2020年高考物理一轮复习 热点题型归纳与变式演练 专题10 天体运动全解全析（含解析）

专题10 天体运动全解全析【专题导航】目录热点题型一开普勒定律万有引力定律的理解与应用1热点题型二 万有引力与重力的关系3热点题型三中心天体质量和密度的估算5热点题型四卫星运行参量的比较与计算7卫星运行参量的比较8同步卫星的运行规律分析8热点题型五宇宙速度的理解与计算10热点题型六近地卫星、赤道上的物体及同步卫星的运行问题12热点题型七 双星及多星模型14双星模型1416热点题型八卫星的变轨问题18卫星参数变化分析19卫星变轨的能量分析21热点题型九卫星中的“追及相遇”问题23【题型演练】25【题型归纳】热点题型一开普勒定律万有引力定律的理解与应用1开普勒行星运动定律(1)行星绕太阳的运动通常按圆轨道处理(2)开普勒行星运动定律也适用于其他天体，例如月球、卫星绕地球的运动(3)开普勒第三定律k中，k值只与中心天体的质量有关，不同的中心天体k值不同2万有引力定律公式FG适用于质点、均匀介质球体或球壳之间万有引力的计算当两物体为匀质球体或球壳时，可以认为匀质球体或球壳的质量集中于球心，r为两球心的距离，引力的方向沿两球心的连线【例1】(2018高考全国卷)为了探测引力波，“天琴计划”预计发射地球卫星P，其轨道半径约为地球半径的16倍；另一地球卫星Q的轨道半径约为地球半径的4倍P与Q的周期之比约为()A21B41 C81 D161【答案】C【解析】由Gmr知，则两卫星.因为rPrQ41，故TPTQ81.【变式1】(2017高考全国卷)如图，海王星绕太阳沿椭圆轨道运动，P为近日点，Q为远日点，M、N为轨道短轴的两个端点，运行的周期为T0.若只考虑海王星和太阳之间的相互作用，则海王星在从P经M、Q到N的运动过程中()A从P到M所用的时间等于 B从Q到N阶段，机械能逐渐变大C从P到Q阶段，速率逐渐变小 D从M到N阶段，万有引力对它先做负功后做正功【答案】CD【解析】在海王星从P到Q的运动过程中，由于引力与速度的夹角大于90，因此引力做负功，根据动能定理可知，速率越来越小，C项正确；海王星从P到M的时间小于从M到Q的时间，因此从P到M的时间小于，A项错误；由于海王星运动过程中只受到太阳引力作用，引力做功不改变海王星的机械能，即从Q到N的运动过程中海王星的机械能守恒，B项错误；从M到Q的运动过程中引力与速度的夹角大于90，因此引力做负功，从Q到N的过程中，引力与速度的夹角小于90，因此引力做正功，即海王星从M到N的过程中万有引力先做负功后做正功，D项正确【变式2】(2019徐州期中)牛顿在思考万有引力定律时就曾想，把物体从高山上水平抛出速度一次比一次大， 落点一次比一次远如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星如图所示是牛顿设想的一颗卫星，它沿椭圆轨道运动下列说法正确的是 ()A 地球的球心与椭圆的中心重合 B卫星在近地点的速率小于在远地点的速率C卫星在远地点的加速度小于在近地点的加速度D卫星与椭圆中心的连线在相等的时间内扫过相等的面积【答案】C【解析】地球的球心与椭圆的焦点重合，选项A错误；根据卫星运动过程中机械能守恒(动能和引力势能之和保持不变)，卫星在近地点的动能大于在远地点的动能，根据动能公式，卫星在近地点的速率大于在远地点的速率，选项B错误；根据万有引力定律和牛顿运动定律，卫星在远地点的加速度小于在近地点的加速度，选项C正确；根据开普勒定律，卫星与地球中心的连线在相等的时间内扫过相等的面积，选项D错误【变式3】(2018高考北京卷)若想检验“使月球绕地球运动的力”与“使苹果落地的力”遵循同样的规律，在已知月地距离约为地球半径60倍的情况下，需要验证 ()A地球吸引月球的力约为地球吸引苹果的力的1/602B月球公转的加速度约为苹果落向地面加速度的1/602C自由落体在月球表面的加速度约为地球表面的1/6D苹果在月球表面受到的引力约为在地球表面的1/60【答案】B【解析】设月球的质量为M月，地球的质量为M，苹果的质量为m，则月球受到的万有引力为F月，苹果受到的万有引力为F，由于月球质量和苹果质量之间的关系未知，故二者之间万有引力的关系无法确定，故A错误；根据牛顿第二定律M月a月，ma，整理可得a月a，故B正确；在月球表面处mg月，由于月球本身的半径大小及其质量与地球的半径、质量关系未知，故无法求出月球表面和地球表面重力加速度的关系，故C错误；苹果在月球表面受到的引力为F，由于月球本身的半径大小及其质量与地球的半径、质量关系未知，故无法求出苹果在月球表面受到的引力与在地球表面受到的引力之间的关系，故D错误热点题型二 万有引力与重力的关系1地球表面的重力与万有引力地面上的物体所受地球的吸引力产生两个效果，其中一个分力提供了物体绕地轴做圆周运动的向心力，另一个分力等于重力(1)在两极，向心力等于零，重力等于万有引力；(2)除两极外，物体的重力都比万有引力小；(3)在赤道处，物体的万有引力分解为两个分力F向和mg刚好在一条直线上，则有FF向mg，所以mgFF向mR.2星体表面上的重力加速度(1)在地球表面附近的重力加速度g(不考虑地球自转)；mgG，得g.(2)在地球上空距离地心rRh处的重力加速度为g，mg，得g所以.