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1、高中物理双星问题和卫星变轨考点归纳考点1：双星问题 一、 要明确双星中两颗子星做匀速圆周运动的向心力来源双星中两颗子星互相绕着旋转可看作匀速圆周运动，其向心力由两恒星间的万有引力提供。由于力的作用是互相的，所以两子星做圆周运动的向心力大小是相等的，运用万有引力定律可以求得其大小。二、 要明确双星中两颗子星匀速圆周运动的运动参量的关系两子星绕着连线上的一点做圆周运动，所以它们的运动周期是相等的，角速度也是相等的，所以线速度与两子星的轨道半径成正比。三、 要明确两子星圆周运动的动力学关系。M1M212Lr1r2设双星的两子星的质量分别为M1和M2，相距L，M1和M2的线速度分别为v1和v2，角速度
2、分别为1和2，由万有引力定律和牛顿第二定律得：M1：M2：在这里要特别注意的是在求两子星间的万有引力时两子星间的距离不能代成了两子星做圆周运动的轨道半径。四、“双星”问题的分析思绪质量m1，m2；球心间距离L；轨道半径 r1 ，r2 ；周期T1，T2 ；角速度1，2 线速度V1 V2；周期相同：（参考同轴转动问题） T1=T2角速度相同：（参考同轴转动问题）1 =2向心力相同：Fn1=Fn2（由于在双星运动问题中，忽略其他星体引力的情况下向心力由双星彼此间万有引力提供，可理解为一对作用力与反作用力）轨道半径之比与双星质量之比相反：（由向心力相同推导）r1：r2=m2：m1m12r1=m22r2
3、m1r1=m2r2 r1:r2=m2:m1线速度之比与质量比相反：（由半径之比推导）V1:V2=m2:m1 V1=r1 V2=r2V1:V2=r1:r2=m2:m1两颗质量可以相比的恒星互相绕着旋转的现象，叫双星。双星问题是万有引力定律在天文学上的应用的一个重要内容，现就这类问题的解决作简要分析。考点2：卫星变轨一、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拟定后，与之相应的卫星线速度、周期、向心加速度也都是拟定的。假如卫星的质量也拟定，那么与轨道半径r相应的卫星的动能Ek（由线速度大小决定）、重力势能Ep（由卫星高度决定）和总机械能E机（由能量转换情况
4、决定）也是拟定的。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，只要上述七个物理量之一发生变化，此外六个也必将随之变化。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，一方面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。假如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
5、应具有的速度），卫星就会自动变轨，偏离本来的圆周轨道，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，所需要的向心力减小了，而万有引力大小没有变，因此卫星将做向心运动，即半径r将减小。由中结论可知：卫星线速度v将增大，周期T将减小，向心加速度a将增大，动能Ek将增大，势能Ep将减小，该过程有部分机械能转化为内能（摩擦生热），因此卫星机械能E机将减小。为什么卫星克服阻力做功，动能反而增长了呢？这是由于一旦轨道半径减小，在卫星克服阻力做功的同时，万有引力（即重力）将对卫星做正功。并且万有引力做的正功远大于克服大气阻力做的功，外力对卫星做的总功是正的，因此卫星动
6、能增长。根据E机=Ek+Ep，该过程重力势能的减少总是大于动能的增长。再如：有一种宇宙学的理论认为在漫长的宇宙演化过程中，引力常量G是逐渐减小的。假如这个结论对的，那么恒星、行星将发生离心现象，即恒星到星系中心的距离、行星到恒星间的距离都将逐渐增大，宇宙将膨胀。v2v3v4v1QP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，使其到达预定的目的。如：发射同步卫星时，通常先将卫星发送到近地轨道，使其绕地球做匀速圆周运动，速率为v1，第一次在P点点火加速，在短时间内将速率由v1增长到v2，使卫星进入椭圆形的转移轨道；卫星运营到远地点Q时的速率为v3，
7、此时进行第二次点火加速，在短时间内将速率由v3增长到v4，使卫星进入同步轨道，绕地球做匀速圆周运动。第一次加速：卫星需要的向心力增大了，但万有引力没变，因此卫星将开始做离心运动，进入椭圆形的转移轨道。点火过程有化学能转化为机械能，卫星的机械能增大。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，机械能守恒。重力做负功，重力势能增长，动能减小。在远地点Q时假如不进行再次点火，卫星将继续沿椭圆轨道运营，从远地点Q回到近地点P，不会自动进入同步轨道。这种情况下卫星在Q点受到的万有引力大于以速率v3沿同步轨道运动所需要的向心力，因此卫星做向心运动。为使卫星进入同步轨道，在卫星运动到Q点时必
8、须再次启动卫星上的小火箭，短时间内使卫星的速率由v3增长到v4，使它所需要的向心力增大到和该位置的万有引力相等，这样就能使卫星进入同步轨道而做匀速圆周运动。该过程再次启动火箭加速，又有化学能转化为机械能，卫星的机械能再次增大。结论是：要使卫星由较低的圆轨道进入较高的圆轨道，即增大轨道半径（增大轨道高度h），一定要给卫星增长能量。与在低轨道时比较，卫星在同步轨道上的动能Ek减小了，势能Ep增大了，机械能E机也增大了。增长的机械能由化学能转化而来。四、与玻尔理论类比人造卫星绕地球做圆周运动的向心力由万有引力提供，电子绕氢原子核做圆周运动的向心力由库仑力提供。万有引力和库仑力都遵从平方反比率：和，因
