《物理新增分大一轮新高考（京津鲁琼）课件：第四章 曲线运动 万有引力与航天 专题强化五 .pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理新增分大一轮新高考（京津鲁琼）课件：第四章 曲线运动 万有引力与航天 专题强化五 .pptx（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、专题强化五 天体运动的 三类热点 问题 第四章 曲线运动 万有引力与航天 1 本专题是万有引力定律在天体运行中的特殊运用 同步卫星是与地球表 面相对静止的卫星 而双星或多星模型有可能没有中心天体 近年来常以 选择题形式在高考题中出现 2 学好本专题有助于学生更加灵活地应用万有引力定律 加深对力和运动 关系的理解 3 需要用到的知识 牛顿第二定律 万有引力定律 圆周运动规律等 专题解读 NEIRONGSUOYIN 内容索引 过好双基关 研透命题点 课时作业 回扣基础知识 训练基础题目 细研考纲和真题 分析突破命题点 限时训练 练规范 练速度 过好双基关 一 卫星的轨道 1 赤道轨道 卫星的轨道在
2、 平面内 同步卫星就是其中的一种 2 极地轨道 卫星的轨道过南 北两极 即在 赤道的平面内 如极地 气象卫星 3 其他轨道 除以上两种轨道外的卫星轨道 所有卫星的轨道平面一定通过地球的 赤道 垂直于 球心 自测1 多选 可以发射一颗这样的人造地球卫星 使其圆轨道 A 与地球表面上某一纬线 非赤道 是共面同心圆 B 与地球表面上某一经线所决定的圆是共面同心圆 C 与地球表面上的赤道线是共面同心圆 且卫星相对地球表面是静止的 D 与地球表面上的赤道线是共面同心圆 但卫星相对地球表面是运动的 解析 人造地球卫星运行时 由于地球对卫星的引力提供它做圆周运动的向心 力 而这个力的方向必定指向圆心 即指向
3、地心 也就是说人造地球卫星所在 轨道圆的圆心一定要和地球的中心重合 不可能是地轴上 除地心外 的某一点 故A错误 由于地球同时绕着地轴在自转 所以卫星的轨道平面也不可能和经线所决定的 平面共面 所以B错误 相对地球表面静止的卫星就是地球的同步卫星 它必须在赤道平面内 且距地 面有确定的高度 这个高度约为三万六千千米 而低于或高于这个轨道的卫星 也可以在赤道平面内运动 不过由于它们公转的周期和地球自转周期不同 就 会相对于地面运动 C D正确 二 地球同步卫星的特点 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星 同步卫星 有以下 七个一定 的特点 1 轨道平面一定 轨道平面与 共面
4、 2 周期一定 与地球自转周期 即T 3 角速度一定 与地球自转的角速度 4 高度一定 由G m R h 得地球同步卫星离地面的高度h 3 6 107 m 24 h 赤道平面 相同 相同 5 速率一定 v 3 1 103 m s 6 向心加速度一定 由G man得an gh 0 23 m s2 即同步卫星的向 心加速度等于轨道处的重力加速度 7 绕行方向一定 运行方向与地球自转方向 一致 自测2 2018 河南省鹤壁市第二次段考 已知某行星半径为R 以第一宇宙速 度围绕该行星运行的卫星的绕行周期为T 围绕该行星运动的同步卫星运行速 率为v 则该行星的自转周期为 解析 设同步卫星距地面的高度为h
5、 三 卫星变轨 1 当卫星的速度突然增大时 G m 即万有引力不足以提供向心力 卫 星将做 运动 脱离原来的圆轨道 轨道半径变大 当卫星进入新的轨道稳 定运行时 由v 可知其运行速度比原轨道运行时的小 但重力势能 机 械能均 2 当卫星的速度突然减小时 G m 即万有引力大于所需要的向心力 卫星将做 运动 脱离原来的圆轨道 轨道半径变小 当卫星进入新的轨道 稳定运行时 由v 可知其运行速度比原轨道运行时的大 但重力势能 机械能均 增加 近心 减小 自测3 2018 安徽省江南十校冲刺联考 现对于发射地球同步卫星的过程分析 如图1所示 卫星首先进入椭圆轨道 P点是轨道 上的近地点 然后在Q 点通