【例2】近期天文学界有很多新发现，若某一新发现的星体质量为m、半径为R、自转周期为T、引力常量为G.下列说法正确的是()A如果该星体的自转周期T2 ，则该星体会解体C该星体表面的引力加速度为 D如果有卫星靠近该星体表面做匀速圆周运动，则该卫星的速度大小为 【答案】AD【解析】如果在该星体“赤道”表面有一物体，质量为m，当它受到的万有引力大于跟随星体自转所需的向心力时，即GmR时，有T2，此时，星体处于稳定状态不会解体，而当该星体的自转周期T2时，星体会解体，故选项A正确，B错误；在该星体表面，有Gmg，所以gG，故选项C错误；如果有质量为m的卫星靠近该星体表面做匀速圆周运动，有Gm，解得v，故选项D正确【变式1】(2019安徽皖南八校联考)一颗在赤道上空做匀速圆周运动运行的人造卫星，其轨半径上对应的重力加速度为地球表面重力加速度的四分之一，则某一时刻该卫星观测到地面赤道最大弧长为(已知地球半径为R) ()A.RB.R C.R D.R【答案】A【解析】卫星所在高度处Gmg，而地球表面处Gmg，因为gg，解得r2R，则某一时刻该卫星观测到地面赤道的弧度数为，则观测到地面赤道最大弧长为R，故选A.【变式2】宇航员王亚平在“天宫1号”飞船内进行了我国首次太空授课，演示了一些完全失重状态下的物理现象若飞船质量为m，距地面高度为h，地球质量为M，半径为R，引力常量为G，则飞船所在处的重力加速度大小为()A0 BCD【答案】B【解析】飞船受到的万有引力等于它在该处所受的重力，即Gmg，得g，选项B正确热点题型三中心天体质量和密度的估算中心天体质量和密度常用的估算方法质量的计算使用方法已知量利用公式表达式备注利用运行天体r、TGmrM只能得到中心天体的质量r、vGmMv、TGmGmrM密度的计算利用天体表面重力加速度g、RmgM利用运行天体r、T、RGmrMR3当rR时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、RmgMR3应用公式时注意区分“两个半径”和“两个周期”(1)天体半径和卫星的轨道半径,通常把天体看成一个球体，天体的半径指的是球体的半径卫星的轨道半径指的是卫星围绕天体做圆周运动的圆的半径卫星的轨道半径大于等于天体的半径(2)自转周期和公转周期,自转周期是指天体绕自身某轴线运动一周所用的时间，公转周期是指卫星绕中心天体做圆周运动一周所用的时间自转周期与公转周期一般不相等【例2】为了研究某彗星，人类先后发射了两颗人造卫星卫星A在彗星表面附近做匀速圆周运动，运行速度为v，周期为T；卫星B绕彗星做匀速圆周运动的半径是彗星半径的n倍万有引力常量为G，则下列计算不正确的是 ()A 彗星的半径为B彗星的质量为C彗星的密度为D卫星B的运行角速度为【答案】ACD【解析】由题意可知，卫星A绕彗星表面做匀速圆周运动，则彗星的半径满足：R，故A正确；根据Gm，解得M，故B错误；彗星的密度为，故C正确；根据Gm2r，mR，rnR，则卫星B的运行角速度为，故D正确【变式1】(2018高考全国卷)2018年2月，我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J03180253”，其自转周期T5.19 ms.假设星体为质量均匀分布的球体，已知万有引力常量为6.671011 Nm2/kg2.以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为 ()A5109 kg/m3 B51012 kg/m3C51015 kg/m3D51018 kg/m3【答案】C【解析】脉冲星自转，边缘物体m恰对球体无压力时万有引力提供向心力，则有Gmr，又知Mr3整理得密度kg/m351015 kg/m3.【变式2】我国计划于2019年发射“嫦娥五号”探测器，假设探测器在近月轨道上绕月球做匀速圆周运动，经过时间t(小于绕行周期)，运动的弧长为s，探测器与月球中心连线扫过的角度为(弧度)，引力常量为G，则()A探测器的轨道半径为 B探测器的环绕周期为 C月球的质量为 D月球的密度为 【答案】C【解析】利用sr，可得轨道半径r，选项A错误；由题意可知，角速度，故探测器的环绕周期T，选项B错误；根据万有引力提供向心力可知，Gm，再结合v可以求出M，选项C正确；由于不知月球的半径，所以无法求出月球的密度，选项D错误热点题型四卫星运行参量的比较与计算1卫星的轨道(1)赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面内，同步卫星就是其中的一种(2)极地轨道：卫星的轨道过南北两极，即在垂直于赤道的平面内，如极地气象卫星(3)其他轨道：除以上两种轨道外的卫星轨道，且轨道平面一定通过地球的球心2地球同步卫星的特点：六个“一定”3卫星的各物理量随轨道半径变化的规律4解决天体圆周运动问题的两条思路(1)在中心天体表面或附近而又不涉及中心天体自转运动时，万有引力等于重力，即Gmg，整理得GMgR2，称为黄金代换(g表示天体表面的重力加速度)(2)天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力，即Gmmr2mman.