(江苏专用)2020版高考物理新增分大一轮复习第四章曲线运动万有引力与航天专题突破五天体运动中的三大难点课件.pptx
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1、专题突破五 天体运动中的三大难点,第四章 曲线运动 万有引力与航天,NEIRONGSUOYIN,内容索引,研透命题点,随堂测试,课时作业,细研考纲和真题 分析突破命题点,随堂检测 检测课堂学习效果,限时训练 练规范 练速度,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、同步卫星与赤道上的物体的比较分析,(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
2、转周期为1年,其自转周期为1天(24小时),地球表面半径约为6.4103 km,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,在一般估算中常取27天. 人造地球卫星的运行半径最小为r6.4103 km,运行周期最小为T84 min,运行速度最大为v7.9 km/s.,2.两个向心加速度,例1 (多选)同步卫星与地心的距离为r,运行速率为v1,向心加速度为a1,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2.第一宇宙速度为v2,地球半径为R,则下列比值正确的是,对于同步卫星和地球赤道上的物体,其共同特点是角速度相等,有a2r,,变式1 (2018前黄中学检测)有a、b、c、d
3、四颗地球卫星,a还未发射,在赤道表面上随地球一起转动,b是近地轨道卫星,c是地球同步卫星,d是高空探测卫星,它们均做匀速圆周运动,各卫星排列位置如图1所示,则 A.a的向心加速度等于重力加速度g B.在相同时间内b转过的弧长最长 C.c在4小时内转过的圆心角是 D.d的运行周期有可能是20小时,图1,解析 地球同步卫星的角速度与地球自转的角速度相同,则知a与c的角速度相同,根据an2r知,c的向心加速度大于a的向心加速度.,则地球同步卫星c的向心加速度小于b的向心加速度,而b的向心加速度等于重力加速度g,故a的向心加速度小于重力加速度g,故A错误;,所以b的线速度最大,在相同时间内转过的弧长最
4、长,故B正确;,所以d的运行周期大于c的周期24 h,故D错误.,变式2 (多选)(2018高邮市期初)中国北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统,是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统.如图2所示是北斗导航系统中部分卫星的轨道示意图,已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动,a是地球同步卫星,则 A.卫星a的速度小于卫星c的速度 B.卫星a的加速度大于卫星b的加速度 C.卫星b的线速度大于赤道上的物体随地球自转的线速度 D.卫星b的周期小于卫星c的周期,图2,由题图知卫星a的轨道半径大于卫星c的轨道半径,所以卫星
5、a的速度小于卫星c的速度,故A正确;,由题图知卫星a与卫星b的轨道半径相等,所以向心加速度大小也相等,故B错误; 卫星a的周期为24 h,卫星b与卫星a的轨道半径相同,故周期相同,则卫星b的周期为24 h,所以卫星b与赤道上随地球自转的物体的周期是相等的;,由题图知卫星b的半径大于卫星c的半径,所以卫星b的周期大于卫星c的周期,故D错误.,1.变轨原理及过程 人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道,如图3所示.,命题点二 卫星变轨问题,图3,(1)在A点点火加速,由于速度变大, ,万有引力不足以提供向心力,卫星做离心运动进入椭圆轨道.在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道.,(2)
6、当卫星的速率突然减小时, 即万有引力大于所需要的向心力,卫星将做近心运动,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 可知其运行速率比原轨道时增大,卫星的发射和回收就是利用这一原理.,2.三个运行物理量的大小比较 (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vAv1,在B点加速,则v3vB,又因v1v3,故有vAv1v3vB. (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、轨道上运行周期分别为
