《2019年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第四章 曲線運動 萬有引力與航天 專題強(qiáng)化五 地球同步衛(wèi)星 雙星或多星模型學(xué)案.doc》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《2019年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第四章 曲線運動 萬有引力與航天 專題強(qiáng)化五 地球同步衛(wèi)星 雙星或多星模型學(xué)案.doc(14頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
專題強(qiáng)化五 地球同步衛(wèi)星 雙星或多星模型
專題解讀1.本專題是萬有引力定律在天體運行中的特殊運用,同步衛(wèi)星是與地球(中心)相對靜止的衛(wèi)星;而雙星或多星模型有可能沒有中心天體,近年來常以選擇題形式在高考題中出現(xiàn).
2.學(xué)好本專題有助于學(xué)生加深萬有引力定律的靈活應(yīng)用,加深力和運動關(guān)系的理解.
3.需要用到的知識:牛頓第二定律、萬有引力定律、圓周運動規(guī)律等.
命題點一 地球同步衛(wèi)星
1.定義:相對于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星叫地球同步衛(wèi)星.
2.“七個一定”的特點:
(1)軌道平面一定:軌道平面與赤道平面共面.
(2)周期一定:與地球自轉(zhuǎn)周期相同,即T=24h.
(3)角速度一定:與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同.
(4)高度一定:由G=m(R+h)得地球同步衛(wèi)星離地面的高度h=3.6107m.
(5)速率一定:v==3.1103m/s.
(6)向心加速度一定:由G=ma得a==gh=0.23m/s2,即同步衛(wèi)星的向心加速度等于軌道處的重力加速度.
(7)繞行方向一定:運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同.
例1 (2016全國Ⅰ卷17)利用三顆位置適當(dāng)?shù)牡厍蛲叫l(wèi)星,可使地球赤道上任意兩點之間保持無線電通訊.目前,地球同步衛(wèi)星的軌道半徑約為地球半徑的6.6倍.假設(shè)地球的自轉(zhuǎn)周期變小,若仍僅用三顆同步衛(wèi)星來實現(xiàn)上述目的,則地球自轉(zhuǎn)周期的最小值約為( )
A.1h B.4h C.8h D.16h
答案 B
解析 地球自轉(zhuǎn)周期變小,衛(wèi)星要與地球保持同步,則衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期也應(yīng)隨之變小,由開普勒第三定律=k可知衛(wèi)星離地球的高度應(yīng)變小,要實現(xiàn)三顆衛(wèi)星覆蓋全球的目的,則衛(wèi)星周期最小時,由數(shù)學(xué)幾何關(guān)系可作出它們間的位置關(guān)系如圖所示.
衛(wèi)星的軌道半徑為r==2R
由=得=.
解得T2≈4h.
解決同步衛(wèi)星問題的“四點”注意
1.基本關(guān)系:要抓?。篏=ma=m=mrω2=mr.
2.重要手段:構(gòu)建物理模型,繪制草圖輔助分析.
3.物理規(guī)律:
(1)不快不慢:具有特定的運行線速度、角速度和周期.
(2)不高不低:具有特定的位置高度和軌道半徑.
(3)不偏不倚:同步衛(wèi)星的運行軌道平面必須處于地球赤道平面上,只能靜止在赤道上方的特定的點上.
4.重要條件:
(1)地球的公轉(zhuǎn)周期為1年,其自轉(zhuǎn)周期為1天(24小時),地球的表面半徑約為6.4103km,表面重力加速度g約為9.8m/s2.
(2)月球的公轉(zhuǎn)周期約27.3天,在一般估算中常取27天.
(3)人造地球衛(wèi)星的運行半徑最小為r=6.4103km,運行周期最小為T=84.8min,運行速度最大為v=7.9km/s.