卫星运行参量的比较【例4】地球赤道上有一物体随地球的自转，所受的向心力为F1，向心加速度为a1，线速度为v1，角速度为1；绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星(高度忽略)，所受的向心力为F2，向心加速度为a2，线速度为v2，角速度为2；地球的同步卫星所受的向心力为F3，向心加速度为a3，线速度为v3，角速度为3；地球表面的重力加速度为g，第一宇宙速度为v，假设三者质量相等，则()AF1F2F3 Ba1a2ga3 Cv1v2vv3 D132【答案】D【解析】地球同步卫星的运动周期与地球自转周期相同，角速度相同，即13，根据关系式vr和a2r可知，v1v3，a1a3；人造卫星和地球同步卫星都围绕地球转动，它们受到的地球的引力提供向心力，即Gm2rma可得v，aG，可见，轨道半径大的线速度、向心加速度和角速度均小，即v2v3，a2a3，23；绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星(高度忽略)的线速度就是第一宇宙速度，即v2v，其向心加速度等于重力加速度，即a2g；所以vv2v3v1，ga2a3a1，231，又因为Fma，所以F2F3F1.由以上分析可见，选项A、B、C错误，D正确同步卫星的运行规律分析【例5】(2016高考全国卷)利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯目前，地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为()A1 h B4 h C8 h D16 h【答案】B【解析】设地球半径为R，画出仅用三颗地球同步卫星使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯时同步卫星的最小轨道半径示意图，如图所示由图中几何关系可得，同步卫星的最小轨道半径r2R.设地球自转周期的最小值为T，则由开普勒第三定律可得，解得T4 h，选项B正确【变式1】(2019合肥调研)2018年7月27日，发生了“火星冲日”现象，火星运行至距离地球最近的位置，火星冲日是指火星、地球和太阳几乎排列成一条直线，地球位于太阳与火星之间，此时火星被太阳照亮的一面完全朝向地球，所以明亮易于观察，地球和火星绕太阳公转的方向相同，轨道都近似为圆，火星公转轨道半径为地球的1.5倍，则下列说法正确()A 地球与火星的公转角速度大小之比为23 B地球与火星的公转线速度大小之比为32C地球与火星的公转周期之比为D地球与火星的向心加速度大小之比为【答案】C【解析】根据Gmm2rmma，解得，则地球与火星的公转角速度大小之比为，选项A错误；v，则地球与火星的公转线速度大小之比为，选项B错误；T2，则地球与火星的公转周期之比为 ，选项C正确；a，则地球与火星的向心加速度大小之比为94，选项D错误【变式2】.(2018高考江苏卷)我国高分系列卫星的高分辨对地观察能力不断提高今年5月9日发射的“高分五号”轨道高度约为705 km，之前已运行的“高分四号”轨道高度约为36 000 km，它们都绕地球做圆周运动与“高分四号”相比，下列物理量中“高分五号”较小()A周期B角速度 C线速度 D向心加速度【答案】A【解析】卫星围绕地球做匀速圆周运动，满足Gmrm2rmma，由此可推出，半径r越小，周期T越小，选项A正确；半径r越小，角速度、线速度v、向心加速度a越大，选项B、C、D错误【变式3】(2019湖北七市联考)人造地球卫星在绕地球做圆周运动的过程中，下列说法中正确的是()A卫星离地球越远，角速度越大B同一圆轨道上运行的两颗卫星，线速度大小一定相等C一切卫星运行的瞬时速度都大于7.9 km/sD地球同步卫星可以在以地心为圆心、离地高度为固定值的一切圆轨道上运动【答案】B【解析】卫星所受的万有引力提供向心力，则Gmm2r，可知r越大，角速度越小，r相等时，线速度相等，A错误，B正确.7.9 km/s是人造地球卫星的最大环绕速度，C错误因为地球会自转，同步卫星只能在赤道上方的轨道上运动，D错误【变式4】(2019广东省揭阳市期末)如图所示是北斗导航系统中部分卫星的轨道示意图，已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动，a是地球同步卫星，则()A卫星a的角速度小于c的角速度 B卫星a的加速度大于b的加速度C卫星a的运行速度大于第一宇宙速度 D卫星b的周期大于24 h【答案】A【解析】根据公式Gm2r可得 ，运动半径越大，角速度越小，故卫星a的角速度小于c的角速度，A正确；根据公式Gma可得a，由于a、b的轨道半径相同，所以两者的向心加速度大小相同，B错误；第一宇宙速度是近地轨道卫星做圆周运动的最大环绕速度，根据公式Gm可得v ，半径越大，线速度越小，所以卫星a的运行速度小于第一宇宙速度，C错误；根据公式Gmr可得T2 ，故轨道半径相同，周期相同，所以卫星b的周期等于24 h，D错误热点题型五宇宙速度的理解与计算1第一宇宙速度的推导方法一：由Gm得v17.9103 m/s.方法二：由mgm得v17.9103 m/s.