7、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T1T2T3.,3.卫星运动中的机械能 (1)只在万有引力作用下卫星绕中心天体做匀速圆周运动和沿椭圆轨道运动,机械能均守恒,这里的机械能包括卫星的动能、卫星(与中心天体)的引力势能. (2)质量相同的卫星,圆轨道半径越大,动能越小,势能越大,机械能越大.,例2 (多选)(2018南通等六市一调)我国“天宫一号”飞行器已完成了所有任务,已于2018年4月2日坠入大气层后烧毁.如图4所示,设“天宫一号”原来在圆轨道上飞行,到达P点时转移到较低的椭圆轨道上(未进入大气层),则“天宫一号” A.在P点减速进入轨道 B
8、.在轨道上运动的周期大于在轨道上运动的周期 C.在轨道上的加速度大于在轨道上的加速度 D.在轨道上的机械能大于在轨道上的机械能,图4,解析 在P点减速,万有引力大于需要的向心力,“天宫一号”做近心运动进入轨道,故A正确;,所以在轨道上运动的周期大于在轨道上运动的周期,故B正确;,可知在轨道上的加速度小于在轨道上的加速度,故C错误; 在轨道上P点的动能大于在轨道上P点的动能,在P点由轨道转移到轨道时,需对飞行器做负功,故在轨道上的机械能大于在轨道上的机械能,故D正确.,变式3 (多选)2016年10月19日,“神舟十一号”与“天宫二号”成功实现交会对接.如图5所示,交会对接前“神舟十一号”飞船先
9、在较低圆轨道1上运动,在适当位置经变轨与在圆轨道2上运动的“天宫二号”对接.M、Q两点在轨道1上,P点在轨道2上,三点连线过地球球心,把飞船的加速过程简化为只做一次短时加速.下列关于“神舟十一号”变轨过程的描述正确的有 A.“神舟十一号”在M点加速,可以在P点与“天宫二号”相遇 B.“神舟十一号”在M点经一次加速,即可变轨到轨道2 C.“神舟十一号”经变轨后速度总大于变轨前的速度 D.“神舟十一号”变轨后的运行周期大于变轨前的运行周期,图5,解析 “神舟十一号”与“天宫二号”对接,需要“神舟十一号”提升轨道,即“神舟十一号”开动发动机加速做离心运动,使轨道高度与“天宫二号”轨道高度相同实现对接
10、,故“神舟十一号”在M点加速,可以在P点与“天宫二号”相遇,故选项A正确;,所以卫星轨道高度越大,线速度越小,“神舟十一号”在轨道2的速度小于在轨道1的速度,所以在M点经一次加速后,到P点后再减速一次,才可变轨到轨道2,故选项B、C错误;,卫星绕地球做圆周运动,向心力由万有引力提供,,可知轨道高度越大,周期越大,所以“神舟十一号”变轨后的运行周期大于变轨前的运行周期,故选项D正确.,变式4 (多选)(2018苏州市模拟)“信使号”探测器围绕水星运行了近4年,在“信使号”水星探测器陨落水星表面之前,工程师通过向后释放推进系统中的高压氦气来提升轨道,使其寿命再延长一个月,如图6所示,释放氦气前,探
11、测器在贴近水星表面的圆形轨道上做匀速圆周运动,释放氦气后探测器进入椭圆轨道,忽略探测器在椭圆轨道上所受阻力.则下列说法正确的是 A.探测器在轨道的运行周期比在轨道的大 B.探测器在轨道上某点的速率可能等于在轨道上的速率 C.探测器在轨道和轨道上经过E处时加速度相同 D.探测器在轨道上远离水星过程中,势能和动能均增大,图6,解析 根据开普勒第三定律知, k,轨道的半长轴大于轨道的半径,则探测器在轨道的运行周期比在轨道的大,故A正确. 在轨道上E点的速度大于在轨道上经过E点时的速度,由于远离水星的过程中,速度减小,探测器在轨道上某点的速率可能等于在轨道上的速率,故B正确. 根据万有引力定律知,在不
12、同轨道的E点,所受的万有引力相等,根据牛顿第二定律知加速度相同,故C正确. 探测器在轨道上远离水星过程中,高度升高,势能增大,万有引力做负功,动能减小,故D错误.,1.双星模拟定义: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7所示. 2.双星模拟特点: (1)各自所需的向心力由彼此间的万有引力相互提供,即,命题点三 双星模型,图7,(2)两颗星的周期及角速度都相同,即 T1T2,12,(3)两颗星的半径与它们之间的距离关系为:r1r2L,例3 (多选)(2018泰州中学月考)2016年2月11日,科学家宣布“激光干涉引力波天文台(LIGO)”探测到由两个黑洞合并产生的引力波信