1.(2016四川理綜3)國務(wù)院批復(fù),自2016年起將4月24日設(shè)立為“中國航天日”.如圖1所示,1970年4月24日我國首次成功發(fā)射的人造衛(wèi)星東方紅一號,目前仍然在橢圓軌道上運行,其軌道近地點高度約為440km,遠(yuǎn)地點高度約為2060km;1984年4月8日成功發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星運行在赤道上空35786km的地球同步軌道上.設(shè)東方紅一號在遠(yuǎn)地點的加速度為a1,東方紅二號的加速度為a2,固定在地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的加速度為a3,則a1、a2、a3的大小關(guān)系為( )
圖1
A.a(chǎn)2>a1>a3 B.a(chǎn)3>a2>a1
C.a(chǎn)3>a1>a2 D.a(chǎn)1>a2>a3
答案 D
解析 由于東方紅二號衛(wèi)星是同步衛(wèi)星,則其角速度和赤道上的物體角速度相等,根據(jù)a=ω2r,r2>r3,則a2>a3;由萬有引力定律和牛頓第二定律得,G=ma,由題目中數(shù)據(jù)可以得出,r1
a2>a3,選項D正確.
2.(2014天津3)研究表明,地球自轉(zhuǎn)在逐漸變慢,3億年前地球自轉(zhuǎn)的周期約為22小時.假設(shè)這種趨勢會持續(xù)下去,地球的其他條件都不變,未來人類發(fā)射的地球同步衛(wèi)星與現(xiàn)在的相比( )
A.距地面的高度變大 B.向心加速度變大
C.線速度變大 D.角速度變大
答案 A
解析 地球的自轉(zhuǎn)周期變大,則地球同步衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期變大.由=m(R+h),得h=-R,T變大,h變大,A正確.
由=ma,得a=,r增大,a減小,B錯誤.
由=,得v=,r增大,v減小,C錯誤.
由ω=可知,角速度減小,D錯誤.
3.(多選)地球同步衛(wèi)星離地心的距離為r,運行速率為v1,加速度為a1,地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2,地球的第一宇宙速度為v2,半徑為R,則下列比例關(guān)系中正確的是( )
A.= B.=()2
C.= D.=
答案 AD
解析 設(shè)地球的質(zhì)量為M,同步衛(wèi)星的質(zhì)量為m1,在地球表面繞地球做勻速圓周運動的物體的質(zhì)量為m2,根據(jù)向心加速度和角速度的關(guān)系有a1=ω12r,a2=ω22R,又ω1=ω2,故=,選項A正確;由萬有引力定律和牛頓第二定律得G=m1,G=m2,解得=,選項D正確.
命題點二 雙星或多星模型
1.雙星模型
(1)定義:繞公共圓心轉(zhuǎn)動的兩個星體組成的系統(tǒng),我們稱之為雙星系統(tǒng),如圖2所示.
圖2
(2)特點:
①各自所需的向心力由彼此間的萬有引力相互提供,即
=m1ω12r1,=m2ω22r2
②兩顆星的周期及角速度都相同,即
T1=T2,ω1=ω2
③兩顆星的半徑與它們之間的距離關(guān)系為:r1+r2=L
(3)兩顆星到圓心的距離r1、r2與星體質(zhì)量成反比,即=.
2.多星模型
(1)定義:所研究星體的萬有引力的合力提供做圓周運動的向心力,除中央星體外,各星體的角速度或周期相同.
(2)三星模型:
①三顆星位于同一直線上,兩顆環(huán)繞星圍繞中央星在同一半徑為R的圓形軌道上運行(如圖3甲所示).
②三顆質(zhì)量均為m的星體位于等邊三角形的三個頂點上(如圖乙所示).
圖3
(3)四星模型:
①其中一種是四顆質(zhì)量相等的恒星位于正方形的四個頂點上,沿著外接于正方形的圓形軌道做勻速圓周運動(如圖丙所示).
②另一種是三顆恒星始終位于正三角形的三個頂點上,另一顆位于中心O,外圍三顆星繞O做勻速圓周運動(如圖丁所示).
例2 (2015安徽理綜24)由三顆星體構(gòu)成的系統(tǒng),忽略其他星體對它們的作用,存在著一種運動形式,三顆星體在相互之間的萬有引力作用下,分別位于等邊三角形的三個頂點上,繞某一共同的圓心O在三角形所在的平面內(nèi)做相同角速度的圓周運動(圖4為A、B、C三顆星體質(zhì)量不相同時的一般情況).若A星體質(zhì)量為2m、B、C兩星體的質(zhì)量均為m,三角形的邊長為a,求:
圖4
(1)A星體所受合力大小FA;
(2)B星體所受合力大小FB;
(3)C星體的軌道半徑RC;
(4)三星體做圓周運動的周期T.