第一宇宙速度是发射地球人造卫星的最小速度，也是地球人造卫星的最大环绕速度，此时它的运行周期最短，Tmin285 min.2宇宙速度与运动轨迹的关系(1)v发7.9 km/s时，卫星绕地球表面附近做匀速圆周运动(2)7.9 km/sv发11.2 km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆(3)11.2 km/sv发16.7 km/s，卫星绕太阳做椭圆运动(4)v发16.7 km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间【例6】(多选)(2019河南新乡模拟)美国国家科学基金会宣布，天文学家发现一颗迄今为止与地球最类似的行星，该行星绕太阳系外的红矮星Gliese581做匀速圆周运动这颗行星距离地球约20光年，公转周期约为37天，它的半径大约是地球的1.9倍，表面重力加速度与地球相近下列说法正确的是()A 该行星的公转角速度比地球大 B该行星的质量约为地球质量的3.6倍C该行星第一宇宙速度为7.9 km/sD要在地球上发射航天器到达该星球，发射速度只需达到地球的第二宇宙速度即可【答案】AB【解析】该行星的公转周期约为37天，而地球的公转周期为365天，根据可知该行星的公转角速度比地球大，选项A正确；忽略星球自转的影响，根据万有引力等于重力列出等式：Gmg，解得：g，这颗行星的重力加速度与地球相近，它的半径大约是地球的1.9倍，所以它的质量是地球的3.6倍，故B正确；要在该行星表面发射人造卫星，发射的速度最小为第一宇宙速度，第一宇宙速度v，R为星球半径，M为星球质量，所以这颗行星的第一宇宙速度大约是地球的倍，而地球的第一宇宙速度为7.9 km/s，故该星球的第一宇宙速度为7.9 km/s11.2 km/s，故C错误；由于这颗行星在太阳系外，所以航天器的发射速度至少要达到第三宇宙速度，故D错误【变式1】.(多选)(2019安徽师大附中期中)登上火星是人类的梦想，“嫦娥之父”欧阳自远透露：中国计划于2020年登陆火星地球和火星的公转视为匀速圆周运动忽略行星自转影响，火星和地球相比()行星半径/m质量/kg公转轨道半径/m地球6.41066.010241.51011火星3.41066.410232.31011A.火星的“第一宇宙速度”约为地球的第一宇宙速度的0.45倍B火星的“第一宇宙速度”约为地球的第一宇宙速度的1.4倍C火星公转的向心加速度约为地球公转的向心加速度的0.43倍D火星公转的向心加速度约为地球公转的向心加速度的0.28倍【答案】AC【解析】根据第一宇宙速度公式v(M指中心天体火星或地球的质量)得0.45，故A正确，B错误；根据向心加速度公式a(M指中心天体太阳的质量)得0.43，故C正确，D错误【变式3】(多选)据悉，2020年我国将进行第一次火星探测，向火星发射轨道探测器和火星巡视器已知火星的质量约为地球质量的 ，火星的半径约为地球半径的 .下列关于火星探测器的说法中正确的是()A发射速度只要大于第一宇宙速度即可B发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C发射速度应大于第二宇宙速度且小于第三宇宙速度D火星探测器环绕火星运行的最大速度约为地球的第一宇宙速度的 【答案】CD【解析】要将火星探测器发射到火星上去，必须脱离地球引力，即发射速度要大于第二宇宙速度，火星探测器仍在太阳系内运转，因此从地球上发射时，发射速度要小于第三宇宙速度，选项A、B错误，C正确；由第一宇宙速度的概念，得Gm，则v1，故火星探测器环绕火星运行的最大速度与地球的第一宇宙速度的比值约为，选项D正确热点题型六近地卫星、赤道上的物体及同步卫星的运行问题三种匀速圆周运动的参量比较近地卫星(r1、1、v1、a1)同步卫星(r2、2、v2、a2)赤道上随地球自转的物体(r3、3、v3、a3)向心力来源万有引力万有引力万有引力的一个分力线速度由Gm得v，故v1v2由vr得v2v3v1v2v3向心加速度由Gma得a，故a1a2由a2r得a2a3a1a2a3轨道半径r2r3r1角速度由Gm2r得，故12同步卫星的角速度与地球自转角速度相同，故23123【例7】(多选)(2019大庆中学模拟)如图所示，A表示地球同步卫星，B为运行轨道比A低的一颗卫星，C为地球赤道上某一高山山顶上的一个物体，两颗卫星及物体C的质量都相同，关于它们的线速度、角速度、运行周期和所受到的万有引力的比较，下列关系式正确的是 ()AvBvAvC BABC CFAFBFC DTATCTB【答案】AD【解析】A、C的角速度相等，由vr，可知vCvA，由人造卫星的速度公式：v，可知vAvB，因而vBvAvC，故A正确； A、C的角速度相等，根据知A的角速度小于B的角速度，故ACTB，故D正确【变式1】.(多选)地球同步卫星离地心的距离为r，运行速率为v1，向心加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，地球的半径为R，第一宇宙速度为v2，则下列比例关系中正确的是()A. B.()2 C. D.