轨道Ⅱ上运行时的周期大于在轨道Ⅰ上运行时的周期，故A 错误；在轨道Ⅰ上的N 点和轨道Ⅱ上的N 点受到的万有引力相同，所以在两个轨道上经过N 点时的加速度相同，故B 错误；从轨道Ⅱ到月地转移轨道Ⅲ做离心运动，在N 点时嫦娥五号需要经过点火加速才能从轨道Ⅱ进入轨道Ⅲ返回，故C 正确；在月地转移轨道上飞行的过程中，始终在地球的引力范围内，不存在不受万有引力的瞬间，故D 错误．6.答案 AB解析 在轨道Ⅰ上，有：G Mm R 12＝m v 12R 1，解得：v 1＝GM R 1，则动能为E k1＝12m v 12＝GMm 2R 1，故A 正确；在轨道Ⅲ上，有：G Mm R 32＝m v 32R 3，解得：v 3＝GM R 3，则动能为E k3＝12m v 32＝GMm 2R 3，引力势能为E p ＝－GMm R 3，则机械能为E ＝E k3＋E p ＝－GMm 2R 3，故B 正确；由G Mm R Q2＝ma 得：a ＝GM R Q2，两个轨道上Q 点到地心的距离不变，故向心加速度的大小不变，故C 错误；卫星要从Ⅰ轨道变到Ⅱ轨道上，经过P 点时必须点火加速，即卫星在Ⅰ轨道上经过P 点时的速率小于在Ⅱ轨道上经过P 点时的速率，故D 错误．7.答案 AD解析 要使“嫦娥四号”从环月圆形轨道Ⅰ上的P 点实施变轨进入椭圆轨道Ⅱ，需制动减速做近心运动，A 正确；由开普勒第三定律知，沿轨道Ⅱ运行的周期小于沿轨道Ⅰ运行的周期，B 错误；万有引力使物体产生加速度，a ＝G Mm r 2m ＝G M r2，沿轨道Ⅱ运行时，在P 点的加速度小于在Q 点的加速度，C 错误；月球对“嫦娥四号”的万有引力指向月球，所以在轨道Ⅱ上由P 点运行到Q 点的过程中，万有引力对其做正功，它的动能增加，重力势能减小，机械能不变，D 正确．8.答案 B解析 在椭圆轨道近月点变轨成为圆轨道，要实现变轨应给飞行器点火减速，减小所需的向心力，故点火后动能减小，故A 错误；设飞行器在近月轨道Ⅲ绕月球运行一周所需的时间为T 3，则mg 0＝m 4π2T 23R ，解得T 3＝2πR g 0，根据几何关系可知，轨道Ⅲ的半长轴a ＝2.5R ，根据开普勒第三定律a 3T2＝k 以及飞行器在轨道Ⅲ上的运行周期，可求出飞行器在轨道Ⅲ上的运行周期，故B 正确，D 错误；只有万有引力作用情况下，飞行器在轨道Ⅲ上通过B 点的加速度与在轨道Ⅲ上通过B 点的加速度相等，故C 错误.9.答案 (1)－3mgR 7 (2)3mgR 7解析 (1)卫星在轨道Ⅰ和轨道Ⅲ做圆周运动，应满足： G Mm R 2＝m v 12R ，故E k1＝12m v 12＝GMm 2R ＝12mgR G Mm (7R )2＝m v 227R ，故E k2＝12m v 22＝mgR 14 合力对卫星所做的总功W ＝E k2－E k1＝mgR (114－12)＝－3mgR 7(2)卫星在轨道Ⅰ上的势能E p1＝－GMm R＝－mgR 卫星在轨道Ⅲ上的势能E p2＝－GMm 7R ＝－mgR 7则燃气对卫星所做的总功W ′＝(E p2＋ E k2)－(E p1＋ E k1)＝(－mgR 7＋mgR 14)－(－mgR ＋12mgR )＝3mgR 7. 10.答案 D解析 由轨道Ⅲ进入轨道Ⅲ需在O 点减速，由高轨道进入低轨道需要点火减速，故A 错误；根据周期公式T ＝2πr 3GM可知，轨道半径越大周期越大，所以在轨道Ⅲ的运行周期大于沿轨道Ⅲ的运行周期，故B 错误；根据v ＝GM r 可知，在轨道Ⅲ运行的线速度小于火星的第一宇宙速度，故C 错误；根据开普勒第二定律可知，在近地点的线速度大于远地点的线速度，所以在轨道Ⅲ上，探测器运行到O 点的线速度小于Q 点的线速度，故D 正确.11.答案 C解析 宇宙飞船天问一号椭圆轨道半长轴大于地球公转半径，由开普勒第三定律可知，宇宙飞船天问一号椭圆轨道的周期大于地球公转的周期，故A 项错误；宇宙飞船天问一号位于火星与地球之间，距太阳的距离小于火星距太阳的距离，由G Mm r 2＝ma 解得a ＝GM r 2，宇宙飞船天问一号的向心加速度大于火星公转的向心加速度，故B 项错误；当天问一号飞向火星过程中，即在椭圆轨道上，万有引力做负功，引力势能增大，动能减小，机械能守恒，故C 项正确；宇宙飞船天问一号从地球上发射，需要脱离地球的吸引，绕太阳运动，即发射速度大于第二宇宙速度，故D 项错误.12.答案 B解析 由于天问一号需要到达火星，因此其最终会脱离地球的引力束缚，其发射速度应大于第二宇宙速度，A 错误；由题图可知，天问一号在“火星停泊段”运行的轨道半长轴大于它在“科学探测段”运行的轨道半长轴，则由开普勒第三定律有r 13r 23＝T 12T 22，可知天问一号在“火星停泊段”运行的周期大于它在“科学探测段”运行的周期，B 正确；天问一号从“火星捕获段”进入轨道较低的“火星停泊段”，需要在近火点减速，选项C 错误；假设着陆巡视器从“离轨着陆段”至着陆火星过程机械能守恒，则随着着陆巡视器到火星表面的距离降低(重力势能减小)，着陆巡视器的速度会越来越大(动能增大)，到火星表面时速度达到最大，与实际情况不符(出于安全考虑，着陆巡视器着陆火星时，速度应很小)，故假设不成立，选项D 错误．。

