《（浙江專用）2018-2019學(xué)年高中物理 第六章 萬有引力與航天 第6節(jié) 習(xí)題課 天體運(yùn)動(dòng)學(xué)案 新人教版必修2.doc》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《（浙江專用）2018-2019學(xué)年高中物理 第六章 萬有引力與航天 第6節(jié) 習(xí)題課 天體運(yùn)動(dòng)學(xué)案 新人教版必修2.doc（12頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
第6節(jié) 習(xí)題課 天體運(yùn)動(dòng)
[學(xué)考報(bào)告]
知識(shí)內(nèi)容
天體運(yùn)動(dòng)
考試要求
學(xué)考
選考
c
c
基本要求
1.掌握解決天體運(yùn)動(dòng)問題的思路和方法
2.理解赤道物體、同步衛(wèi)星和近地衛(wèi)星的區(qū)別
3.會(huì)分析衛(wèi)星(或飛船)的變軌問題
發(fā)展要求
掌握雙星的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其問題的分析
[基 礎(chǔ) 梳 理]
1.一種模型
無論自然天體(如地球)還是人造天體(如宇宙飛船)都可以看做質(zhì)點(diǎn)，圍繞中心天體(視為靜止)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
2.兩條思路
(1)在中心天體表面或附近時(shí)，萬有引力近似等于重力，即G＝mg(g表示天體表面的重力加速度)，此式兩個(gè)用途：①GM＝gR2，稱為黃金代換法；②求g＝，從而把萬有引力定律與運(yùn)動(dòng)學(xué)公式相結(jié)合解題。
(2)天體運(yùn)動(dòng)的向心力來源于中心天體的萬有引力，即G＝m＝mrω2＝mr＝man。
[典 例 精 析]
【例1】 地球半徑為R0，地面重力加速度為g，若衛(wèi)星在距地面R0處做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則( )
A.衛(wèi)星速度為 B.衛(wèi)星的角速度為
C.衛(wèi)星的加速度為 D.衛(wèi)星周期為2π
解析 由＝man＝m＝mω2(2R0)＝m(2R0)及GM＝gR，可得衛(wèi)星的向心加速度an＝，角速度ω＝，線速度v＝，周期T＝2π，所以A、C、D錯(cuò)誤，B正確。
答案 B
[基 礎(chǔ) 梳 理]
1.三個(gè)物體
求解衛(wèi)星運(yùn)行問題時(shí)，一定要認(rèn)清三個(gè)物體(赤道上的物體、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星)之間的關(guān)系。
比較內(nèi)容
赤道表面的物體
近地衛(wèi)星
同步衛(wèi)星
向心力來源
萬有引力的分力
萬有引力
向心力方向
指向地心
重力與萬有引力的關(guān)系
重力略小于萬有引力
重力等于萬有引力
線速度
v1＝ω1R
v2＝
v3＝ω3(R＋h)
＝
v1
v2>v3 B.v1a2>a3 D.a1v1＝ωr1，選項(xiàng)A、B均錯(cuò)誤；由G＝ma，得a＝，同步衛(wèi)星q的軌道半徑大于近地資源衛(wèi)星p的軌道半徑，可知q的向心加速度a3m，即萬有引力大于所需要的向心力，衛(wèi)星將做近心運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星的發(fā)射和回收就是利用這一原理。
3.衛(wèi)星到達(dá)橢圓軌道與圓軌道的公切點(diǎn)時(shí)，衛(wèi)星受到的萬有引力相同，所以加速度相同。
4.飛船對(duì)接問題：兩飛船實(shí)現(xiàn)對(duì)接前應(yīng)處于高低不同的兩軌道上，目標(biāo)船處于較高軌道，在較低軌道上運(yùn)動(dòng)的對(duì)接船通過合理地加速，做離心運(yùn)動(dòng)而追上目標(biāo)船與其完成對(duì)接。
[典 例 精 析]
【例3】 2013年5月2日凌晨0時(shí)06分，我國(guó)“中星11號(hào)”通信衛(wèi)星發(fā)射成功?！爸行?1號(hào)”是一顆地球同步衛(wèi)星，它主要用于為亞太地區(qū)等區(qū)域用戶提供商業(yè)通信服務(wù)。如圖2為發(fā)射過程的示意圖，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后經(jīng)點(diǎn)火，使其沿橢圓軌道2運(yùn)行，最后再一次點(diǎn)火，將衛(wèi)星送入同步圓軌道3。軌道1、2相切于Q點(diǎn)，軌道2、3相切于P點(diǎn)，則當(dāng)衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運(yùn)行時(shí)，以下說法正確的是( )
圖2
A.衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率
B.衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度
C.衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)的速度大于它在軌道2上經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)的速度