【答案】AD【解析】设地球质量为M，同步卫星的质量为m1，地球赤道上物体的质量为m，根据向心加速度和角速度的关系有a1r，a2R，又12，故，选项A正确；由万有引力定律和牛顿第二定律得Gm1，Gm，解得，选项D正确热点题型七 双星及多星模型1模型特征(1)多星系统的条件各星彼此相距较近各星绕同一圆心做匀速圆周运动(2)多星系统的结构类型双星模型三星模型结构图向心力由两星之间的万有引力提供，故两星的向心力大小相等运行所需向心力都由其余行星对其万有引力的合力提供运动参量两星转动方向相同，周期、角速度相等2.思维引导双星模型【例8】(2018全国卷20)2017年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波根据科学家们复原的过程，在两颗中子星合并前约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做是质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量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【答案】BC【解析】两颗中子星运动到某位置的示意图如图所示每秒转动12圈，角速度已知中子星运动时，由万有引力提供向心力得m12r1m22r2lr1r2由式得2l，所以m1m2，质量之和可以估算由线速度与角速度的关系vr得v1r1v2r2由式得v1v2(r1r2)l，速率之和可以估算质量之积和各自自转的角速度无法求解【变式1】2018年5月25日21时46分，探月工程嫦娥四号任务“鹊桥”中继卫星成功实施近月制动，进入月球至地月拉格朗日L2点的转移轨道当“鹊桥”位于拉格朗日点(如图中的L1、L2、L3、L4、L5所示，人们称为地月系统拉格朗日点)上时，会在月球与地球的共同引力作用下，几乎不消耗燃料而保持与月球同步绕地球做圆周运动，下列说法正确的是(月球的自转周期等于月球绕地球运动的周期)()A“鹊桥”位于L2点时，“鹊桥”绕地球运动的周期和月球的自转周期相等B“鹊桥”位于L2点时，“鹊桥”绕地球运动的向心加速度大于月球绕地球运动的向心加速度CL3和L2到地球中心的距离相等D“鹊桥”在L2点所受月球和地球引力的合力比在其余四个点都要大【答案】ABD【解析】“鹊桥”位于L2点时，由于“鹊桥”与月球同步绕地球做圆周运动，所以“鹊桥”绕地球运动的周期和月球绕地球运动的周期相等，又月球的自转周期等于月球绕地球运动的周期，故选项A正确；“鹊桥”位于L2点时，由于“鹊桥”与月球绕地球做圆周运动的周期相同，“鹊桥”的轨道半径大，根据公式ar分析可知，“鹊桥”绕地球运动的向心加速度大于月球绕地球运动的向心加速度，故选项B正确；如果L3和L2到地球中心的距离相等，则“鹊桥”在L2点受到月球与地球引力的合力更大，加速度更大，所以周期更短，故L2到地球中心的距离大于L3到地球中心的距离，选项C错误；在5个点中，L2点离地球最远，所以在L2点“鹊桥”所受合力最大，故选项D正确【变式2】双星系统由两颗绕着它们中心连线上的某点旋转的恒星组成假设两颗恒星质量相等，理论计算它们绕连线中点做圆周运动，理论周期与实际观测周期有出入，且(n1)，科学家推测，在以两星球中心连线为直径的球体空间中均匀分布着暗物质，设两星球中心连线长度为L，两星球质量均为m，据此推测，暗物质的质量为()A(n1)m B(2n1)m C.m D.m【答案】C【解析】双星运动过程中万有引力提供向心力：Gm()2，解得T理论；设暗物质的质量为M，对星球由万有引力提供向心力GGm()2，解得T观测.根据，联立以上可得：Mm ，选项C正确(1)定义：所研究星体的万有引力的合力提供做圆周运动的向心力，除中央星体外，各星体的角速度或周期相同(2)三星模型：三颗星位于同一直线上，两颗环绕星围绕中央星在同一半径为R的圆形轨道上运行(如图甲所示)三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点上(如图乙所示)(3)四星模型：其中一种是四颗质量相等的星体位于正方形的四个顶点上，沿着外接于正方形的圆形轨道做匀速圆周运动(如图丙所示)另一种是三颗星体始终位于正三角形的三个顶点上，另一颗位于中心O，外围三颗星绕O做匀速圆周运动(如图丁所示)【例9】(2019广州执信中学期中)太空中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式：一种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星在同一半径为R的圆轨道上运行；另一种形式是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行设这三个星体的质量均为M，并设两种系统的运动周期相同，则()A直线三星系统中甲星和丙星的线速度相同 B直线三星系统的运动周期T4RC三角形三星系统中星体间的距离L R D三角形三星系统的线速度大小为【答案】BC【解析】直线三星系统中甲星和丙星的线速度大小相同，方向相反，选项A错误；三星系统中，对直线三星系统有GGMR，解得T4R，选项B正确；对三角形三星系统根据万有引力和牛顿第二定律可得2Gcos 30M，联立解得LR，选项C正确；三角形三星系统的线速度大小为v，代入解得v，选项D错误【变式2】(2019广东省高考第一次模拟)如图，天文观测中观测到有三颗星位于边长为l的等边三角形三个顶点上，并沿等边三角形的外接圆做周期为T的匀速圆周运动已知引力常量为G，不计其他星体对它们的影响，关于这个三星系统，下列说法正确的是()A三颗星的质量可能不相等 B某颗星的质量为C它们的线速度大小均为 D它们两两之间的万有引力大小为【答案】BD【解析】轨道半径等于等边三角形外接圆的半径，rl.