2023届高考物理二轮专题学案：万有引力定律与航天

专题5 万有引力与航天 【学习目标】 1.牢固掌握万有引力定律，熟练处理中心天体质量以及卫星运动问题。 2.通过对卫星变轨问题的探究，学会从动力学角度和能量观点分析天体运动问题； 3.感受我国航天事业的发展。 【重难点】 中心天体质量以及密度的求解、人造卫星的运行和变轨 【考情分析】 【核心知识梳理】 1.分析天体运动类问题的两条主线是什么？ (1)万有引力提供向心力： (2)天体对其表面物体的万有引力近似等于表面物体的重力： 2.推出人造地球卫星运行的线速度、角速度、周期、向心加速度表达式 3. 写出地球第一第二第三宇宙速度，其中第一宇宙速度是最大环绕速度，最小发射速度应如何理解？ 【重难点突破】 考向1 中心天体质量和密度的估算 例1.（2021广东卷）2021年4月，我国自主研发的空间站“天和”核心舱成功发射并入轨运行，若核心舱绕地球的运行可视为匀速圆周运动，已知引力常量，由下列物理量能计算出地球质量的是（　　） A. 核心舱的质量和绕地半径 B. 核心舱的质量和绕地周期 C. 核心舱的绕地角速度和绕地周期 D. 核心舱的绕地线速度和绕地半径 变式1（2021全国乙卷）科学家对银河系中心附近的恒星S2进行了多年的持续观测，给出1994年到2002年间S2的位置如图所示。科学家认为S2的运动轨迹是半长轴约为（太阳到地球的距离为）的椭圆，银河系中心可能存在超大质量黑洞。这项研究工作获得了2020年诺贝尔物理学奖。若认为S2所受的作用力主要为该大质量黑洞的引力，设太阳的质量为M，可以推测出该黑洞质量约为（　　） A. B. C. D. 考向2 卫(行)星运行参量的分析 例2.（2021湖南卷）（多选）2021年4月29日，中国空间站天和核心舱发射升空，准确进入预定轨道。根据任务安排，后续将发射问天实验舱和梦天实验舱，计划2022年完成空间站在轨建造。核心舱绕地球飞行的轨道可视为圆轨道，轨道离地面的高度约为地球半径的。下列说法正确的是（　　） A. 核心舱进入轨道后所受地球的万有引力大小约为它在地面时的倍 B. 核心舱在轨道上飞行的速度大于 C. 核心舱在轨道上飞行的周期小于 D. 后续加挂实验舱后，空间站由于质量增大，轨道半径将变小 变式2（2020江苏卷）（多选）甲、乙两颗人造卫星质量相等，均绕地球做圆周运动，甲的轨道半径是乙的2倍。下列应用公式进行的推论正确的有（　　） A. 由可知，甲的速度是乙的倍 B. 由可知，甲的向心加速度是乙的2倍 C. 由可知，甲的向心力是乙的 D. 由可知，甲的周期是乙的倍 考向3 航天器（卫星）的变轨问题 例3.（2022浙江1月卷改编）“天问一号”从地球发射后，在如图甲所示的P点沿地火转移轨道到Q点，再依次进入如图乙所示的调相轨道和停泊轨道，则天问一号 1. 发射速度应该在什么范围？ 2. 从P点转移到Q点的时间比6个月长还是短？ 3. 在环绕火星的停泊轨道运行的周期与在调相轨道上哪个更长? 4. 在地火转移轨道运动时的速度与地球绕太阳的速度相比有什么关系？ 5.比较天问一号探测器在调相轨道和停泊轨道的机械能哪个更大？ 变式3.神舟十四号载人飞船采用自主快速交会对接模式，于北京时间2022年6月5日17时42分，成功对接于中国空间站天和核心舱径向端口，整个对接过程历时约7小时。神舟十四号与天和核心舱的对接变轨过程简化如图所示，AB是椭圆轨道II的长轴。神舟十四号从圆轨道I先变轨到椭圆轨道II，再变轨到圆轨道III，并在圆轨道III上与运行的天和核心舱实施对接。下列说法正确的是（　　） A. 神舟十四号在变轨过程中机械能不变 B. 可让神舟十四号先进入圆轨道III，然后加速追赶天和核心舱实现对接 C. 无论在轨道II还是轨道III，神舟十四号在A点的加速度都相同 D. 神舟十四号在椭圆轨道II上运行的周期与天和核心舱的运行周期相等 【直击高考】 1.（2020天津卷）北斗问天，国之夙愿。我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星，其轨道半径约为地球半径的7倍。与近地轨道卫星相比，地球静止轨道卫星（ ） A. 周期大B. 线速度大 C. 角速度大D. 加速度大 2.(2021·天津)2021年5月15日，天问一号探测器着陆火星取得成功，迈出了我国星际探测征程的重要一步，在火星上首次留下国人的印迹。天问一号探测器成功发射后，顺利被火星捕获，成为我国第一颗人造火星卫星。经过轨道调整，探测器先沿椭圆轨道Ⅰ运行，之后进入称为火星停泊轨道的椭圆轨道Ⅱ运行，如图所示，两轨道相切于近火点P，则天问一号探测器(　　) A．