D.衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的速度大于它在軌道3上經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的速度
解析 衛(wèi)星在圓軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)有：
G＝m，v＝，因?yàn)閞1＜r3，所以v1＞v3，由ω＝得ω1＞ω3。在Q點(diǎn)，衛(wèi)星沿著圓軌道1運(yùn)行與沿著橢圓軌道2運(yùn)行時(shí)所受的萬有引力相等，在圓軌道1上引力剛好等于向心力，即F＝。而在橢圓軌道2上衛(wèi)星做離心運(yùn)動(dòng)，說明引力不足以提供衛(wèi)星以v2速率運(yùn)行時(shí)所需的向心力，即F＜，所以v2＞v1。衛(wèi)星在橢圓軌道2上運(yùn)行到遠(yuǎn)地點(diǎn)P時(shí)，根據(jù)機(jī)械能守恒可知此時(shí)的速率v2′＜v2，在P點(diǎn)衛(wèi)星沿橢圓軌道2運(yùn)行與沿著圓軌道3運(yùn)行時(shí)所受的地球引力也相等，但是衛(wèi)星在橢圓軌道2上做近心運(yùn)動(dòng)，說明F′＞m，衛(wèi)星在圓軌道3上運(yùn)行時(shí)，引力剛好等于向心力，即F′＝m，所以v2′＜v3。由以上可知，速率從大到小排列為：v2＞v1＞v3＞v2′。
答案 B
[即 學(xué) 即 練]
探測(cè)器繞月球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，變軌后在周期較小的軌道上仍做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則變軌后與變軌前相比( )
A.軌道半徑變小 B.向心加速度變小
C.線速度變小 D.角速度變小
解析 由G＝m知T＝2π，變軌后T減小，則r減小，故選項(xiàng)A正確；由G＝man知r減小，an變大，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；由G＝m知v＝，r減小，v變大，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由ω＝知T減小，ω變大，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
答案 A
[典 例 精 析]
【例4】 兩個(gè)靠得很近的天體，離其他天體非常遙遠(yuǎn)，它們以其連線上某一點(diǎn)O為圓心各自做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，兩者的距離保持不變，科學(xué)家把這樣的兩個(gè)天體稱為“雙星”，如圖3所示。已知雙星的質(zhì)量分別為m1和m2，它們之間的距離為L(zhǎng)，求雙星的運(yùn)行軌道半徑r1和r2及運(yùn)行周期T。
圖3
解析 雙星間的引力提供了各自做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力
對(duì)m1：＝m1ω2r1，
對(duì)m2：＝m2r2ω2，且r1＋r2＝L，
解得r1＝，r2＝。
由G＝m1r1及r1＝得
周期T＝
答案
1.如圖4所示，a、b是兩顆繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星，它們距地面的高度分別是R和2R(R為地球半徑)。下列說法中正確的是( )
圖4
A.a、b的線速度大小之比是∶1
B.a、b的周期之比是1∶2
C.a、b的角速度大小之比是3∶4
D.a、b的向心加速度大小之比是3∶2
解析 兩衛(wèi)星均做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)萬＝F向，向心力選不同的表達(dá)形式分別分析，如下表：
選項(xiàng)
內(nèi)容指向、聯(lián)系分析
結(jié)論
A
由＝m得＝＝＝
錯(cuò)誤
B
由＝mr()2得＝＝
錯(cuò)誤
C
由＝mrω2得＝＝
正確
D
由＝ma得＝＝
錯(cuò)誤
答案 C
2.地球同步衛(wèi)星離地心的距離為r，運(yùn)行速度為v1，加速度為a1，地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的加速度為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.＝()2
解析 設(shè)地球質(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(yùn)動(dòng)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＝ωr，a2＝ωR，又ω1＝ω2，故＝，選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；由萬有引力定律和牛頓第
二定律得G＝m1，G＝m2，解得＝，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。
答案 A
3.如圖5所示，a為地球赤道上的物體，b為沿地球表面附近做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星，c為地球同步衛(wèi)星。關(guān)于a、b、c做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的說法中正確的是( )