根据题意可知其中任意两颗星对第三颗星的合力指向圆心，所以这两颗星对第三颗星的万有引力等大，由于这两颗星到第三颗星的距离相同，故这两颗星的质量相同，所以三颗星的质量一定相同，设为m，则2Gcos 30ml，解得m，它们两两之间的万有引力FGG，A错误，B、D正确；线速度大小为v，C错误【变式2】(2019聊城模拟)如图所示，甲、乙、丙是位于同一直线上的离其他恒星较远的三颗恒星，甲、丙围绕乙在半径为R的圆轨道上运行，若三颗星质量均为M，万有引力常量为G，则()A甲星所受合外力为B乙星所受合外力为C甲星和丙星的线速度相同 D甲星和丙星的角速度相同【答案】AD【解析】甲星所受合外力为乙、丙对甲星的万有引力的合力，F甲，选项A正确；由对称性可知，甲、丙对乙星的万有引力等大反向，乙星所受合力为零，选项B错误；由于甲、丙位于同一轨道上，甲、丙的角速度相同，由vR可知，甲、丙两星的线速度大小相同，但方向相反，故选项C错误，D正确热点题型八卫星的变轨问题人造地球卫星的发射过程要经过多次变轨，如图所示，我们从以下几个方面讨论1变轨原理及过程(1)为了节省能量，在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道上(2)在A点点火加速，由于速度变大，万有引力不足以提供在轨道上做圆周运动的向心力，卫星做离心运动进入椭圆轨道.(3)在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道.2物理量的定性分析(1)速度：设卫星在圆轨道和上运行时的速率分别为v1、v3，在轨道上过A点和B点时速率分别为vA、vB.因在A点加速，则vAv1，因在B点加速，则v3vB，又因v1v3，故有vAv1v3vB.(2)加速度：因为在A点，卫星只受到万有引力作用，故不论从轨道还是轨道上经过A点，卫星的加速度都相同同理，从轨道和轨道上经过B点时加速度也相同(3)周期：设卫星在、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T1T2T3.(4)机械能：在一个确定的圆(椭圆)轨道上机械能守恒若卫星在、轨道的机械能分别为E1、E2、E3，则E1E2E3.卫星参数变化分析【例10】(多选)如图所示，发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火将卫星送入椭圆轨道2，然后再次点火，将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，2、3相切于P点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，下列说法中正确的是 ()A卫星在轨道3上的速率小于在轨道1上的速率B卫星在轨道3上的角速度大于在轨道1上的角速度C卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度D卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度【答案】AD【解析】由万有引力提供向心力得：v，则半径大的速率小，则A正确；由万有引力提供向心力得：，则半径大的角速度小，则B错误；在同一点所受的地球的引力相等，则加速度相等，故C错误，D正确【方法技巧】(1)卫星的变轨问题要用到圆周运动中“离心运动”和 “近心运动”的知识去分析；(2)卫星在太空中某点的加速度a，与卫星的运动轨迹无关，仅由卫星的位置决定【变式1】(2017高考全国卷)2017年4月，我国成功发射的天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室完成了首次交会对接，对接形成的组合体仍沿天宫二号原来的轨道(可视为圆轨道)运行与天宫二号单独运行时相比，组合体运行的()A周期变大B速率变大C动能变大D向心加速度变大【答案】C【解析】组合体比天宫二号质量大，轨道半径R不变，根据m，可得v，可知与天宫二号单独运行时相比，组合体运行的速率不变，B项错误；又T，则周期T不变，A项错误；质量变大、速率不变，动能变大，C项正确；向心加速度a，不变，D项错误【变式2】(2019江南十校联考)据外媒综合报道，英国著名物理学家史蒂芬霍金在2018年3月14日去世，享年76岁这位伟大的物理学家，向人类揭示了宇宙和黑洞的奥秘高中生对黑洞的了解为光速是在星球(黑洞)上的第二宇宙速度对于普通星球，如地球，光速仍远远大于其宇宙速度现对于发射地球同步卫星的过程分析，卫星首先进入椭圆轨道，P点是轨道上的近地点，然后在Q点通过改变卫星速度，让卫星进入地球同步轨道，则()A卫星在同步轨道上的运行速度大于第一宇宙速度7.9 