内容正文:
第4课时 天体运动:“万能公式”的N种写法
一、核心任务
能根据“高空”、“近地”、“同步”等不同“题眼”,正确写出万有引力提供向心力的等式,并用“黄金代换”简化计算。
二、今日菜篮子
开普勒三定律(轨道定律、面积定律、周期定律)、万有引力定律(F=GMm/r²)、万有引力提供向心力的四种基本表达式(线速度、角速度、周期、加速度)、“黄金代换”(GM=gR²)。
三、三步破题流程
圈题眼:“近地卫星”(轨道半径r≈R)、“同步卫星”(周期T=24h)、“表面重力加速度g”(用mg=GMm/R²即黄金代换)、“椭圆轨道”(用开普勒第三定律a³/T²=k)。
建模型:画天体与卫星的相对位置图,标出中心天体质量M、卫星质量m、轨道半径r、万有引力方向。
定依据:总公式——GMm/r² = mv²/r = mω²r = m(4π²/T²)r = ma。地面附近——GM=gR²。
四、任务清单
题眼配对:
1、 同桌间互相说出以下题眼对应公式:
“近地卫星”→GMm/R²=mg(黄金代换)
“同步卫星”→周期T=24h,角速度ω不变
“表面附近”→轨道半径≈天体半径R
“椭圆轨道”→用开普勒第三定律
2、 默写“已知r、T,求M”和“已知g、R,求M和ρ”的推导过程。
真题检验:完成陕晋青宁卷第2题(天问三号)。圈出“轨道半径”和“轨道周期”,明确核心方程GMm/r² = m(4π²/T²)r。追问:“为什么不能求体积?”(未知火星半径R)。
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3 750 km,轨道周期约2 h。引力常量G取6.67×10-11 N·m2/kg2,根据以上数据可推算出火星的( )
综合应用:完成山东卷第6题(舱段分离)。先由万有引力求分离前组合体速度V,再由分离瞬间的动量守恒求V1。
轨道舱与返回舱的组合体,绕质量为M的行星做半径为r的圆周运动,轨道舱与返回舱的质量比为5∶1。如图所示,轨道舱在P点沿运动方向向前弹射返回舱,分开瞬间返回舱相对行星的速度大小为2,G为引力常量,此时轨道舱相对行星的速度大小为( )
完成北京卷第7题(变轨问题)。画出轨道1和轨道2的示意图,在A点标出“加速变轨”,并用开普勒第二定律解释从A到B速度大小变化的原因。
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( )
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
5、 作业:
把之前做过的试卷拿出来找天体问题只写核心方程,不计算。
“天体运动——万有引力提供向心力是总依据。记住黄金代换,善用开普勒定律。”
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