答案 (1)2G (2)G (3)a (4)π
解析 (1)由萬有引力定律,A星體所受B、C星體引力大小為FBA=G=G=FCA
方向如圖所示
則合力大小為FA=FBAcos30+FCAcos30=2G
(2)同上,B星體所受A、C星體引力大小分別為
FAB=G=G
FCB=G=G
方向如圖所示,
由余弦定理得合力為:
FB==G
(3)由于mA=2m,mB=mC=m
通過分析可知,圓心O在BC的中垂線AD的中點
則RC==a
(4)三星體運動周期相同,對C星體,由FC=FB=G=m()2RC,可得T=π.
4.(2013山東理綜20)雙星系統(tǒng)由兩顆恒星組成,兩恒星在相互引力的作用下,分別圍繞其連線上的某一點做周期相同的勻速圓周運動.研究發(fā)現(xiàn),雙星系統(tǒng)演化過程中,兩星的總質(zhì)量、距離和周期均可能發(fā)生變化.若某雙星系統(tǒng)中兩星做圓周運動的周期為T,經(jīng)過一段時間演化后,兩星總質(zhì)量變?yōu)樵瓉淼膋倍,兩星之間的距離變?yōu)樵瓉淼膎倍,則此時圓周運動的周期為( )
A.T B.T
C.T D.T
答案 B
解析 設(shè)兩恒星的質(zhì)量分別為m1、m2,距離為L,
雙星靠彼此的引力提供向心力,則有
G=m1r1
G=m2r2
并且r1+r2=L
解得T=2π
當(dāng)兩星總質(zhì)量變?yōu)樵瓉淼膋倍,兩星之間距離變?yōu)樵瓉淼膎倍時
T′=2π
=T
故選項B正確.
5.銀河系的恒星中大約四分之一是雙星.如圖5所示,某雙星由質(zhì)量不等的星體S1和S2構(gòu)成,兩星在相互之間的萬有引力作用下繞兩者連線上某一定點O做勻速圓周運動.由天文觀察測得它們的運動周期為T,若已知S1和S2的距離為r,引力常量為G,求兩星的總質(zhì)量M.
圖5
答案
解析 設(shè)星體S1、S2的質(zhì)量分別為m1、m2,運動的軌道半徑分別為R1、R2,則運動的角速度為ω=
根據(jù)萬有引力定律和向心力公式有
G=m1ω2R1=m2ω2R2
又R1+R2=r
聯(lián)立解得兩星的總質(zhì)量為
M=m1+m2=+==.
一、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星和赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體的比較
如圖6所示,a為近地衛(wèi)星,半徑為r1;b為同步衛(wèi)星,半徑為r2;c為赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體,半徑為r3.
圖6
近地衛(wèi)星
同步衛(wèi)星
赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體
向心力
萬有引力
萬有引力
萬有引力的一個分力
軌道半徑
r1r3=r1
角速度
由=mrω2得
ω=,故ω1>ω2
同步衛(wèi)星的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同,故ω2=ω3
ω1>ω2=ω3
線速度
由=得
v=,故v1>v2
由v=rω得v2>v3
v1>v2>v3
向心加速度
由=ma得a=,故a1>a2
由a=rω2得a2>a3
a1>a2>a3
二、衛(wèi)星追及相遇問題
典例 (多選)如圖7,三個質(zhì)點a、b、c的質(zhì)量分別為m1、m2、M(M遠(yuǎn)大于m1及m2),在c的萬有引力作用下,a、b在同一平面內(nèi)繞c沿逆時針方向做勻速圓周運動,已知軌道半徑之比為ra∶rb=1∶4,則下列說法中正確的有( )
圖7
A.a(chǎn)、b運動的周期之比為Ta∶Tb=1∶8
B.a(chǎn)、b運動的周期之比為Ta∶Tb=1∶4
C.從圖示位置開始,在b轉(zhuǎn)動一周的過程中,a、b、c共線12次
D.從圖示位置開始,在b轉(zhuǎn)動一周的過程中,a、b、c共線14次
答案 AD
解析 根據(jù)開普勒第三定律:周期的平方與半徑的三次方成正比,則周期之比為1∶8,A對;設(shè)圖示位置夾角為θ<,b轉(zhuǎn)動一周(圓心角為2π)的時間為t=Tb,則a、b相距最遠(yuǎn)時:Tb-Tb=(π-θ)+n2π(n=0,1,2,3,…),可知n<6.75,n可取7個值;a、b相距最近時:Tb-Tb=(2π-θ)+m2π(m=0,1,2,3,…),可知m<6.25,m可取7個值,故在b轉(zhuǎn)動一周的過程中,a、b、c共線14次,D對.