6、过改变卫星速度 让卫星进入地球同步轨道 则 A 卫星在同步轨道 上的运行速度大于第一宇宙速度7 9 km s B 该卫星的发射速度必定大于第二宇宙速度11 2 km s C 在轨道 上 卫星在P点的速度大于第一宇宙速度7 9 km s D 在轨道 上 卫星在Q点的速度大于第一宇宙速度7 9 km s 图1 该卫星为地球的卫星 所以发射速度小于第二宇宙速度 B错误 P点为近地轨道上的一点 但要从近地轨道变轨到 轨道 则需要在P点加速 所以卫星在P点的速度大于第一宇宙速度 C正确 在Q点要从轨道 变轨到轨道 则需要在Q点加速 即卫星在轨道 上经过Q 点的速度大于在轨道 上经过Q点的速度 而轨道 上
7、的速度小于第一宇宙速 度 故卫星在轨道 上经过Q点时的速度小于第一宇宙速度 D错误 研透命题点 1 解决同步卫星问题的 四点 注意 命题点一 近地卫星 同步卫星和赤道上物体的运行问题 2 重要手段 构建物理模型 绘制草图辅助分析 3 物理规律 不快不慢 具有特定的运行线速度 角速度和周期 不高不低 具有特定的位置高度和轨道半径 不偏不倚 同步卫星的运行轨道平面必须处于地球赤道平面上 只能静止在 赤道上方的特定的点上 4 重要条件 地球的公转周期为1年 其自转周期为1天 24小时 地球半径约为 6 4 103 km 地球表面重力加速度g约为9 8 m s2 月球的公转周期约27 3天 在一般估算
8、中常取27天 人造地球卫星的运行半径最小为r 6 4 103 km 运行周期最小为T 84 8 min 运行速度最大为v 7 9 km s 2 两个向心加速度 卫星绕地球运行的向心加速度物体随地球自转的向心加速度 产生原因由万有引力产生 由万有引力的一个分力 另一分力 为重力 产生 方向指向地心垂直且指向地轴 大小a 地面附近a近似等于g a r 2 r为地面上某点到地轴的 距离 为地球自转的角速度 特点 随卫星到地心的距离的增大 而减小 从赤道到两极逐渐减小 3 两种周期 1 自转周期是天体绕自身某轴线转动一周所需的时间 取决于天体自身转动的 快慢 2 公转周期是运行天体绕中心天体做圆周运动
9、一周所需的时间 T 2 取决于中心天体的质量和运行天体到中心天体的距离 例1 2019 江西省鹰潭市模拟 有a b c d四颗卫星 a还未发射 在地球赤 道上随地球一起转动 b在地面附近近地轨道上正常运行 c是地球同步卫星 d是高空探测卫星 设地球自转周期为24 h 所有卫星的运动均视为匀速圆周运 动 各卫星排列位置如图2所示 则下列关于卫星的说法中正确的是 A a的向心加速度等于重力加速度g B c在4 h内转过的圆心角为 C b在相同的时间内转过的弧长最长 D d的运动周期可能是23 h 图2 解析 同步卫星的运行周期与地球自转周期相同 角速度相同 则a和c的角速 度相同 根据a 2r知
10、c的向心加速度大 由 ma知 c的向心加速度小 于b的向心加速度 而b的向心加速度约为g 故a的向心加速度小于重力加速度 g 选项A错误 由于c为同步卫星 所以c的周期为24 h 因此4 h内转过的圆心角为 选项B 错误 由四颗卫星的运行情况可知 b运行的线速度是最大的 所以其在相同的时间 内转过的弧长最长 选项C正确 d的运行周期比c要长 所以其周期应大于24 h 选项D错误 变式1 如图3所示 1970年4月24日我国首次成功发射的人造卫星 东方红一 号 目前仍然在椭圆轨道上运行 其轨道近地点高度约为440 km 远地点高 度约为2 060 km 1984年4月8日成功发射的 东方红二号
11、卫星运行在赤道上 空35 786 km的地球同步轨道上 设 东方红一号 在远地点的加速度为a1 东方红二号 的加速度为a2 固定在地球赤道上的物体随地球自转的加速度为 a3 则a1 a2 a3的大小关系为 A a2 a1 a3 B a3 a2 a1 C a3 a1 a2 D a1 a2 a3 图3 解析 由于 东方红二号 卫星是同步卫星 则其角速度和赤道上的物体角速 度相等 根据a 2r r2 r3 则a2 a3 由万有引力定律和牛顿第二定律得 G ma 由题目中数据可以得出 r1 r2 则a2a2 a3 选项D正确 变式2 2019 福建省南平市第一次质检 如图4所示是北斗导航系统中部分卫星
