物理學院淺析衛(wèi)星變軌問題的處理

　　樹人論文發(fā)表網(wǎng)辦的非常成功，極具口碑。在這里，你可以找到最具時事性的文章和最具代表性的各類文章。當然，因為免費和開源，大家都可以學習、借鑒和共同使用，如果你需要專屬于個人的原創(chuàng)文章，請點擊鏈接獲得專業(yè)文秘寫作服務。

　　摘 要：處理衛(wèi)星變軌問題，關(guān)鍵是判斷離心還是向心運動，從而確定衛(wèi)星由較低的圓軌道進入較高的圓軌道，還是由高軌道進入低軌道，從而確定半徑變化情況。當增大軌道半徑(即增大軌道高度h)，一定要給衛(wèi)星增加能量，克服重力做功，增加重力勢能。但當衛(wèi)星進入高軌道運行，衛(wèi)星的各運動參量也隨之發(fā)生變化，反之亦然。

　　關(guān)鍵詞：圓周運動; 離心和向心; 線速度; 角速度; 周期

　　天體運動是圓周運動的一部分，衛(wèi)星的運動就是圓周運動，研究衛(wèi)星的變軌問題，實際就是圓周運動中離心和向心的應用。因此我們需要弄清離心和向心運動。

　　一、離心和向心運動

　　做圓周運動時，需要的向心力F=mv2/r(m是物體的質(zhì)量，v是物體做圓周運動的線速度，r為做圓周運動的軌道半徑)，當提供的向心力F=mv2/r時，物體做圓周運動，而當F≠mv2/r時，則有下列兩種情況：

　　1.當提供的向心力F>mv2/r時，物體就做向心運動(即離圓心越來越近);2.當提供的向心力F　　二、人造地球衛(wèi)星工作原理

　　繞地球做勻速圓周運動的人造衛(wèi)星所需向心力由萬有引力提供，則可以確定衛(wèi)星線速度為v=、周期為T=2π、向心加速度為a=。當衛(wèi)星軌道半徑r確定后，與之對應各個運動參量也都是確定的。一旦衛(wèi)星發(fā)生變軌(即軌道半徑r發(fā)生變化)，上述物理量都將隨之變化。同理，只要上述物理量之一發(fā)生變化，另外幾個物理量也必將隨之變化。在高中物理中，我們會涉及到人造衛(wèi)星的兩種變軌問題。分別是軌道漸變和軌道突變，下面我們就來研究這兩種變軌問題。

　　三、衛(wèi)星軌道漸變

　　由于某個因素的影響(如空氣阻力或發(fā)動機噴氣)，使衛(wèi)星的軌道半徑發(fā)生緩慢的變化(可以是逐漸增大或逐漸減小)，由于半徑變化緩慢，衛(wèi)星每一周的運動仍可以看作是勻速圓周運動，但衛(wèi)星運動的各參量逐漸發(fā)生變化。

　　解決此類問題，首先要判斷這種變軌是離心還是向心(即軌道半徑是增大還是減小)，然后再判斷衛(wèi)星的其他相關(guān)物理量如何變化。

　　如人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動，無論軌道多高，都會受到稀薄大氣的阻力作用。衛(wèi)星就會自動變軌，偏離原來的圓周軌道，衛(wèi)星逐漸靠近地面，從而引起各個運動參量的變化。

　　由于這種變軌的起因是阻力，阻力對衛(wèi)星做負功，使衛(wèi)星速度減小，所需要的向心力減小了，而萬有引力大小沒有變，因此衛(wèi)星將做向心運動，即半徑r將減小。從而萬有引力做正功，且大于克服空氣阻力做的功，所以衛(wèi)星的動能增加，衛(wèi)星線速度v將增大，周期T將減小，向心加速度a將增大。

　　四、衛(wèi)星軌道突變

　　由于航天的需要，需要將衛(wèi)星送入高軌道運行，這就需要在適當?shù)奈恢枚虝r間啟動飛行器上的發(fā)動機，使飛行器軌道發(fā)生突變，使其到達預定的目標。

　　如發(fā)射同步衛(wèi)星時，通常先將衛(wèi)星發(fā)送到近地軌道Ⅰ，使其繞地球做勻速圓周運動，速率為v1，第一次在P點點火加速，在短時間內(nèi)將速率由v1增加到v2，使衛(wèi)星進入橢圓形的轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ;衛(wèi)星運行到遠地點Q時的速率為v3，此時進行第二次點火加速，在短時間內(nèi)將速率由v3增加到v4，使衛(wèi)星進入同步軌道Ⅲ，繞地球做勻速圓周運動。