點評 某星體的兩顆衛(wèi)星之間的距離有最近和最遠(yuǎn)之分,但它們都處在同一條直線上,由于它們的軌道不是重合的,因此在最近和最遠(yuǎn)的相遇問題上不能通過位移或弧長相等來處理,而是通過衛(wèi)星運動的圓心角來衡量,若它們初始位置在同一直線上,實際上內(nèi)軌道所轉(zhuǎn)過的圓心角與外軌道所轉(zhuǎn)過的圓心角之差為π的整數(shù)倍時就是出現(xiàn)最近或最遠(yuǎn)的時刻,而本題中a、b、c三個質(zhì)點初始位置不在一條直線上,故在列式時要注意初始角度差.
題組1 同步衛(wèi)星
1.(多選)據(jù)報道,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)利用其定位、導(dǎo)航等功能加入到馬航MH370失聯(lián)客機(jī)搜救工作,為指揮中心調(diào)度部署人力、物力提供決策依據(jù),保證了搜救船只準(zhǔn)確抵達(dá)相關(guān)海域,幫助搜救船只規(guī)劃搜救航線,避免搜救出現(xiàn)遺漏海域,目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由高度均約為36000km的5顆靜止軌道衛(wèi)星和5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星以及高度約為21500km的4顆中軌道衛(wèi)星組網(wǎng)運行,下列說法正確的是( )
A.中軌道衛(wèi)星的周期比同步衛(wèi)星的周期大
B.所有衛(wèi)星均位于以地心為中心的圓形軌道上
C.同步衛(wèi)星和中軌道衛(wèi)星的線速度均小于第一宇宙速度
D.赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體的向心加速度比同步衛(wèi)星的向心加速度大
答案 BC
解析 由開普勒第三定律可知,軌道半徑較小的中軌道衛(wèi)星的周期比同步衛(wèi)星的周期小,A項錯;由題意知,北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道高度一定,因此衛(wèi)星均位于以地心為中心的圓形軌道上,B項正確;第一宇宙速度是衛(wèi)星繞地球的最大運行速度,C項正確;赤道上物體與同步衛(wèi)星的角速度相同,由a=ω2r可知,同步衛(wèi)星的向心加速度較大,D項錯.
2.如圖1所示,軌道Ⅰ是近地氣象衛(wèi)星軌道,軌道Ⅱ是地球同步衛(wèi)星軌道,設(shè)衛(wèi)星在軌道Ⅰ和軌道Ⅱ上都繞地心做勻速圓周運動,運行的速度大小分別是v1和v2,加速度大小分別是a1和a2,則( )
圖1
A.v1>v2 a1v2 a1>a2
C.v1a2
答案 B
解析 根據(jù)G=m=ma,可知v=,a=,所以v1>v2,a1>a2.選項B正確.
3.設(shè)地球的質(zhì)量為M,半徑為R,自轉(zhuǎn)周期為T,引力常量為G.“神舟九號”繞地球運行時離地面的高度為h,則“神舟九號”與“同步衛(wèi)星”各自所在軌道處的重力加速度的比值為( )
A. B.
C. D.
答案 C
解析 設(shè)“神舟九號”與“同步衛(wèi)星”各自所在軌道處的重力加速度分別為g神九、g同步,則m神九g神九=G,m同步g同步=G=,聯(lián)立可得=,故C正確.
4.“神舟八號”飛船繞地球做勻速圓周運動時,飛行軌道在地球表面的投影如圖2所示,圖中標(biāo)明了飛船相繼飛臨赤道上空所對應(yīng)的地面的經(jīng)度.設(shè)“神舟八號”飛船繞地球飛行的軌道半徑為r1,地球同步衛(wèi)星飛行軌道半徑為r2.則r13∶r23等于( )
圖2
A.1∶24 B.1∶156
C.1∶210 D.1∶256
答案 D
解析 從圖象中可以看出,飛船每運行一周,地球自轉(zhuǎn)22.5,故飛船的周期為T1=24h=1.5h,同步衛(wèi)星的周期為24h,由開普勒第三定律可得==()2=,故選D.
