小题精练05 万有引力定律问题——2024年高考物理题型突破限时精练（广东专用）

小题精练05 万有引力与航天问题 考点内容 考情分析 考点一 开普勒行星运动定律的应用及天体密度计算 1、高考对于这部分知识点主要以我国航天科技的最新成果进行命题，主要考查的知识点有 2、2023 年的广东省高考考察了人造卫星；线速度、角速度和周期、转速；向心力；万有引力定律的应用；中心天体密度与环绕天体环绕周期的关系式 考点二 天体运动参量及变轨分析 公式、知识点回顾（时间：5分钟） 知识点一、开普勒三定律 定律 内容 图示或公式 开普勒第一定律(轨道定律) 所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上 开普勒第二定律(面积定律) 对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等 开普勒第三定律(周期定律) 所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等 ＝k，k是一个与行星无关的常量 知识点二、天体质量、密度的计算 使用方法 已知量 利用公式 表达式 备注 质量的计算 　 利用运行天体 r、T G＝mr M＝ 只能得到中心天体的质量 r、v G＝m M＝ v、T G＝m G＝mr M＝ 利用天体表面重力加速度 g、R mg＝ M＝ 密度的计算 利用运行天体 r、T、R G＝mr M＝ρ·πR3 ρ＝ 当r＝R时ρ＝ 利用近地卫星只需测出其运行周期 利用天体表面重力加速度 g、R mg＝ M＝ρ·πR3 ρ＝ 知识点三、地球卫星的运行参数(将卫星轨道视为圆) 物理量 推导依据 表达式 最大值或最小值 线速度 G＝m v＝ 当r＝R时有最大值，v＝7.9 km/s 角速度 G＝mω2r ω＝ 当r＝R时有最大值 周期 G＝m2r T＝2π 当r＝R时有最小值，约85 min 向心 加速度 G＝man an＝ 当r＝R时有最大值，最大值为g 轨道 平面 圆周运动的圆心与中心天体中心重合 共性：距地面越高，轨道半径大，运动越慢，周期越长——高轨低速（线速度、角速度 加速度）长周期 知识点四、卫星变轨的基本原理 当卫星开启发动机，或者受空气阻力作用时，万有引力不再等于卫星所需向心力，卫星的轨道将发生变化。如图所示。 (1)当卫星的速度增加时，G<m，即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，如果速度增加很缓慢，卫星每转一周均可看成做匀速圆周运动，经过一段时间，轨道半径变大，当卫星进入新的轨道运行时，由v＝ 可知其运行速度比在原轨道时小。 (2)当卫星的速度减小时，G>m，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，如果速度减小很缓慢，卫星每转一周均可看成做匀速圆周运动，经过一段时间，轨道半径变小，当卫星进入新的轨道运行时，由v＝ 可知其运行速度比在原轨道时大。例如，人造卫星受到高空稀薄大气的摩擦力，轨道高度不断降低。 【例题】（2023•黄埔区三模）如图甲所示，太空电梯的原理是在地球同步轨道上建造一个空间站，并用某种足够长也足够结实的“绳索”将其与地面相连，“绳索”会绷紧，宇航员、乘客以及货物可以通过电梯轿厢一样的升降舱沿绳索直入太空。如图乙所示，有一太空电梯连接地球赤道上的固定基地与同步空间站，相对地球静止。已知地球半径为R、质量为M、自转周期为T，引力常量为G，下列说法正确的是（　　） A．太空电梯上各点均处于完全失重状态 B．太空电梯上各点线速度大小与该点到地心的距离成反比 C．升降舱停在距地球表面高度为2R的站点时，升降舱的向心加速度大小为 D．升降舱停在距地球表面高度为2R的站点时，升降舱的向心加速度大小为 难度：★★★☆ 建议时间：30分钟 正确率： /15 1. （2023•茂名一模）空间站是一种在近地轨道长时间运行、可供航天员工作和生活的载人航天器，其运行轨道可以近似为圆。如图甲为我国三名航天员站立在空间站内地板上的情景，图乙是航天员王亚平在空间站做的实验，下列说法正确的是（　　） A．空间站内的航天员处于平衡状态 B．空间站内的航天员不能用拉力器锻炼肌肉力量 C．空间站的加速度比地球同步卫星向心加速度小 D．空间站内漂浮的水滴呈球形是因为水完全失重和水的表面张力共同造成的 2. （2023•潮州二模）2022年11月29日神舟十五号飞船在酒泉卫星发射中心成功发射升空，飞船入轨后按照预定程序，成功与我国空间站轨道核心舱进行自主快速交会对接。已知空间站运行在离地面高为的圆轨道上（R为地球半径），下列说法正确的是（　　）