第4章 拓展课五 天体运动中的三类典型问题（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册（鲁科版2019）

拓展课五　天体运动中的三类典型问题 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.知道人造卫星的发射、变轨与对接． 2.知道同步卫星、近地卫星和赤道上物体的相同点和不同点． 3.认识双星模型并掌握解决此类问题的方法． 体会科学思维中的模型方法和物理问题研究中的数形结合的方法． 通过万有引力定律的应用， 体会物理知识在航天方面的实际应用价值． [对应学生用书P107] 探究点一　人造卫星的发射、变轨与对接　(科学思维之提升) ►探究归纳 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．人造卫星在轨道变换时，速度发生变化，导致万有引力与向心力相等的关系被破坏，继而发生近心运动或离心运动，发生变轨，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较低圆轨道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)再次点火加速进入预定圆形轨道Ⅲ. 2．三个运行物理量的大小比较 (1)速度：设卫星在圆轨道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． (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． (3)周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上运行周期分别为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. 3．对接问题 (1)低轨道飞船与高轨道空间站对接 如图甲所示，飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道．通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，便可实现对接． (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． ►对点例练 (多选)(2021·湖北高一月考)2020年11月28日，嫦娥五号探测器经过112小时奔月飞行，成功实施第一次近月制动，嫦娥五号探测器顺利进入环月椭圆轨道；一天后，嫦娥五号探测器又成功实施第二次近月制动，如图所示，嫦娥五号在P点处第二次制动由椭圆轨道Ⅱ变轨到圆形轨道Ⅰ，以便着陆月球．已知嫦娥五号在圆形轨道Ⅰ的运行周期为T1，轨道半径为R；椭圆轨道Ⅱ的半长轴为a，经过P点的速率为v，运行周期为T2，已知月球的质量为M，密度为ρ，引力常量为G，则(　　) A．＝　　　　　　　 B．v＝ C．M＝ D．ρ＝ AC　解析：A．由开普勒第三定律可得＝ 则＝ 故A正确； B．圆形轨道Ⅰ上有＝m 得v′＝ 从轨道Ⅰ要加速才能进入轨道Ⅱ，则v> 故B错误； CD．圆形轨道Ⅰ上有＝m·R 解得M＝ 由于不知道月球的半径，则无法求出月球的密度，故C正确，D错误．故选AC． [训练1] (2021·河南郑州市·高一期末)2020年6月23日，“北斗三号”全球卫星导航系统最后一颗组网卫星被成功发射到地球同步轨道．如图所示，轨道Ⅰ为圆形轨道，轨道Ⅱ为椭圆形轨道，轨道Ⅲ为地球同步轨道．P、Q两点为椭圆轨道与两圆形轨道的切点．该卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上运行的周期分别为T1、T2、T3，在轨道Ⅰ和轨道Ⅲ上的线速度分别为v1、v3，在轨道2上P点的速度为v2P，Q点的速度为v2Q.下列说法不正确的是(　　) A．T1<T2<T3 B．v1>v3，v1>v2P，v2Q>v3 C．该卫星在轨道Ⅰ上的加速度大于在轨道Ⅲ上的加速度 D．该卫星在轨道Ⅱ上经过P点的加速度等于在轨道Ⅰ上经过P点的加速度 B　解析：A．设轨道Ⅱ的半长轴为r2，轨道Ⅰ、Ⅲ的半径分别为r1和r3，则由题图可知r1＜r2＜r3 根据开普勒第三定律有＝＝ 所以T1<T2<T3 故A正确； B．设卫星和地球的质量分别为m和M，卫星在半径为r的圆轨道上做匀速圆周运动的线速度为v，加速度为a，根据牛顿第二定律有G＝m＝ma 解得v＝，a＝ 所以v1>v3，a1>a3 卫星在P点从轨道Ⅰ变至轨道Ⅱ和在Q点从轨道Ⅱ变至轨道Ⅲ时，都需要点火加速做离心运动，因此有 v1>v2P，v2Q<v3 故B错误，C正确； D．根据牛顿第二定律和万有引力定律可知，该卫星在轨道Ⅱ上经过P点的加速度等于在轨道Ⅰ上经过P点的加速度，故D正确． 本题选不正确的，故选B． 探究点二　同步卫星、近地卫星和赤道上物体的比较　(科学思维之提升) ►探究归纳 1．相同点 (1)都以地心为圆心做匀速圆周运动． (2)同步卫星与赤道上的物体具有相同的角速度． 2．不同点 (1)向心力不同 同步