　　第一次加速：衛(wèi)星需要的向心力增大了，但萬有引力沒變，因此衛(wèi)星將開始做離心運動，進入橢圓形的轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ，點火的過程就是化學能轉(zhuǎn)化為機械能的過程，速度迅速增加。衛(wèi)星開始變軌。

　　在轉(zhuǎn)移軌道上，衛(wèi)星從近地點P向遠地點Q運動過程，只受重力作用，由于機械能守恒，運動過程中需克服重力做功，重力勢能增加，動能減小，速度減小。在遠地點Q時如果不進行再次點火，衛(wèi)星將繼續(xù)沿橢圓軌道運行，從遠地點Q回到近地點P，不會自動進入同步軌道。這種情況下衛(wèi)星在Q點受到的萬有引力大于以速率v3沿同步軌道Q點運動所需要的向心力，因此衛(wèi)星做向心運動。

　　為使衛(wèi)星進入同步軌道，在衛(wèi)星運動到Q點時，必須再次啟動衛(wèi)星上的小火箭，短時間內(nèi)使衛(wèi)星的速率由v3增加到v4，使它所需要的向心力增大到和該位置的萬有引力相等，這樣就能使衛(wèi)星進入同步軌道Ⅲ而做勻速圓周運動。

　　五、與玻爾理論類比

　　人造衛(wèi)星繞地球做圓周運動的向心力由萬有引力提供，電子繞氫原子核做圓周運動的向心力由庫侖力提供。萬有引力和庫侖力都遵從平方反比率：F=和F=，因此關(guān)于人造衛(wèi)星的變軌和電子在氫原子各能級間的躍遷，分析方法是完全一樣的。(1)電子的不同軌道，對應著原子系統(tǒng)的不同能級E，E包括電子的動能Ek和系統(tǒng)的電勢能Ep，即E=Ek+Ep。(2)量子數(shù)n減小時，電子軌道半徑r減小，線速度v增大，周期T減小，向心加速度a增大，動能Ek增大，電勢能Ep減小，原子向相應的低能級躍遷，要釋放能量(輻射光子)，因此氫原子系統(tǒng)總能量E減小。由E=Ek+Ep可知，該過程Ep的減小量一定大于Ek的增加量。反之，量子數(shù)n增大時，電子軌道半徑r增大，線速度v減小，周期T增大，向心加速度a減小，動能Ek減小，電勢能Ep增大，原子向相應的高能級躍遷，要吸收能量(吸收光子)，因此氫原子系統(tǒng)總能量E增大。由E=Ek+Ep可知，該過程Ep的增加量一定大于Ek的減少量。

　　總之，處理衛(wèi)星變軌問題，關(guān)鍵是判斷離心還是向心運動，從而確定衛(wèi)星由較低的圓軌道進入較高的圓軌道，還是由高軌道進入低軌道，從而確定半徑變化情況。當增大軌道半徑，屬于離心運動，需要給衛(wèi)星增加能量，克服重力做功，增加重力勢能。但當衛(wèi)星進入高軌道運行，衛(wèi)星的各運動參量也隨之發(fā)生變化。反之，減小衛(wèi)星軌道半徑(減小軌道高度)，屬于向心運動，需要減小動能，重力做正功，重力勢能減小，但當衛(wèi)星進入低軌道運行，衛(wèi)星的各運動參量也隨之發(fā)生變化

　　參考文獻：

　　[1]甄學霞.衛(wèi)星變軌問題中幾個速度大小的比較[J]《物理教學探討》第29卷，總第421期，2011年第7期(上半月)

　　[2]韓靜波衛(wèi)星變軌問題的直觀認識和教學探討[J]《物理教師》，2011年第11期

　　小編推薦優(yōu)秀教育論文　教育教學論文淺析初中語文寫作教學模式

　　寫作是初中語文教學的一個重點、難點。教師可以從學生的作文中看出學其對語文知識掌握的程度，寫作水平的提高也有助于學生邏輯思維、情感表達能力的提高。本文分別對新課程背景下寫作教學模式改革的方向和課改對教師的要求兩個方面進行探析。