第三章 素养提升课三 应用万有引力定律解决“三个”热点问题-【金版新学案】2024-2025学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义配套课件（教科版2019）

素养提升课三　应用万有引力定律解决“三个”热点问题 　　　　 第三章　万有引力定律 1．知道卫星变轨的原因，会分析卫星变轨前、后物理量的变化。 2．理解双星运动的特点，会分析双星、多星问题。 3．会分析卫星的“最近”和“最远”问题。 4．知道航天器对接问题的处理方式。 素养目标 提升点一　卫星变轨问题 1 提升点二　双星或多星问题 2 提升点三　天体运动中的追及相遇问题 3 课时测评 5 随堂达标演练 4 内容索引 2 3 4 5 6 7 8 9 1 提升点一　卫星变轨问题 返回 1．卫星变轨问题的处理 2．变轨过程各物理量的分析 (1)两个不同轨道的“切点”处线速度v不相等，图中 vⅢ>vⅡB，vⅡA>vⅠ。 (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运行线速度v不相等，轨道半径越大，v越小，图中vⅠ>vⅢ。 (4)不同轨道上运行周期T不相等。根据开普勒第三定律 ＝k可知，内侧轨道的周期小于外侧轨道的周期，图中TⅠ<TⅡ<TⅢ。 (5)两个不同轨道的“切点”处加速度a相同，图中aⅢ＝aⅡB，aⅡA＝aⅠ。 发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如图所示。卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是 A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率 B．卫星在轨道2上经过Q的速度大于在轨道1上经过Q的速度 C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度小于它在轨道2上经 过Q点时的加速度 D．卫星在轨道1上的运行周期大于在轨道3上的运行周期 例1 √ 卫星变轨问题的三点提醒 1．卫星在轨道上变轨点的线速度v增大或减小，但加速度a不变。 2．卫星在圆轨道上由低轨道变轨至高轨道后，线速度v、角速度ω、加速度a将减小，周期T将增大。 3．卫星在椭圆轨道上由近地点运动至远地点，线速度v将减小，向心加速度a将减小。 探究归纳 针对练1.某科幻电影中为了让地球逃离太阳系，人们在地球上建造特大功率发动机，使地球完成一系列变轨操作，其逃离过程如图所示，地球在椭圆轨道Ⅰ上运行到远日点B变轨，进入圆形轨道Ⅱ。在圆形轨道Ⅱ上运行到B点时再次加速变轨，从而最终摆脱太阳束缚。对于该过程，下列说法正确的是 A．沿轨道Ⅰ运动至B点时，需向前喷气减速才能进入 轨道Ⅱ B．沿轨道Ⅰ运行的周期小于沿轨道Ⅱ运行的周期 C．沿轨道Ⅰ运行时，在A点的加速度小于在B点的加 速度 D．在轨道Ⅰ上由A点运行到B点的过程，速度逐渐增大 √ 针对练2.(2023·四川高一统考期末)2023年5月10日，太空快递车——天舟六号货运飞船发射升空，天舟六号在近地轨道Ⅰ短暂停留，经转移轨道Ⅱ后，用时6.5 h快速完成与神舟十六号载人飞船对接，形成三舱三船组合体。如图所示，已知地球半径为R，神舟十六号载人飞船距地面的高度为h，则 A．“神舟十六号”中的航天员不受地球引力作用 B．“天舟六号”在近地轨道运动的速率大于 “神舟十六号”在轨道上运动的速率 C．“天舟六号”在近地轨道上A点的加速度小 于转移轨道上A点的加速度 D．“天舟六号”在近地轨道运动的周期大于 “神舟十六号”在轨道上运动的周期 √ “神舟十六号”中的航天员随飞船一起在轨道Ⅲ做圆周运动，所受地球的引力用来提供做圆周运动的向心力，故A错误；近地轨道与“神舟十六号”轨道均为圆轨道，轨道半径越大，线速度越小，由此可知飞船在近地轨道运动的速率大于“神舟十六号”在轨道上运动的速率，故B正确； 返回 提升点二　双星或多星问题 返回 1．双星问题 (1)模型：如图所示，宇宙中有相距较近、质量相差不多的两个星球，它们离其他星球都较远，其他星球对它们的万有引力可以忽略不计。在这种情况下，它们将围绕其连线上的某一固定点做周期相同的匀速圆周运动，通常我们把这样的两个星球称为“双星”。 (2)特点： ①两星围绕它们之间连线上的某一点做匀速圆周运动，两星的运行周期、角速度相同。 ②两星的向心力大小相等，由它们间的万有引力提供。 ③两星的轨道半径之和等于两星之间的距离，即r1＋r2＝L，轨道半径与两星质量成反比。 2．多星问题 (1)多颗星体共同绕空间某点做匀速圆周运动。如： 三星模型 四星模型 (2)每颗星体做匀速圆周运动的周期和角速度都相同，以保持其相对位置 不变。 (3)某一星体做圆周运动的向心力是由其他星体对它引力的合力提供的。 角度一　双星模型 (多选)如图甲是一对相互环绕旋转的质量不等的双黑洞系统，其示意图如图乙所示，双黑洞A、B在相互之间的万有引力的作用下，绕其连线上的O点做匀速圆周运动，若双洞的质量之比mA∶mB＝n∶1，则 A．黑洞A、B做圆周运动的角速度 之比为1∶1 B．黑洞A、B做圆周运动的向心力 大小之比为n2∶1 C．黑洞A、B做圆周运动的半径之 比为1∶n D．黑洞A、B做圆周运动的线速度之比为1∶n2 例2 √ √ 角度二　多星问题 (多选)(2023·重庆高一期中)图示是由质量相等的三颗星组成的三星系统，其他星体对它们的引力作用可忽略。设每颗星体的质量均为m，三颗星分别位于边长为r的等边三角形的三个顶点上，它们绕某一共同的圆心O在三角形所在的平面内以相同的角速度做匀速圆周运动。已知引力常量为G，下列说法正确的是 例3 √ √ 针对练1.(多选)(2023·四川高一统考期末)天文爱好者观测到一组稳定的双星系统，如图所示，它们绕两者连线上的某点O做匀速圆周运动。星体A的质量为m，星体B的质量为km，引力常量为G，则两颗星体的 A．角速度相等 B．线速度大小之和为恒定值 C．轨道半径之比rA∶rB＝1∶k D．向心力大小之比FA∶FB＝k∶1 √ √ 针对练2.(多选)宇宙中，两颗靠得比较近的天体，只受到彼此之间的万有引力作用互相绕转，称为双星系统。设某双星系统A、B绕其连线上的O点做匀速圆周运动，如图所示。若AO>OB，则 A．天体A的质量一定大于天体B的质量 B．天体A的线速度一定大于天体B的线速度 C．双星间距离一定时，双星的质量越大，其转动周期越大 D．双星的质量一定时，双星之间的距离越大，其转动周期越大 √ √ 返回 提升点三　天体运动中的追及相遇问题 返回 1．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的加速，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。 2．卫星相距“最近”和“最远”问题 两颗卫星在同一轨道平面内同向绕地球做匀速圆周运动，a卫星的角速度为ωa，b卫星的角速度为ωb。 若某时刻两卫星正好同时通过地面同一点正上方，相距最近，如图甲所示。 当它们转过的角度之差Δθ＝π，即满足ωaΔt－ωbΔt＝π时，两卫星第一次相距最远，如图乙所示。当它们转过的角度之差Δθ＝2π，即满足ωaΔt－ωbΔt＝2π时，两卫星再次相距最近。 角度一　飞船对接问题 如图所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上逆时针运行的三颗人造地球卫星，则下列判断中正确的是 A．c加速可能追上b B．a减速可能转移到b卫星所在的轨道 C．b、c角速度相等，加速度大小也相等 D．a经过一次变轨即可转移到b所在轨道 例4 √ 角度二　卫星相距“最近”和“最远”问题 设地球的自转角速度为ω0，地球半径为R，地球表面重力加速度为g，某人造卫星在赤道上空做匀速圆周运动，轨道半径为r，且r<5R，飞行方向与地球的自转方向相同，在某时刻，该人造卫星通过赤道上某建筑物的正上方，则到它下一次通过该建筑物正上方所需要的时间为(地球同步卫星轨道半径约为6R) 例5 √ 解题导引　(1)人造卫星通过赤道上某建筑物的正上方是指卫星、建筑物的重心及地心三者共线。 (2)人造卫星连续两次通过该建筑物的正上方，需要相同时间内人造卫星绕地心转过的角度比地球自转的角度大2π。 天体的追及相遇问题 1．对同向运行的追及相遇问题的处理思路 (1)根据G ＝mrω2判断出谁的角速度大。 (2)根据两天体相距最近时满足两天体运行的角度差等于2π的整数倍，相距最远时两天体运行的角度差等于π的奇数倍列式求解。 2．在分析卫星与赤道上物体的追及相遇问题时，要根据赤道上物体与同步卫星角速度相同的特点进行判断。 