km/sB该卫星的发射速度必定大于第二宇宙速度11.2 km/sC在轨道上，卫星在P点的速度大于第一宇宙速度7.9 km/sD在轨道上，卫星在Q点的速度大于第一宇宙速度7.9 km/s【答案】C【解析】第一宇宙速度是近地轨道的线速度，根据Gm可知v，故轨道半径越大，线速度越小，所以同步卫星的运行速度小于第一宇宙速度，A错误；该卫星为地球的卫星，所以发射速度小于第二宇宙速度，B错误；P点为近地轨道上的一点，但要从近地轨道变轨到轨道，则需要在P点加速，所以在轨道上卫星在P点的速度大于第一宇宙速度，C正确；在Q点要从轨道变轨到轨道，则需要在Q点加速，即轨道上经过Q点的速度大于轨道上经过Q点的速度，而轨道上的速度小于第一宇宙速度，故在轨道上经过Q点时的速度小于第一宇宙速度，D错误卫星变轨的能量分析【例11】(2019陕西省宝鸡市质检二)如图所示，质量为m的人造地球卫星与地心的距离为r时，引力势能可表示为Ep，其中G为引力常量，M为地球质量，该卫星原来在半径为R1的轨道上绕地球做匀速圆周运动，经过椭圆轨道的变轨过程进入半径为R3的圆形轨道继续绕地球运动，其中P点为轨道与轨道的切点，Q点为轨道与轨道的切点，下列判断正确的是()A卫星在轨道上的动能为GB卫星在轨道上的机械能等于GC卫星在轨道经过Q点时的加速度小于在轨道上经过Q点时的加速度D卫星在轨道上经过P点时的速率大于在轨道上经过P点时的速率【答案】AB【解析】在轨道上，有：Gm，解得：v1，则动能为Ek1mv12，故A正确；在轨道上，有：Gm，解得：v3，则动能为Ek3mv32，引力势能为Ep，则机械能为EEk3Ep，故B正确；由Gma得：a，两个轨道上Q点到地心的距离不变，故向心加速度的大小不变，故C错误；卫星要从轨道变到轨道上，经过P点时必须点火加速，即卫星在轨道上经过P点时的速率小于在轨道上经过P点时的速率，故D错误【变式1】(2019安徽淮南模拟)2018年4月2日8时15分左右，遨游太空6年多的天宫一号，在中国航天人的实时监测和全程跟踪下，作别太空再入大气层天宫一号绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁未燃尽部分坠落在南太平洋中部区域“天宫一号回家之路”简化为图示模型：天宫一号在远地轨道1做圆周运动，近地过程先经过椭圆轨道2，然后在近地圆轨道3运行，最终进入大气层巳知轨道1和3的轨道半径分别为R1和R2，在轨道1的运行周期为T，质量为m的天宫一号与地心的距离为r时，引力势能可表示为Ep，其中G为引力常量，M为地球质量则天宫一号在轨道2运行的周期和从轨道1到轨道3过程中机械能变化量分别为()A.T，0 B.T，() C.T，() D.T，() 【答案】B【解析】天宫一号在轨道2运行的轨道半径为r2，由开普勒第三定律可得，解得天宫一号在轨道2运行周期T2T；由可知Ekmv2，在轨道1上的机械能E1Ep1Ek1，在轨道3上的机械能E3Ep3Ek3，从轨道1到轨道3过程中机械能变化量EE3E1()，故B正确，A、C、D错误【变式2】(2019河北省唐山市上学期期末)登陆火星需经历如图所示的变轨过程，已知引力常量为G，则下列说法正确的是()A飞船在轨道上运动时，运行的周期TTTB飞船在轨道上的机械能大于在轨道上的机械能C飞船在P点从轨道变轨到轨道，需要在P点朝速度方向喷气D若轨道贴近火星表面，已知飞船在轨道上运动的角速度，可以推知火星的密度【答案】ACD【解析】根据开普勒第三定律k可知，飞船在轨道上运动时，运行的周期TTT，选项A正确；飞船在P点从轨道变轨到轨道，需要在P点朝速度方向喷气，从而使飞船减速到达轨道，则在轨道上机械能小于在轨道的机械能，选项B错误，C正确；根据Gm2R以及MR3，解得，即若轨道贴近火星表面，已知飞船在轨道上运动的角速度，可以推知火星的密度，选项D正确热点题型九卫星中的“追及相遇”问题某星体的两颗卫星之间的距离有最近和最远之分，但它们都处在同一条直线上由于它们的轨道不是重合的，因此在最近和最远的相遇问题上不能通过位移或弧长相等来处理，而是通过卫星运动的圆心角来衡量，若它们的初始位置与中心天体在同一直线上，内轨道所转过的圆心角与外轨道所转过的圆心角之差为的整数倍时就是出现最近或最远的时刻【例12】在赤道平面内有三颗在同一轨道上运行的卫星，三颗卫星在此轨道均匀分布，其轨道距地心的距离为地球半径的3.3倍，三颗卫星自西向东环绕地球转动某时刻其中一颗人造卫星处于A城市的正上方，已知地球的自转周期为T，地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍，则A城市正上方出现下一颗人造卫星至少间隔的时间约为()A0.18TB0.24T C0.32TD0.48T【答案】A【解析】地球的自转周期为T，即地球同步卫星的周期为T，根据开普勒第三定律得：解得：T1T下一颗人造卫星出现在A城市的正上方，相对A城市转过的角度为，则有()t解得：t0.18T，故应选A.