- 1 - 一、人造卫星基本原理绕地球做匀速圆周运动的人造卫星所需向心力由万有引力提供。

轨道半径r 确定后，与之对应的卫星线速度r GM v =、周期GMr T 32π=、向心加速度2r GM a =也都是确定的。

如果卫星的质量也确定,一旦卫星发生变轨,即轨道半径r 发生变化，上述物理量都将随之变化。

同理,只要上述物理量之一发生变化,另外几个也必将随之变化。

在高中物理中，会涉及到人造卫星的两种变轨问题。

二、渐变由于某个因素的影响使卫星的轨道半径发生缓慢的变化（逐渐增大或逐渐减小），由于半径变化缓慢，卫星每一周的运动仍可以看做是匀速圆周运动。

解决此类问题，首先要判断这种变轨是离心还是向心，即轨道半径是增大还是减小，然后再判断卫星的其他相关物理量如何变化。

如：人造卫星绕地球做匀速圆周运动，无论轨道多高，都会受到稀薄大气的阻力作用。

如果不及时进行轨道维持（即通过启动星上小型火箭，将化学能转化为机械能，保持卫星应具有的速度），卫星就会自动变轨，偏离原来的圆周轨道，从而引起各个物理量的变化.由于这种变轨的起因是阻力，阻力对卫星做负功,使卫星速度减小，所需要的向心力rmv 2减小了，而万有引力大小2r GMm 没有变，因此卫星将做向心运动，即半径r 将减小。