12、 的轨道示意图 已知a b c三颗卫星均做圆周运动 a是地球同步卫星 a和b 的轨道半径相同 且均为c的k倍 已知地球自转周期为T 则 A 卫星b也是地球同步卫星 B 卫星a的向心加速度是卫星c的向心加速度的k2倍 C 卫星c的周期为 T D a b c三颗卫星的运行速度大小关系为va vb vc 图4 解析 卫星b相对地球不能保持静止 故不是地球同步卫星 A错误 1 变轨原理及过程 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 上 如图5所示 2 在A点 近地点 点火加速 由于速度变大 万有引力不足 以提供卫星在轨道 上做圆周运动的向心力 卫星做离心 运动进入椭圆轨道 3 在
13、B点 远地点 再次点火加速进入圆形轨道 命题点二 卫星变轨问题 图5 2 变轨过程各物理量分析 1 速度 设卫星在圆轨道 和 上运行时的速率分别为v1 v3 在轨道 上过 A点和B点时速率分别为vA vB 在A点加速 则vA v1 在B点加速 则v3 vB 又 因v1 v3 故有vA v1 v3 vB 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 还是轨道 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 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 k可知T1 T2 T3 4 机械能 在一个确
14、定的圆 椭圆 轨道上机械能守恒 若卫星在 轨道 的机械能分别为E1 E2 E3 则E1 E2 T T B 飞船在轨道 上的机械能大于在轨道 上的机械能 C 飞船在P点从轨道 变轨到轨道 需要在P点朝速度方向 喷气 D 若轨道 贴近火星表面 已知飞船在轨道 上运动的角速度 可以推知火星 的密度 图7 解析 根据开普勒第三定律 k可知 飞船在轨道上运动时 运行的周期T T T 选项A正确 飞船在P点从轨道 变轨到轨道 需要在P点朝速度方向喷气 从而使飞船 减速到达轨道 则在轨道 上机械能小于在轨道 的机械能 选项B错误 C正确 根据G m 2R以及M R3 解得 即若轨道 贴近火星表面 已 知飞船
15、在轨道 上运动的角速度 可以推知火星的密度 选项D正确 变式4 多选 2018 河南省南阳 信阳等六市二模 若 嫦娥四号 从距月面高 度为100 km的环月圆形轨道 上的P点实施变轨 进入近月点为15 km的椭圆轨 道 由近月点Q落月 如图8所示 关于 嫦娥四号 下列说法正确的是 A 沿轨道 运动至P时 需制动减速才能进入轨道 B 沿轨道 运行的周期大于沿轨道 运行的周期 C 沿轨道 运行时 在P点的加速度大于在Q点的加速度 D 在轨道 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 图8 解析 要使 嫦娥四号 从环月圆形轨道 上的P点实施变轨进入椭圆
16、轨道 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 运行的周期小于沿轨道 运行的周期 B错误 万有引力使物体产生加速度 沿轨道 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 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 1 双星模型 1 定义 绕公共圆心转动的两个星体组成的系统 我们称之为双星系统 如 图9所示 2 特点 各自所需的向心力由彼此间的万有引力提供 即 命题点三 双星或多星模型 图9 两颗星的周期及角速度都相同 即 T1 T2 1 2 两颗星的半径与它们之间的距离关系为 r1 r2 L 两颗星到圆心的距离r1 r2与星体质量成反比 即 双星的运动周期T 2 双星的总质量m1 m2 2 多星模型 1 定义 所研究星体的万有引力的合力提供做圆周运动的向心力 除中央星 体外 各星体的角速度或周期相同 图10 2 三星模型 三颗星体位于同一直线上 两颗质量 相等的环绕星围绕中央星在同一半径为 R的圆形轨道上运行 如图10甲所示 三颗质量均为m的星体位于等边三角 形
