内容正文:
第4讲万有引力与天体运动
题型1
真题研究
A轨道器绕火星做匀速圆周运动,万有引力提供向心
力,可得6=m号-mi,=m钙=m,题中已知
的物理量有轨道半径r,轨道周期T,引力常量G,可推
算出火星的质量,故A正确;若想推算火星的体积和逃
逸速度,则还需要知道火星的半径R,故B、C错误:根据
上述分析可知,不能通过所提供物理量推算出火星的
自转周期,故D错误。
对点训练
1.BC对于题述环月椭圆轨道和环月圆轨道,根据开普
a+b+2R
2
=六,可得1=生+,故
r
勒第三定律有
A错误,B正确;对于环月圆轨道,根据万有引力提供向
心为加学=a(停)可用=产放c正袭。
D错误。故选BC。
2.D设太阳质量为M,地球质量为m,地球绕太阳公转,
有=m(停)广因为太阴密度p=
2
一,由几何
4
关系
d=D,联立可得p=
24T/D1
3
,故选D。
题型2
真题研究
D太阳直径远小于金星的轨道半径,太阳直径忽略不
计,根据题意结合几何知识可知地球和金星绕太阳运
动的轨道半径之比为号-,故A错误:根据万有引
历提供向心力有Mm=m()r=m,=m,解得7
4m7
GM
T地
VGM,=
,口=古故可可得周期之上北为T。
√():线速度大小之比为=√
室√d+向心加速
L
度大小之比为”幽=(
d+L
,故B、C错误,D正确。
对点训练
A卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心
力,由牛顿第二定律得6恤=m答,整理得7
3
4ur
√CM,由题意知,N的轨道半径比M小,则N的周期
29
比M的小,由于P、M的周期相同,故N的周期比P的
小,故A正确:由圆周运动知识0=0=2可得,P点
T
的速度和第宇宙速度之此会念-分由天休物理
常识得,Tp=24h,T,≈85min=1.42h,可见,P点的速
度远小于第一宇宙速度,故B错误:卫星绕地球做匀速
圆周运动,万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得
G0=m,得a=以,由于N的轨道半径比M小,故
得N的向心加速度比M的大,故C错误;由万有引力公
式F=GMm及题意可知,静止卫星M和量子卫星N的
质量关系未知,所受万有引力大小关系不能确定,故D
错误。
题型3
真题研究
A在轨道2上从A向B运动过程中,探测器远离月
球,月球对探测器的引力做负功,根据动能定理,动能
逐渐减小,A正确;探测器受到万有引力,由GMm=
2
m,解得a=G兰,在轨道2上从A向B运动过程中,?
增大,加速度逐渐变小,B错误;探测器在A点从轨道1
变轨到轨道2,需要加速,机械能增加,所以探测器在轨
道2上机械能大于在轨道1上的机械能,C错误;探测
器在轨道1上做圆周运动,根据万有引力提供向心力,
得GM=m
红”T,解得M=,利用引力常量G和
轨道1的周期T,还需要知道轨道1的半径r,才能求出
月球的质量,D错误。
对点训练
A卫星在轨道I与轨道Ⅲ上运行过程,根据开普勒第
三定律有=2),解得T1:T,=1:2√2,故A正
确;轨道Ⅱ相对于轨道Ⅲ是低轨道,由低轨道变轨到高
轨道,需要在切点位置加速,即要实现从椭圆轨道B处
进入圆轨道Ⅲ,发动机需要向后喷气,故B错误;结合
上述可知,卫星由轨道I变轨到轨道Ⅲ,需要先后在A
与B位置加速,即卫星在轨道I上的机械能小于轨道
Ⅲ上的机械能,故C错误;根据开普勒第二定律可知,
在同一轨道上,卫星与地心连线在相等时间扫过的面
积相等,但在不同轨道上卫星与地心连线在相等时间
扫过的面积不相等,即卫星在轨道I和轨道Ⅱ上与地
心连线单位时间扫过的面积不相等,故D错误。
58017
例4〔25,东北三省四市二模)如图所示,半径为1m的四分之三光滑圆轨道竖直圈定在水平地面上,B点
为轨道最低点,A点与圆心0等高。质量为1kg的小球(可视为质点)在A点正上方0.75m处静止释
放,下落至A点时进入圆轨道,重力加速度g取10m/s2,不计空气阻力,则下列说法正确的是()
A.小球在B点的动能为7.5J
B.小球在A点受到轨道的弹力大小为10N
C.小球沿轨道上升过程中距地面的最大高度为1.75m
D.小球离开轨道后将落至轨道B点
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第4讲
万有引力与天体运动
核心知识固双基
白“必备知识”提炼
上天体质量计算核心式:G0=m
7P1,得M=4π
GT(需环绕体轨道半径r和周期T)。
2密度计算关键:近表面环绕时1=R,密度p票(T为近地卫星周期)。
运行参量与轨道关系:轨道半径,越大,线速度,角速度。、向心加速度:越小,局期T越大(“行T“F)
4,静止轨道卫星特性:周期与地球自转周期相同(24h),轨道固定在赤道上空,高度约3.6×10'm。
5.变轨离心/近心条件:加速做离心运动(轨道半径增大),减速做近心运动(轨道半径减小)。
6.变轨能量变化:高轨道机械能更大(动能小、势能大,势能增加量大于动能减少量)。
7.对接关键:低轨卫星加速进入椭圆转移轨道,在高轨处加速完成对接。
8.黄金代换式:地球表面GM=gR,可将天体问题中的GM替换为gR简化计算。
盘“关键能力”构建
1.处理变轨问题的两类观点
力学观点:从半径小的轨道I变轨到半径大的轨道Ⅱ,卫星需要向运动的反方向喷气,加速离心;从半径大的轨
道Ⅱ变轨到半径小的轨道I,卫星需要向运动的方向喷气,减速近心。
能量观点:在半径小的轨道I上运行时的机械能比在半径大的轨道Ⅱ上运行时的机械能小。在同一轨道上运
动的卫星机械能守恒,若动能增加则引力势能减小。
2.双星问题
()各自所需的向心力由彼此间的万有引力提供,即
Gm m2
2=mw11,L2
=m2022r20
(2)两颗星的周期及角速度都相同,即T,=T2,ω1=ω2o
(3)两颗星的运行半径与它们之间的距离关系为1+2=L。
018
〈命题热点巧突破
题型1天体质量和密度的计算
)】真题研究
(2025…陕晋青宁卷)我国计划于2028年前后发射“天问三号”火星探测系统,实现火星取样返回。其轨道器
将环绕火星做匀速圆周运动,轨道半径约3750km,轨道周期约2h。引力常量G取6.67×10-"N·m2/kg,
根据以上数据可推算出火星的
()
A.质量
B.体积
C.逃逸速度
D.自转周期
】规律定结
天体质量和密度的计算
重力加
已知g(或可以测g)
求中心天体的
速度法
和天体半径R
N-ER?