圖5
A.地球?qū)、c兩星的萬有引力提供了向心力，因此只有a受重力，b、c兩星不受重力
B.周期關(guān)系為Tc>Tb>Ta
C.線速度的大小關(guān)系為vaab>ac
答案 C
4.如圖6所示，兩顆星球組成的雙星，在相互之間的萬有引力作用下，繞連線上的O點(diǎn)做周期相同的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)測(cè)得兩顆星之間的距離為L(zhǎng)，質(zhì)量之比為m1∶m2＝3∶2，下列說法中正確的是( )
圖6
A.m1、m2做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度之比為3∶2
B.m1、m2做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度之比為3∶2
C.m1做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為L(zhǎng)
D.m2做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為L(zhǎng)
解析 設(shè)雙星m1、m2距轉(zhuǎn)動(dòng)中心O的距離分別為r1、r2，雙星繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，根據(jù)萬有引力定律和牛頓第二定律得
G＝m1r1ω2＝m2r2ω2，又r1＋r2＝L，m1∶m2＝3∶2
所以可解得r1＝L，r2＝L，
m1、m2運(yùn)動(dòng)的線速度分別為v1＝r1ω，v2＝r2ω，
故v1∶v2＝r1∶r2＝2∶3，綜上所述，選項(xiàng)C正確。
答案 C
1.關(guān)于近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、赤道上的物體，以下說法正確的是( )
A.都是萬有引力等于向心力
B.赤道上的物體和同步衛(wèi)星的周期、線速度、角速度都相等
C.赤道上的物體和近地衛(wèi)星的軌道半徑相同但線速度、周期不同
D.同步衛(wèi)星的周期小于近地衛(wèi)星的周期
解析 赤道上的物體是由萬有引力的一個(gè)分力提供向心力，A項(xiàng)錯(cuò)誤；赤道上的物體和同步衛(wèi)星有相同周期和角速度，但線速度不同，B項(xiàng)錯(cuò)誤；同步衛(wèi)星和近地衛(wèi)星有相同的中心天體，根據(jù)＝m＝mr得v＝，T＝2π，由于r同>r近，故v同T近，D錯(cuò)誤；赤道上物體、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星三者間的周期關(guān)系為T赤＝T同>T近，根據(jù)v＝ωr可知v赤Tc＝24 h，則d的周期可能是30 h，選項(xiàng)D正確。
答案 D
4.登上火星是人類的夢(mèng)想，“嫦娥之父”歐陽自遠(yuǎn)院士透露：中國(guó)計(jì)劃于2020年登陸火星。地球和火星公轉(zhuǎn)可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，忽略行星自轉(zhuǎn)影響。根據(jù)下表信息可知( )
行星
半徑/m
質(zhì)量/kg
公轉(zhuǎn)軌道半徑/m
地球
6.4106
6.01024
1.51011
火星
3.4106
6.41023
2.31011
A.火星的公轉(zhuǎn)周期較小
B.火星公轉(zhuǎn)時(shí)的向心加速度較小
C.火星公轉(zhuǎn)時(shí)的線速度較大
D.火星公轉(zhuǎn)時(shí)的角速度較大
解析 由表中信息知r火＞r地，根據(jù)牛頓第二定律G＝m＝man＝m＝mrω2得：T＝，an＝，v＝，ω＝，軌道半徑大，周期大，向心加速度小，線速度小，角速度小，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。
答案 B
5.質(zhì)量為m的探月航天器在接近月球表面的軌道上飛行，其運(yùn)動(dòng)視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)。已知月球質(zhì)量為M，月球半徑為R，月球表面重力加速度為g，引力常量為G，不考慮月球自轉(zhuǎn)的影響，則航天器的( )
A.線速度v＝ B.角速度ω＝
C.運(yùn)動(dòng)周期T＝2π D.向心加速度a＝
解析 對(duì)航天器：G＝m，v＝，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；由mg＝mω2R得ω＝，故B項(xiàng)錯(cuò)誤；由mg＝m()2R得T＝2π，故C項(xiàng)正確；由G＝man得an＝，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。
答案 C
6.冥王星與其附近的另一星體卡戎可視為雙星系統(tǒng)，質(zhì)量比約為7∶1，同時(shí)繞它們連線上某點(diǎn)O做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。由此可知，冥王星繞O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的( )