9、此关于人造卫星的变轨和电子在氢原子各能级间的跃迁，分析方法是完全同样的。电子的不同轨道，相应着原子系统的不同能级E，E涉及电子的动能Ek和系统的电势能Ep，即E=Ek+Ep。量子数n减小时，电子轨道半径r减小，线速度v增大，周期T减小，向心加速度a增大，动能Ek增大，电势能Ep减小，原子向相应的低能级跃迁，要释放能量（辐射光子），因此氢原子系统总能量E减小。由E=Ek+Ep可知，该过程Ep的减小量一定大于Ek的增长量。反之，量子数n增大时，电子轨道半径r增大，线速度v减小，周期T增大，向心加速度a减小，动能Ek减小，电势能Ep增大，原子向相应的高能级跃迁，要吸取能量（吸取光子），因此氢原子系统
10、总能量E增大。由E=Ek+Ep可知，该过程Ep的增长量一定大于Ek的减少量。典型例题【例题1】两颗靠得很近的天体称为双星，它们都绕两者连线上某点做匀速圆周运动，因而不至于由于万有引力而吸引到一起，以下说法中对的的是：A、它们做圆周运动的角速度之比与其质量成反比。B、它们做圆周运动的线速度之比与其质量成反比。C、它们做圆周运动的半径与其质量成正比。D、它们做圆周运动的半径与其质量成反比。解析：两子星绕连线上的某点做圆周运动的周期相等，角速度也相等。由v=r得线速度与两子星圆周运动的半径是成正比的。由于两子星圆周运动的向心力由两子星间的万有引力提供，向心力大小相等，由，可知：，所以它们的轨道半径与
11、它们的质量是成反比的。而线速度又与轨道半径成正比，所以线速度与它们的质量也是成反比的。对的答案为：BD。【例题2】用天文望远镜长期观测，人们在宇宙中发现了许多双星系统，通过对它们的研究，使我们对宇宙中物质存在的形式和分布有了较深刻的结识，双星系统是由两个星体构成，其中每个星体的线度都小于两星体间的距离，一般双星系统距离其它星体很远，可以当做孤立系统解决，现根据对某一双星系统的光度学测量拟定，该双星系统中每个星体的质量都是M，两者相距L，它们正围绕两者连线的中点做圆周运动。（1）计算该双星系统的运动周期T计算。（2）若实验上观测到的运动周期为T观测，且T观测：T计算=1： (N1)，为了解释T观
12、测与T计算的不同，目前有一种流行的理论认为，在宇宙中也许存在一种望远镜观测不到的暗物质，作为一种简化模型，我们假定在这两个星体边线为直径的球体内均匀分布着暗物质，而不考虑其它暗物质的影响，试根据这一模型和上述观测结果拟定该星系间这种暗物质的密度。解析：（1）双星绕它们的连线中点做圆周运动，由万有引力提供向心力，根据万有引力和牛顿第二定律得：，而。解得：。（2）由于，这个差异是以双星连线为直径的球体内均匀分布着的暗物质引起的，设这种暗物质质量为M，位于两星连线中点处的质点对双星的影响相同，这时双星做圆周运动的向心力由双星的万有引力和M对双星的万有引力提供，所以有：，又解得暗物质的质量为：而暗物质
13、的体积为：所以暗物质的密度为：epq1如图，地球赤道上山丘e，近地资源卫星p和同步通信卫星q均在赤道平面上绕地球做匀速圆周运动。设e、p、q的圆周运动速率分别为v1、v2、v3，向心加速度分别为a1、a2、a3，则 Av1v2v3 Bv1v2a2a3 Da1a3a22据报道，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”绕月飞行器的圆形工作轨道距月球表面分别约为200km和100km，运营速率分别为v1和v2。那么，v1和v2的比值为（月球半径取1700km）A B C D 3我国成功实行了“神舟”七号载入航天飞行并实现了航天员初次出舱。飞船先沿椭圆轨道飞行，后在远地点343千米处点火加速，由椭圆轨道变成高度为3
14、43千米的圆轨道，在此圆轨道上飞船运营周期约为90分钟。下列判断对的的是A飞船变轨前后的机械能相等 B飞船在圆轨道上时航天员出舱前后都处在超重状态 C飞船在此圆轨道上运动的角速度大于同步卫星运动的角速度 D飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时的加速度大于变轨后沿圆轨道运动的加速度42023年2月11日，俄罗斯的“宇宙2251”卫星和美国“铱33”卫星在西伯利亚上空约805km处发生碰撞。这是历史上初次发生的完整在轨卫星碰撞事件。碰撞过程中产生的大量碎片也许会影响太空环境。假定有甲、乙两块碎片，绕地球运动的轨道都是圆，甲的运营速率比乙的大，则下列说法中对的的是 A甲的运营周期一定比乙的长 B甲距地面的
15、高度一定比乙的高C甲的向心力一定比乙的小 D甲的加速度一定比乙的大5“嫦娥一号”月球探测器在围绕月球运营过程中，设探测器运营的轨道半径为r，运营速率为v，当探测器在飞越月球上一些环形山中的质量密集区上空时 Ar、v都将略为减小 Br、v都将保持不变Cr将略为减小，v将略为增大 D r将略为增大，v将略为减小6近地人造卫星1和2绕地球做匀速圆周运动的周期分别为T1和T2。设在卫星l、卫星2各自所在的高度上的重力加速度大小分别为g1、g2，则 A B C D lg(T/T0)lg(R/R0)O123123lg(T/T0)lg(R/R0)O123123lg(T/T0)lg(R/R0)O123123lg(T/T0)lg(R/R0)O1
