专题 天体运动三类典型问题 教学设计 -2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

人教版 物理必修第二册 第7章 天体运动三类典型问题 教学设计 第7章　万有引力与宇宙航行 天体运动三类典型问题 目录 一、学习任务 二、新知探究 探究一：同步卫星、近地卫星、赤道上物体运行参量比较 探究二：卫星变轨问题与对接问题 探究三：双星及多星问题 三、学习效果 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 第7章　万有引力与宇宙航行 天体运动三类典型问题 一、学习任务 1．知道同步卫星、近地卫星、赤道上物体的运动特点，并会对描述它们运动的物理量进行比较。 2．理解人造卫星的发射过程，知道变轨问题的分析方法。 3．理解双星问题的特点，并会解决相关问题。 二、新知探究 探究一：同步卫星、近地卫星、赤道上物体运行参量比较 1．相同点：都以地心为圆心做匀速圆周运动。 2．不同点： (1)轨道半径：近地卫星与赤道上物体的轨道半径相同，同步卫星的轨道半径较大，即r同>r近＝r物。 (2)运行周期：同步卫星与赤道上物体的运行周期相同。由T＝2π可知，近地卫星的周期小于同步卫星的周期，即T近＜T同＝T物。 (3)向心加速度：由G＝man知，同步卫星的向心加速度小于近地卫星的向心加速度。由an＝rω2＝知，同步卫星的向心加速度大于赤道上物体的向心加速度，即a近＞a同＞a物。 (4)向心力：同步卫星、近地卫星均由万有引力提供向心力，即G＝m；而赤道上的物体随地球自转做圆周运动的向心力(很小)是万有引力的一个分力，即G≠m。 3. 同步卫星、近地卫星和赤道上物体的运动比较技巧 (1)同步卫星和近地卫星都是万有引力提供向心力，即都满足＝m＝mω2r＝mr＝man。由上式比较各运动参量的大小关系，即r越大，v、ω、an越小，T越大。 (2)同步卫星与赤道上随地球自转的物体的共同点是具有相同的角速度和周期，由圆周运动的规律v＝ωr，an＝ω2r，比较同步卫星和赤道上物体的线速度大小和向心加速度大小。 (3)当比较近地卫星和赤道上物体的运动时，往往借助同步卫星这一纽带。 探究二：卫星变轨问题与对接问题 1．两类运行——稳定运行和变轨运行 (1)稳定运行 卫星绕天体稳定运行时万有引力提供卫星做圆周运动的向心力。由＝m，得v＝，由此可知，轨道半径r越大，卫星的速度越小。 (2)变轨运行 ①制动变轨：卫星的速率变小时，使得万有引力大于所需向心力，即G＞m，卫星做向心运动，轨道半径将变小，所以要使卫星的轨道半径变小，需开动发动机使卫星做减速运动。 ②加速变轨：卫星的速率增大时，使得万有引力小于所需向心力，即G＜m，卫星做离心运动，轨道半径将变大，所以要使卫星的轨道半径变大，需开动发动机使卫星做加速运动。 2．飞船对接问题 (1)低轨道飞船与高轨道空间站对接 如图甲所示，低轨道飞船通过合理地加速，沿椭圆轨道(做离心运动)追上高轨道空间站与其完成对接。 (2)同一轨道飞船与空间站对接 如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度。 3. 变轨问题相关物理量的比较 (1)两个不同轨道的“切点”处线速度大小不相等，图中Ⅰ为近地圆轨道，Ⅱ为椭圆轨道，A为近地点、B为远地点，Ⅲ为远地圆轨道。 (2)同一个椭圆轨道上近地点和远地点线速度大小不相等，从远地点到近地点线速度逐渐增大。 (3)两个不同圆轨道上的线速度大小v不相等，轨道半径越大，v越小，图中vⅡA＞vⅠA＞vⅢB＞vⅡB。 (4)不同轨道上运行周期T不相等，根据开普勒第三定律＝k知，图中TⅠ＜TⅡ＜TⅢ (5)两个不同轨道的“切点”处加速度a大小相同，图中aⅢB＝aⅡB，aⅡA＝aⅠA。 探究三：双星及多星问题 1．双星系统的特点 (1)两颗星体各自所需的向心力由彼此间的万有引力提供(如图)， 即G＝r1＝r2。 (2)两颗星体的运动周期及角速度都相同，即T1＝T2，ω1＝ω2。 (3)两颗星体的轨道半径与它们之间距离的关系为：r1＋r2＝L。 2．多星系统 在宇宙中存在“三星”“四星”等多星系统，在多星系统中： (1)各个星体做圆周运动的周期、角速度相同。 (2)某一星体做圆周运动的向心力是由其他星体对它的万有引力的合力提供的。 3. 求解双星问题的思路 (1)两个星球之间的万有引力为它们做匀速圆周运动提供向心力。 (2)两个星球的角速度和周期都相同。 (3)两个星球做匀速圆周运动时圆心为同一点。 (4)两个星球的轨道半径之和等于它们中心之间的距离。 三、学习效果 1. 北斗卫星导航系统第三颗组网卫星(简称“三号卫星”)的工作轨道为地球同步轨道，设地球半径为R，“三号卫星”的离地高度为h，则关于地球赤道上静止的物体、地球近地环绕卫星和“三号卫星”的有关物理量，下列说法正确的是(　　) A．近地卫星与“三号卫星”的周期之比为＝ B．近地卫星与“三号卫星