高三物理衛星追及相遇問題通常涉及到兩個或多個衛星在相同或不同軌道上運行,它們之間存在距離變化和速度變化。這類問題通常包括以下幾種類型:
1. 相遇問題:兩個衛星在相遇點時的速度、距離、加速度等物理量的關系。
2. 追及問題:一個衛星從高軌道向低軌道運動,或者從低軌道向高軌道變軌時,追上另一個衛星時的物理現象。
3. 相遇前后問題:兩個衛星相遇前和相遇后的運動情況,包括相遇前各自的運動軌跡、速度變化等,以及相遇后的運動狀態、位置關系等。
4. 多體問題:涉及到多個衛星的運動情況,需要考慮各個衛星之間的相互作用力和軌道變化。
解決這類問題需要掌握基本的物理規律和運動學公式,同時需要具備一定的空間想象力和計算能力。
題目:
在地球同步軌道上有兩顆衛星A和B,已知A比B離地心的距離稍遠一些。已知地球自轉周期為T,地球表面的重力加速度為g,地球半徑為R。求兩顆衛星在相遇前,它們之間的最遠距離和最近距離。
分析:
衛星在地球同步軌道上繞地球做勻速圓周運動,萬有引力提供向心力。根據牛頓第二定律和萬有引力定律可以求出衛星的線速度、周期等物理量。相遇問題需要用到運動的合成與分解。
解答:
設衛星A和B的質量分別為m1和m2,軌道半徑分別為r1和r2,線速度分別為v1和v2,周期分別為T1和T2。
根據萬有引力提供向心力,有:
Gm1m2/(r1+R)2 = m1v12/(r1+R)
Gm1m2/(r2-R)2 = m2v22/(r2-R)
其中地面表面重力加速度為g = GM/R2,可得:
v1 = sqrt((GM(r1+R))/r1)
v2 = sqrt((GM(r2-R))/r2)
根據開普勒第三定律有:
(r31/T21) = (r32/T22)
聯立以上各式可得:
T2 = (r2+R2)T2
所以衛星的周期為定值,不會發生相遇的情況。因此我們需要求出它們之間的最遠距離和最近距離。
最遠距離為:Lmax = 2π(r1+R) - r2
最近距離為:Lmin = 2π(r2-R) - r1
其中Lmax表示兩顆衛星最遠時的距離,Lmin表示兩顆衛星最近時的距離。
解得:Lmax = √((r2+R2)g2R2T2) - r2
Lmin = √((r2+R2)g2R2T2) - r1 - R
需要注意的是,由于衛星在同步軌道上做勻速圓周運動,它們的周期相同,因此它們之間的距離不會發生變化。它們之間的最遠距離和最近距離只取決于它們的初始位置和地球的自轉周期等因素。