13、号,这是在爱因斯坦提出引力波概念100周年后,引力波被首次直接观测到.在两个黑洞合并过程中,由于彼此间的强大引力作用,会形成短时间的双星系统.如图8所示,黑洞A、B可视为质点,它们围绕连线上O点做匀速圆周运动,且AO大于BO,不考虑其他天体的影响.下列说法正确的是 A.黑洞A的向心力大于B的向心力 B.黑洞A的线速度大于B的线速度 C.黑洞A的质量大于B的质量 D.两黑洞之间的距离越大,A的周期越大,图8,解析 双星靠相互间的万有引力提供向心力,根据牛顿第三定律可知,黑洞A对黑洞B的作用力与黑洞B对黑洞A的作用力大小相等,方向相反,则黑洞A的向心力等于B的向心力,故A错误; 双星靠相互间的万有
14、引力提供向心力,具有相同的角速度,由题图可知黑洞A的半径比较大,根据vr可知,黑洞A的线速度大于B的线速度,故B正确; 在匀速转动时的向心力大小关系为:mA2rAmB2rB,由于A的半径比较大,所以黑洞A的质量小,故C错误; 双星系统的周期公式为:T ,所以两黑洞之间的距离越大,A的周期越大,故D正确.,变式5 2016年2月11日,美国科学家宣布探测到引力波,证实了爱因斯坦100年前的预言,弥补了爱因斯坦广义相对论中最后一块缺失的“拼图”.其实,孤立的恒星与一颗行星组成的系统就是一个双星系统.如图9所示,恒星a、行星b在万有引力作用下,绕连线上一点O以相同的周期做匀速圆周运动.现测得行星b做
15、圆周运动的半径为rb,运动的周期为T,a、b的距离为l,已知万有引力常量为G,则 A.恒星a的质量为 B.恒星a与行星b的总质量为 C.恒星a与行星b的质量之比为 D.恒星a的运动可以等效于绕静止在O点、质量为的天体做半径为lrb的圆周运动,图9,解析 由题意可知,a和b到O点的距离分别为lrb和rb, 设两星质量分别为M1和M2,由万有引力定律和牛顿第二定律及几何条件可得:,恒星a的运动可以等效于绕静止在O点、质量为M的天体做半径为(lrb)的圆周运动,,综上所述,选项B正确,A、C、D错误.,随堂测试,1.(2018南京市期中)2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用“长征
16、二号”运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空,在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信.量子科学实验卫星“墨子号”由火箭发射至高度为500 km的预定圆形轨道.2016年6月在西昌卫星发射中心成功发射了第二十三颗北斗导航卫星G7.G7属于地球静止轨道卫星(高度为36 000 km),它使北斗系统的可靠性进一步提高.关于卫星,以下说法中正确的是 A.这两颗卫星的运行速度可能大于7.9 km/s B.量子科学实验卫星“墨子号”的向心加速度比北斗G7大 C.量子科学实验卫星“墨子号”的周期比北斗G7大 D.通过地面控制可以将北斗G7定点于南京市的正上方,1,2,3,4,5,2.(多
17、选)(2018盐城中学质检)如图10,我国“探月工程”在2018年12月8日成功发射“嫦娥四号”卫星,卫星由地面发射后,进入地月转移轨道,经多次变轨后进入圆形工作轨道,并将最终实现人类探测器在月球背面的首次软着陆,下列说法错误的是 A.卫星在轨道上的运行速度比月球的第一宇宙速度大 B.卫星在轨道上经过P点时的加速度比在轨道上经过P点时的加速度小 C.卫星在轨道上运行的周期比在轨道上短 D.卫星在轨道上的机械能比在轨道上大,图10,1,2,3,4,5,3.(多选)(2018南京市、盐城市二模)某试验卫星在地球赤道平面内一圆形轨道上运行,每5天对某城市访问一次(即经过其正上方),下列关于该卫星的描
18、述中正确的是 A.角速度可能大于地球自转角速度 B.线速度可能大于第一宇宙速度 C.高度一定小于同步卫星的高度 D.向心加速度一定小于地面的重力加速度,1,2,3,4,5,解析 设卫星的运行周期为T,地球自转的周期为T0,,1,2,3,4,5,所以卫星的角速度可能大于地球自转角速度,也可能小于地球自转角速度,A正确; 由于第一宇宙速度是最大环绕速度,所以所有卫星的线速度小于等于第一宇宙速度,B错误;,故卫星的高度越高,周期越大,由A选项解析可知,卫星的周期可能大于也可能小于同步卫星的周期,所以卫星的高度可能大于也可能小于同步卫星的高度,C错误;,1,2,3,4,5,所以其向心加速度小于地面的重
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