探究归纳 针对练1.(多选)(2023·四川凉山高一校联考期末)如图所示，A、B两颗人造卫星在同一轨道平面上同向绕地球做匀速圆周运动。若它们的轨道半径分别为rA、rB，周期分别为TA、TB。则 A．在相等的时间内，A和B扫过的面积相等 B．A卫星受到的引力一定大于B卫星受到的引力 D．若A卫星要变轨到B卫星的轨道，A卫星需要向后喷气 √ √ 针对练2.当地球位于太阳和木星之间且三者几乎排成一条直线时，称之为“木星冲日”。已知木星与地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳近似做匀速圆周运动，木星到太阳的距离大约是地球到太阳距离的5倍。则下列说法正确的是 A．两次“木星冲日”相隔约2年 B．两次“木星冲日”相隔约1年 C．木星运行的加速度比地球的大 D．木星运行的周期比地球的小 √ 返回 随堂达标演练 返回 √ 1．(2022·广东汕头高一期末)如图所示，某时该系统中两颗工作卫星a、b均绕地心O顺时针做匀速圆周运动。下列说法正确的是 A．卫星a、b运行的角速度一定相同 B．卫星a、b所受的向心力大小一定相等 C．如果要使卫星b追上卫星a，可以让卫星a在 原轨道上减速 D．如果要使卫星b追上卫星a，可以让卫星b在 原轨道上加速 √ 2．1970年成功发射的“东方红一号”是我国第一颗人造地球卫星，该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运动。如图所示，设卫星在近地点、远地点的速度分别为v1、v2，近地点到地心的距离为r，地球质量为M，引力常量为G。则 √ 3．(多选)如图所示，两颗星球组成的双星，在相互之间的万有引力作用下，绕连线上的O点做周期相同的匀速圆周运动。现测得两颗星体之间的距离为L，质量之比为m1∶m2＝3∶2。则可知 A．m1、m2做圆周运动的线速度之比为3∶2 B．m1、m2做圆周运动的角速度之比为2∶3 D．m1、m2做圆周运动的向心力大小相等 √ √ 4．研究发现，双星系统演化过程中，两星的总质量、距离和周期均可能发生变化。若某双星系统中两星做匀速圆周运动的周期为T，经过一段时间演化后，两星总质量变为原来的k倍，两星之间的距离变为原来的n倍，则此时两星做匀速圆周运动的周期为 返回 课 时 测 评 返回 1．假设“嫦娥五号”在月球上空某高度处做圆周运动，运行速度为v1，为成功实施近月制动，使它进入更靠近月球的预定圆轨道，设其在预定圆轨道上的运行速度为v2，对这一变轨过程及变轨前后的速度对比正确的是 A．发动机向后喷气进入低轨道，v1>v2 B．发动机向后喷气进入低轨道，v1<v2 C．发动机向前喷气进入低轨道，v1>v2 D．发动机向前喷气进入低轨道，v1<v2 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 √ 2．现对发射地球同步卫星的过程进行分析，如图所示，卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ，P点是轨道Ⅰ上的近地点，然后在Q点通过改变卫星速度，让卫星进入地球同步轨道Ⅱ，则 A．卫星在同步轨道Ⅱ上的运行速度大于第一宇宙 速度7.9 km/s B．该卫星的发射速度必定大于第二宇宙速度11.2 km/s C．在轨道Ⅰ上，卫星在P点的速度大于第一宇宙 速度7.9 km/s D．在轨道Ⅰ上，卫星在Q点的速度大于第一宇宙速度7.9 km/s 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 P点为近地圆轨道上的一点，但要从近地圆轨道变轨到Ⅰ轨道，则需要在P点加速，所以在Ⅰ轨道上，卫星在P点的速度大于第一宇宙速度，C正确；在Q点要从轨道Ⅰ变轨到轨道Ⅱ，则需要在Q点加速，即卫星在轨道Ⅱ上经过Q点的速度大于在轨道Ⅰ上经过Q点的速度，而轨道Ⅱ上的速度小于第一宇宙速度，故在轨道Ⅰ上，卫星在Q点的速度小于第一宇宙速度，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 1 √ 3．(多选)(2023·四川绵阳高一统考期末)发射地球高轨卫星，可简化为如下过程：先将卫星发射到以地心为圆心的半径为r1、周期为T1的圆轨道1；然后在P位置点火，使其沿椭圆轨道2以周期T2运行；最后在Q点再次点火，使其沿以地心为圆心的半径为r3、周期为T3的圆轨道3运行。