G
质量和密度
卫星环
己知T(或v)和轨
绕法
道半径r
M4π3
CT
》对点训练
1.(多选)(2025·安徽卷)2025年4月,我国已成功构建国际首个基于DR0(远距离逆行轨道)的地月空间三星
星座,DRO具有“低能进入、稳定停泊、机动转移”的特点。若卫星甲从DRO变轨进人环月椭圆轨道,该轨道的
近月点和远月点距月球表面的高度分别为a和b,卫星的运行周期为T;卫星乙从DR0变轨进入半径为r的环
月圆形轨道,周期也为T。月球的质量为M,半径为R,引力常量为G。假设只考虑月球对甲、乙的引力,则
A.r=a+b+R
B.r=4+b+R
2
C.M=4Tr
GT2
D.M=4π2R
GT
2.(2025·山东济宁模拟)在地球上,可通过天文观测估算太阳的密度。如
R
图,地球上观测太阳的视角0极小,与观测者眼睛相距为D、视角为0的物
体宽度为d。已知地球公转周期为T,引力常量为G,0极小时sin6≈tanB。
太阳
观测者
则太阳密度p可表示为
(
B祭()
C.1(D
cr2 d)
题型2天体运行参量的比较
人造卫星运动问题的分析要点
一个中心
万有引力提供卫星做圆周运动的向心力
GMm=m
=mrw'=mr
2π
2=ma
两个关系
GMm
2
=mg
a、U、0、T、r只要一个量发生变化,其他量也发生变化
三点说明
a、v、w、T与卫星的质量无关
当r=R地时,=7.9km/s为第一宇宙速度
所有同步卫星绕地心做匀速圆周运动的周期都等于地球的自转周期
静止卫星在赤道上空相同的高度上
四点注意
注意静止卫星与地球赤道上物体的区别与联系
区别轨道半径与距天体表面的高度
019
》真题研究
(2025·重庆卷)“金星凌日”时,从地球上看,金星就像镶嵌在太阳表面的小黑点。在地球上间距为
的两点同时观测,测得金星在太阳表面的小黑点相距为L,如图所示。地球和金星绕太阳的运动均
视为匀速圆周运动,太阳直径远小于金星的轨道半径,则地球和金星绕太阳运动的
A.轨道半径之比为司
&周期之比为,T
C.线速度大小之比为
L+d
N L
D向心加速度大小之比为(本)
》对点训练
(2025·江苏宿迁模拟)如图所示,我国的静止卫星M、量子卫星V均在赤道平面内绕地球做圆周运动,P是地
球赤道上一点。则
A.P点的周期比N的大
B.P点的速度等于第一宇宙速度
C.M的向心加速度比N的大
D.M所受的万有引力比N所受的万有引力大
题型3卫星发射、运动和变轨问题
)真题研究
(2025·北京卷)2024年6月,嫦娥六号探测器首次实现月球背面采样返回。如图所示,探测器在圆形轨道1
上绕月球飞行,在A点变轨后进入椭圆轨道2,B为远月点。关于嫦娥六号探测器,下列说法正确的是()
月球
B
A.在轨道2上从A向B运动过程中动能逐渐减小
B.在轨道2上从A向B运动过程中加速度逐渐变大
C.在轨道2上机械能与在轨道1上相等
D.利用引力常量和轨道1的周期,可求出月球的质量
对点训练
(2025·辽宁辽南协作体联考)北京时间2025年3月26日23时55分,西昌卫星发射中心长征三号乙运载火
箭点火起飞,天链二号04星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。发射可简化为如图所示过程,先将卫
星发射到半径为r的圆轨道I上做匀速圆周运动,卫星运动到A点时变轨进入椭圆轨道Ⅱ,运动到椭圆轨道Ⅱ
的远地点B时,再次变轨进入半径为2r的圆轨道Ⅲ做匀速圆周运动。下列判断正确的是
()
A.卫星在轨道I与轨道Ⅲ上运行的周期之比为1:22
B.要实现从椭圆轨道B处进人圆轨道Ⅲ,发动机需要向前喷气
C.卫星在轨道I上的机械能大于轨道Ⅲ上的机械能
D.卫星在轨道I和轨道Ⅱ上与地心连线单位时间扫过的面积一定相等
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