由㈠中结论可知：卫星线速度v 将增大，周期T 将减小，向心加速度a 将增大。

三、突变 由于技术上的需要，有时要在适当的位置短时间启动飞行器上的发动机，使飞行器轨道发生突变，使其到达预定的目标. 如：发射同步卫星时,通常先将卫星发送到近地轨道Ⅰ，使其绕地球做匀速圆周运动，速率为v 1，第一次在P 点点火加速，在短时间内将速率由v 1增加到v 2，使卫星进入椭圆形的转移轨道Ⅱ；卫星运行到远地点Q 时的速率为v 3，此时进行第二次点火加速,在短时间内将速率由v 3增加到v 4,使卫星进入同步轨道Ⅲ,绕地球做匀速圆周运动。

第一次加速:卫星需要的向心力r mv 2增大了,但万有引力2r GMm 没变，因此卫星将开始做离心运动，进入椭圆形的转移轨道Ⅱ.点火过程中卫星的线速度增大。

卫星变轨问题正常运行时速率、周期、加速度的比较。

1. 速度的比较。

卫星做匀速圆周运动，在同一个轨道上其环绕速率是不变的，不同轨道上环绕速率不同，高轨低速，所有轨道速度；卫星做椭圆运动，其速率是变化的，离地心越近，速率越大，离地心越远，速率越小，即近大远小，其运行速率。

在同一点，离心速度大于圆周速度，圆周速度大于近心速度。

简单讲就是，内小外大。

由此可以判断，在上图中， 。

2. 周期的比较。

比较半径或半长轴。

半径越大，周期越大。

所以有：.3. 加速度的比较。

正常运行时的加速度比较，可由来判断。

4. 向外变轨加速，向内变轨减速。

题目练习：1：某卫星在A 点短时间开动小型发动机进行变轨，从圆形轨道Ⅰ进入椭圆道Ⅱ，B 为轨道Ⅱ上的一点，如图所示。

下列说法中正确的有 A ．在轨道Ⅱ上经过A 的速率大于经过B 的速率 B ．在轨道Ⅱ上经过A 的速率小于在轨道Ⅰ上经过A 点的速率C ．在轨道Ⅱ上运动的周期大于在轨道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2：某宇宙飞船由运载火箭先送入近地点为A 、远地点为B 的椭圆轨道，在B 点实施变轨后，再进入预定圆轨道，如图4所示。

已知飞船在预定圆轨道上飞行n 圈所用时间为t ，近地点A 距地面高度为h 1，地球表面重力加速度为g ，地球半径为R 。

求：图4v 2v 3 v 4v 1 Q P Ⅰ Ⅲ Ⅱ B 轨道Ⅰ 轨道Ⅱ(1)飞船在近地点A的加速度a A为多大？(2)远地点B距地面的高度h2为多少？3.探测器绕月球做匀速圆周运动，变轨后在周期较小的轨道上仍做匀速圆周运动，则变轨后与变轨前相比()A．轨道半径变小B．向心加速度变小C．线速度变小D．角速度变小4.如图2所示，宇宙飞船A在低轨道上飞行，为了给更高轨道的空间站B输送物资，它可以采用喷气的方法改变速度，从而达到改变轨道的目的，则以下说法正确的是()图2A．它应沿运行速度方向喷气，与B对接后运行周期变小B．它应沿运行速度的反方向喷气，与B对接后运行周期变大C．它应沿运行速度方向喷气，与B对接后运行周期变大D．它应沿运行速度的反方向喷气，与B对接后运行周期变小5.某宇宙飞船在月球上空以速度v绕月球做圆周运动。

