第4章 第4讲 第3课时 天体运动中的三类典型问题（Word教参）-【创新方案】2024高考物理一轮复习（新教材 新高考）

第3课时　天体运动中的三类典型问题(综合应用课) 本课时学习万有引力定律在天体运动中的三类典型问题：卫星(航天器)的变轨及对接问题、卫星或天体的追及相遇问题、双星或多星模型，近年来常以选择题形式在高考中出现。学好本课时有助于学生更加灵活地应用万有引力定律，加深对力和运动关系的理解。 类型(一)　卫星(航天器)的变轨及对接问题 1．卫星发射及变轨过程概述 人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如图所示。 (1)为了节省能量，在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道Ⅰ上。 (2)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Ⅱ。 (3)在B点(远地点)再次点火加速进入圆轨道Ⅲ。 2．三个运行物理量的大小比较 速度 设卫星在上图圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3，在轨道Ⅱ上过A点和B点速率分别为vA、vB。在A点加速，则vA>v1，在B点加速，则v3>vB，又因v1>v3，故有vA>v1>v3>vB 加速度 因为在A点卫星只受到万有引力作用，故不论从上图轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ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 周期 设卫星在上图Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上运行的周期分别为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T1<T2<T3 [例1]　(多选)如图所示是我国发射的“天问一号”火星探测器的运动轨迹示意图。首先在地面上由长征五号运载火箭将探测器发射升空，然后经过漫长的七个月地火转移飞行，到达近火点时精准“刹车”被火星捕获，成为环绕火星飞行的一颗卫星。以下说法中正确的是(　 ) A．长征五号需要把“天问一号”加速到第二宇宙速度 B．近火点的“刹车”是为了减小火星对“天问一号”的引力 C．从火星停泊轨道向遥感轨道变轨过程，“天问一号”还需要在近火点制动减速 D．“天问一号”沿遥感轨道运行时在近火点处的动能最小 [解析]　“天问一号”要脱离地球的吸引，需要加速到第二宇宙速度，A正确；近火点的“刹车”是为了减小“天问一号”所需的向心力，B错误；从火星停泊轨道向遥感轨道变轨过程，“天问一号”所需的向心力进一步减小，需要在近火点制动减速，C正确；“天问一号”沿遥感轨道运行时在近火点处的动能最大，D错误。 [答案]　AC [例2]　(2022·浙江6月选考)神舟十三号飞船采用“快速返回技术”，在近地轨道上，返回舱脱离天和核心舱，在圆轨道环绕并择机返回地面。则(　 ) A．天和核心舱所处的圆轨道距地面高度越高，环绕速度越大 B．返回舱中的宇航员处于失重状态，不受地球的引力 C．质量不同的返回舱与天和核心舱可以在同一轨道运行 D．返回舱穿越大气层返回地面过程中，机械能守恒 [解析]　根据G＝m，可得v＝，可知圆轨道距地面高度越高，环绕速度越小；而只要环绕速度相同就可以在同一轨道运行，与返回舱和天和核心舱的质量无关，A错误，C正确；返回舱中的宇航员处于失重状态，仍然受到地球引力作用，地球的引力提供宇航员绕地球运动的向心力，B错误；返回舱穿越大气层返回地面过程中，有阻力做功产生热量，机械能减小，D错误。 [答案]　C [针对训练] 1．(2023·青岛高三调研)2022年11月12日10时03分，搭载天舟五号货运飞船的长征七号遥六运载火箭，在文昌航天发射场成功发射。随后天舟五号货运飞船与天和核心舱实现对接。假设“天舟五号”与“天和核心舱”都围绕地球做匀速圆周运动，为了实现飞船与空间站的对接，下列措施可行的是(　 ) A．使飞船与空间站在同一轨道上运行，然后飞船加速追上空间站实现对接 B．使飞船与空间站在同一轨道上运行，然后空间站减速等待飞船实现对接 C．飞船先在比空间站半径小的轨道上加速，加速后飞船逐渐靠近空间站，两者速度接近时实现对接 D．飞船先在比空间站半径小的轨道上减速，减速后飞船逐渐靠近空间站，两者速度接近时实现对接 解析：选C　若使飞船与空间站在同一轨道上运行，然后飞船加速，所需向心力变大，则飞船将脱离原轨道而进入更高的轨道，不能实现对接，A错误；若使飞船与空间站在同一轨道上运行，然后空间站减速，所需向心力变小，则空间站将脱离原轨道而进入更低的轨道，不能实现对接，B错误；要想实现对接，可使飞船在比空间站半径较小的轨道上加速，飞船将进入较高的空间站轨道，逐渐靠近空间站后，两者速度接近时实现对接，C正确；若飞船在比空间站半径较小的轨道上减速，则飞船将进入更低的轨道，不能实现对接，D错误。 2．(2023·宜春模拟)我国在西昌卫星发射中心发射“中星9A”广播电视直播卫星，按预定计划，“中星9A”应该首先被送入近地点约为200公里、远地点约为3.6万公里的转移轨道Ⅱ(椭圆)，然后通过远地点Q变轨，最终进入地球同步轨道Ⅲ(圆形)(如图所