轨道1、2相切于P点，轨道2、3相切于Q点，如图所示。当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，下列说法正确的是 B．卫星在轨道3上的速度大于地球第一宇宙速度， 小于地球第二宇宙速度 C．卫星在轨道2上P点的加速度大于卫星在轨道1上P点的加速度 D．卫星在轨道3上经过Q点时的速度大于卫星在轨道2上经过Q点时的速度 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 √ 4．(多选)(2023·四川成都高一校考期末)如图所示，A是静止在赤道上的物体，B、C是同一平面内两颗人造卫星。B位于离地高度等于地球半径的圆形轨道上，C是地球同步卫星，则以下判断正确的是 A．卫星B的速度大小等于地球的第一宇宙速度 B．A、B的线速度大小关系为vA>vB C．周期大小关系为TA＝TC>TB D．若卫星B要靠近C所在轨道，需要先依靠推进器加速 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 1 B位于离地高度等于地球半径的圆形轨道上，则卫星B的速度大小小于地球的第一宇宙速度，故A错误；由于rC>rB，则有vC<vB，放在赤道上的物体A和地球同步卫星C具有相同的角速度，根据v＝rω可得vC>vA，则有vB>vA，故B错误；放在赤道上的物体A和地球同步卫星C具有相同的周期，即有TA＝TC，由于rC>rB则有TC>TB, 所以周期大小关系为TA＝TC>TB，故C正确；因为rC>rB，若卫星B要靠近C所在轨道，需要先加速，做离心运动，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 1 √ 5．双星系统“开普勒47”位于天鹅座内，距离地球大约5 000光年，该系统内有一对互相围绕运行的恒星，运行周期为T，其中大恒星的质量为M，小恒星的质量只有大恒星质量的三分之一。已知引力常量为G，则下列判断正确的是 A．小恒星、大恒星的转动半径之比为1∶1 B．小恒星、大恒星的转动半径之比为1∶3 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 √ 6．我们银河系的恒星中大约有四分之一是双星，某双星由质量不等的星体S1和S2构成，两星在相互之间万有引力的作用下绕两者连线上某一定点O做匀速圆周运动(如图所示)。由天文观察测得其运动周期为T，S1到O点的距离为r1，S1和S2的距离为r，已知引力常量为G。由此可求出S1的质 量为 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 √ 7．(多选)天文学家首次在正常星系中发现的超大质量双黑洞如图所示。若图中双黑洞的质量分别为M1和M2，双黑洞间距离为L，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动。根据所学知识，下列选项正确的是 A．双黑洞的轨道半径之比为r1∶r2＝M2∶M1 B．双黑洞的线速度之比为v1∶v2＝M1∶M2 C．双黑洞的向心加速度之比为a1∶a2＝M1∶M2 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 √ √ 8．(多选)2017年，人类第一次直接探测到来自双中子星并合的引力波。若在两颗中子星并合前约100 s时，它们相距约400 km，绕二者连线上的某点每秒转动12圈，将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体，由这些数据、引力常量G并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗中子星 A．质量之积 B．质量之和 C．速率之和 D．各自的自转角速度 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 返回 2 3 4 5 6 7 8 9 1 谢 谢 观 看 ！ 第三章　 　万有引力定律 2 3 4 5 6 7 8 9 1 $$