卫星变轨问题知识点一、知识概述《卫星变轨问题知识点》①基本定义：卫星变轨呢，简单说就是卫星在太空中改变自己运行的轨道。

卫星本来按照一定的轨道绕着地球之类的天体转，然后通过一些操作，就跑到另一个轨道上去了。

②重要程度：这在航天领域可是相当重要的。

要是没有卫星变轨技术，很多航天任务就没法完成啦。

像卫星要到特定的位置进行观测或者通讯，那就得变轨到合适的地方。

③前置知识：得先了解一些基本的圆周运动知识，比如向心力这些概念。

还得知道万有引力定律，就是那个任何两个物体之间都存在相互吸引力的定律，在卫星这个事情里，它就是卫星绕着天体转的关键力量。

④应用价值：在现实里用处超多。

例如，通信卫星有时候需要调整轨道来覆盖不同的地区，如果一个地区有特殊需求，像举办大型运动会之类的，就可以让卫星变轨来更好地提供通信服务。

还有，科研卫星要是想对某个特定星球区域进行探测，也得变轨过去。

二、知识体系①知识图谱：卫星变轨知识在航天物理学这个大学科里可是重要的一部分。

它和卫星的发射、运行等其他知识紧密相连。

比如说，发射卫星到预定轨道可能就涉及到一些初步的变轨操作。

②关联知识：和万有引力、圆周运动、天体力学这些知识联系密切。

万有引力是变轨的根源力量，圆周运动是卫星运行轨道的基本模式，天体力学则是研究这一系列问题的综合学科。

③重难点分析：- 掌握难度：这一块有点难度。

卫星变轨涉及到复杂的力与运动的关系，还有能量的变化。

比如说在变轨过程中，卫星的速度怎么变，这就得考虑多种因素了。

- 关键点：得搞明白卫星变轨时速度、高度、能量三者的关系。

当卫星要变到更高轨道的时候，得先加速，但是到了高轨道速度又会变小，这听起来有点拗口，但却是关键。

④考点分析：- 在考试中的重要性：在高中或者大学的物理学科里，这是个重点考查内容，特别是航天专题相关的考试。

- 考查方式：可能会让你计算卫星在变轨前后的速度、能量变化；也可能考查你变轨原理这种概念性的东西。

三、详细讲解【理论概念类】①概念辨析：卫星变轨核心就是卫星改变它原本的运行轨道。

卫星的变轨问题、天体追及相遇问题一、卫星的变轨、对接问题1．卫星发射及变轨过程概述人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如右图所示。

(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)在A 点点火加速，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Ⅰ。

(3)在B 点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅰ。

2．卫星的对接问题(1)低轨道飞船与高轨道空间站对接如图甲所示，低轨道飞船通过合理地加速，沿椭圆轨道(做离心运动)追上高轨道空间站与其完成对接.(2)同一轨道飞船与空间站对接如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度.二、变轨前、后各物理量的比较1．航天器变轨问题的三点注意事项(1)航天器变轨时半径的变化，根据万有引力和所需向心力的大小关系判断；稳定在新圆轨道上的运行速度由v ＝GM r判断。

(2)航天器在不同轨道上运行时机械能不同，轨道半径越大，机械能越大。

(3)航天器经过不同轨道的相交点时，加速度相等，外轨道的速度大于内轨道的速度。

2．卫星变轨的实质 两类变轨离心运动 近心运动 变轨起因卫星速度突然增大 卫星速度突然减小 受力分析 G Mm r 2<m v 2rG Mm r 2>m v 2r 变轨结果变为椭圆轨道运动或在较大半径圆轨道上运动变为椭圆轨道运动或在较小半径圆轨道上运动 3.变轨过程各物理量分析(1)速度：设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅰ上运行时的速率分别为v 1、v 3，在轨道Ⅰ上过A 点和B 点时速率分别为v A、v B.在A点加速，则v A>v1，在B点加速，则v3>v B，又因v1>v3，故有v A>v1>v3>v B.(2)加速度：因为在A点，卫星只受到万有引力作用，故不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅰ上经过A点，卫星的加速度都相同，同理，经过B点加速度也相同．(3)周期：设卫星在Ⅰ、Ⅰ、Ⅰ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r3T2＝k可知T1<T2<T3.(4)机械能：在一个确定的圆(椭圆)轨道上机械能守恒．若卫星在Ⅰ、Ⅰ、Ⅰ轨道的机械能分别为E1、E2、E3，则E1<E2<E3.三、卫星的追及与相遇问题1．相距最近两卫星的运转方向相同，且位于和中心连线的半径上同侧时，两卫星相距最近，从运动关系上，两卫星运动关系应满足(ωA－ωB)t＝2nπ(n＝1，2，3，…)。