題組2 雙星、多星模型
5.(多選)宇宙間存在一些離其他恒星較遠(yuǎn)的三星系統(tǒng),其中有一種三星系統(tǒng)如圖3所示,三顆質(zhì)量均為m的星位于等邊三角形的三個頂點,三角形邊長為R,忽略其他星體對它們的引力作用,三星在同一平面內(nèi)繞三角形中心O做勻速圓周運動,萬有引力常量為G,則( )
圖3
A.每顆星做圓周運動的線速度為
B.每顆星做圓周運動的角速度為
C.每顆星做圓周運動的周期為2π
D.每顆星做圓周運動的加速度與三星的質(zhì)量無關(guān)
答案 ABC
解析 由圖可知,每顆星做勻速圓周運動的半徑r==R.由牛頓第二定律得2cos30=m=mω2r=mr=ma,可解得v=,ω=,T=2π,a=,故A、B、C均正確,D錯誤.
6.2016年2月11日,美國科學(xué)家宣布探測到引力波的存在,引力波的發(fā)現(xiàn)將為人類探索宇宙提供新視角,這是一個劃時代的發(fā)現(xiàn).在如圖4所示的雙星系統(tǒng)中,A、B兩個恒星靠著相互之間的引力正在做勻速圓周運動,已知恒星A的質(zhì)量為太陽質(zhì)量的29倍,恒星B的質(zhì)量為太陽質(zhì)量的36倍,兩星之間的距離L=2105m,太陽質(zhì)量M=21030kg,引力常量G=6.6710-11Nm2/kg2,π2=10.若兩星在環(huán)繞過程中會輻射出引力波,該引力波的頻率與兩星做圓周運動的頻率具有相同的數(shù)量級,則根據(jù)題目所給信息估算該引力波頻率的數(shù)量級是( )
圖4
A.102Hz B.104Hz
C.106Hz D.108Hz
答案 A
解析 A、B的周期相同,角速度相等,靠相互之間的引力提供向心力,
有G=MArA ①
G=MBrB ②
有MArA=MBrB,rA+rB=L,
解得rA=L=L=L.
由①得T=,
則f===Hz≈1.6102Hz.
7.經(jīng)過用天文望遠(yuǎn)鏡長期觀測,人們在宇宙中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多雙星系統(tǒng),通過對它們的研究,使我們對宇宙中物質(zhì)的存在形式和分布情況有了較深刻的認(rèn)識,雙星系統(tǒng)由兩個星體組成,其中每個星體的線度都遠(yuǎn)小于兩星體之間的距離,一般雙星系統(tǒng)距離其他星體很遠(yuǎn),可以當(dāng)成孤立系統(tǒng)來處理.現(xiàn)根據(jù)對某一雙星系統(tǒng)的測量確定,該雙星系統(tǒng)中每個星體的質(zhì)量都是M,兩者相距L,它們正圍繞兩者連線的中點做圓周運動.
(1)計算出該雙星系統(tǒng)的運動周期T;
(2)若該實驗中觀測到的運動周期為T觀測,且T觀測∶T=1∶(N>1).為了理解T觀測與T的不同,目前有一種流行的理論認(rèn)為,在宇宙中可能存在一種望遠(yuǎn)鏡觀測不到的暗物質(zhì).作為一種簡化模型,我們假定在以這兩個星體連線為直徑的球體內(nèi)均勻分布這種暗物質(zhì).若不考慮其他暗物質(zhì)的影響,根據(jù)這一模型和上述觀測結(jié)果確定該星系間這種暗物質(zhì)的密度.
答案 (1)πL (2)
解析 (1)雙星均繞它們連線的中點做圓周運動,萬有引力提供向心力,則G=M2,解得T=πL.
(2)N>1,根據(jù)觀測結(jié)果,星體的運動周期為T觀測=T
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2019年高考物理一輪復(fù)習(xí)
第四章
曲線運動
萬有引力與航天
專題強(qiáng)化五
地球同步衛(wèi)星
雙星或多星模型學(xué)案
2019
年高
物理
一輪
復(fù)習(xí)
第四
萬有引力
航天
專題
強(qiáng)化
地球
同步衛(wèi)星
雙星
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