A.軌道半徑約為卡戎的
B.角速度大小約為卡戎的
C.線速度大小約為卡戎的7倍
D.向心力大小約為卡戎的7倍
解析 兩星繞連線上某點(diǎn)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，則轉(zhuǎn)動(dòng)周期和角速度相同，根據(jù)兩星做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力由萬有引力提供，兩星受到的萬有引力為相互作用力，有＝，＝，解之得＝＝，選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；線速度v＝ωR，＝＝，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；因兩星向心力均由大小相等的相互作用的萬有引力提供，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
答案 A
7.一人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，假如該衛(wèi)星變軌后仍做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速度減小為原來的，不考慮衛(wèi)星質(zhì)量的變化，則變軌前后衛(wèi)星的( )
A.向心加速度大小之比為4∶1
B.角速度大小之比為2∶1
C.周期之比為1∶4
D.軌道半徑之比為1∶4
解析 該衛(wèi)星變軌后仍做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速度減為原來的；根據(jù)G＝m可得：r＝可知變軌后，軌道半徑變?yōu)樵瓉淼?倍，選項(xiàng)D正確；根據(jù)G＝man，則an＝，則變軌后的加速度變?yōu)樵瓉淼?，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)ω＝可知變軌后角速度變?yōu)樵瓉淼?，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；根據(jù)T＝可知，變軌后周期變?yōu)樵瓉淼?倍，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。
答案 D
8.如圖2所示，a、b、c是在地球大氣層外圓形軌道上運(yùn)行的3顆人造衛(wèi)星，下列說法正確的是( )
圖2
A.b、c的線速度大小相等，且大于a的線速度
B.a加速可能會(huì)追上b
C.c加速可追上同一軌道上的b，b減速可等到同一軌道上的c
D.a衛(wèi)星由于某種原因，軌道半徑緩慢減小，仍做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則其線速度將變小
解析 因?yàn)閎、c在同一軌道上運(yùn)行，故其線速度大小、加速度大小均相等。又由b、c軌道半徑大于a軌道半徑，由v＝可知，vb＝vcm，它將偏離原軌道，做近心運(yùn)動(dòng)，所以無論如何c也追不上b，b也等不到c，故選項(xiàng)C錯(cuò)；對(duì)a衛(wèi)星，當(dāng)它的軌道半徑緩慢減小時(shí)，由v＝可知，r減小時(shí)，v逐漸增大，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
答案 B
9.已知近地衛(wèi)星線速度大小為v1，向心加速度大小為a1，地球同步衛(wèi)星線速度大小為v2，向心加速度大小為a2，設(shè)近地衛(wèi)星距地面高度不計(jì)，同步衛(wèi)星距地面高度約為地球半徑的6倍。則以下結(jié)論正確的是( )
A.＝ B.＝
C.＝ D.＝
解析 衛(wèi)星圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬有引力提供，
＝ma＝；因?yàn)榫€速度v＝，則＝＝＝，故A、D錯(cuò)誤；因?yàn)榧铀俣萢＝，所以，＝＝()2＝，故B正確，C錯(cuò)誤。
答案 B
10.已知甲、乙兩行星的半徑之比為a，它們各自對(duì)應(yīng)的第一宇宙速度之比為b，則下列結(jié)論不正確的是( )
A.甲、乙兩行星的質(zhì)量之比為b2a∶1
B.甲、乙兩行星表面的重力加速度之比為b2∶a
C.甲、乙兩行星各自的衛(wèi)星的最小周期之比為a∶b
D.甲、乙兩行星各自的衛(wèi)星的最大角速度之比為a∶b
解析 根據(jù)mg＝，則第一宇宙速度為：v＝，則行星表面的重力加速度為：g＝，甲、乙兩行星的半徑之比為a，它們各自的第一宇宙速度之比為b，則甲、乙兩行星表面的重力加速度之比為，根據(jù)mg＝，則有：M＝，因?yàn)榘霃街葹閍，重力加速度之比為，所以甲、乙兩行星的質(zhì)量之比為b2a∶1，故A、B正確；軌道半徑越小，周期越小，根據(jù)＝m得，最小周期T＝2π，甲、乙兩行星的質(zhì)量之比為ab2∶1，半徑之比為a，則最小周期之比為a∶b，故C正確；軌道半徑越小，角速度越大，根據(jù)ω＝，最小周期之比為a∶b，則最大角速度之比為b∶a，故D錯(cuò)誤。
答案 D
（浙江專用）2018-2019學(xué)年高中物理 第六章 萬有引力與航天 第6節(jié) 習(xí)題課 天體運(yùn)動(dòng)學(xué)案 新人教版必修2.doc
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