【方法技巧】对于天体追及问题的处理思路(1)根据mr2，可判断出谁的角速度大；(2)根据天体相距最近或最远时，满足的角度差关系进行求解【变式1】(2019河南洛阳尖子生一联)设金星和地球绕太阳中心的运动是公转方向相同且轨道共面的匀速圆周运动，金星在地球轨道的内侧(称为地内行星)，在某特殊时刻，地球、金星和太阳会出现在一条直线上，这时候从地球上观测，金星像镶嵌在太阳脸上的小黑痣缓慢走过太阳表面，天文学称这种现象为“金星凌日”，假设地球公转轨道半径为R，“金星凌日”每隔t0年出现一次，则金星的公转轨道半径为()A.RBRCRDR【答案】D【解析】根据开普勒第三定律有，“金星凌日”每隔t0年出现一次，故()t02，已知T地1年，联立解得，因此金星的公转轨道半径R金R，故D正确【变式2】(2019江西重点中学联考)小型登月器连接在航天站上，一起绕月球做匀速圆周运动，其轨道半径为月球半径的3倍，某时刻，航天站使登月器减速分离，登月器沿如图所示的椭圆轨道登月，在月球表面逗留一段时间完成科考工作后，经快速启动仍沿原椭圆轨道返回，当第一次回到分离点时恰与航天站对接，登月器的快速启动时间可以忽略不计，整个过程中航天站保持原轨道绕月运行已知月球表面的重力加速度为g，月球半径为R，不考虑月球自转的影响，则登月器可以在月球上停留的最短时间约为()A10 6 B6 4 C10 2 D6 2 【答案】B【解析】当登月器和航天站在半径为3R的轨道上绕月球做匀速圆周运动时，应用牛顿第二定律有m，r3R，则有T2 6 .在月球表面的物体所受重力近似等于万有引力，可得GMgR2，所以T6，登月器在椭圆轨道上运行的周期用T1表示，航天站在圆轨道上运行的周期用T2表示，对登月器和航天站依据开普勒第三定律有，为使登月器仍沿原椭圆轨道回到分离点与航天站实现对接，登月器可以在月球表面停留的时间t应满足tnT2T1(其中n1、2、3、)，联立式得t6n4(其中n1、2、3、)，当n1时，登月器可以在月球上停留的时间最短，即tmin6 4 .【题型演练】1.(2019湖北武汉调研)如图为人造地球卫星的轨道示意图，LEO是近地轨道，MEO是中地球轨道，GEO是地球同步轨道，GTO是地球同步转移轨道已知地球的半径R6 400 km，该图中MEO卫星的周期约为(图中数据为卫星近地点、远地点离地面的高度)()A3 h B8 h C15 h D20 h【答案】A【解析】根据题图中MEO卫星距离地面高度为4 200 km，可知轨道半径约为R110 600 km，同步轨道上GEO卫星距离地面高度为36 000 km，可知轨道半径约为R242 400 km，为MEO卫星轨道半径的4倍，即R24R1.地球同步卫星的周期为T224 h，运用开普勒第三定律，解得T13 h，选项A正确2.我国探月的“嫦娥工程”已启动，在不久的将来，我国宇航员将登上月球假如宇航员在月球上测得摆长为L的单摆做小振幅振动的周期为T，将月球视为密度均匀、半径为r的球体，则月球的密度为()A. B. C. D .【答案】B【解析】据题意，已知月球上单摆的周期为T，据单摆周期公式有T2，可以求出月球表面重力加速度为g；根据月球表面物体重力等于月球对它万有引力，有Gmg，月球平均密度设为，MVr3，联立以上关系可以求得，故选项B正确3一宇宙飞船绕地心做半径为r的匀速圆周运动，飞船舱内有一质量为m的人站在可称体重的台秤上用R表示地球的半径，g表示地球表面处的重力加速度，g表示宇宙飞船所在处的地球引力加速度，FN表示人对秤的压力，下面说法中正确的是()Agg Bgg CFNmg DFNmg【答案】B【解析】做匀速圆周运动的飞船及其上的人均处于完全失重状态，台秤无法测出其重力，故FN0，C、D错误；对地球表面的物体，Gmg，宇宙飞船所在处，Gmg，可得gg，A错误，B正确4据报道，科学家们在距离地球20万光年外发现了首颗系外“宜居”行星假设该行星质量约为地球质量的6.4倍，半径约为地球半径的2倍那么，一个在地球表面能举起64 kg物体的人，在这个行星表面能举起的物体的质量约为(地球表面重力加速度g取10 m/s2)()A40 kg B50 kg C60 kg D30 kg【答案】A【解析】在地球表面，万有引力近似等于重力mg，得g，因为行星质量约为地球质量的6.4倍，其半径约为地球半径的2倍，则行星表面重力加速度是地球表面重力加速度的1.6倍，而人的举力可认为是不变的，则人在行星表面所举起的物体的质量为m kg40 kg，故A正确5(2019河北石家庄模拟)如图所示，人造卫星A、B在同一平面内绕地心O做匀速圆周运动，已知AB连线与AO连线间的夹角最大为，则卫星A、B的线速度之比为()Asin B.C.D. 【答案】C【解析】由题图可知，当AB连线与B所在的圆周相切时，AB连线与AO连线的夹角最大，由几何关系可知，sin ；根据Gm可知，v，故，选项C正确6.(2019天津模拟)中国北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统预计2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力如图所示是北斗导航系统中部分卫星的轨道示意图，已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动，a是地球同步卫星，则()A卫星a的角速度小于c的角速度 B卫星a的加速度大于b的加速度C卫星a的运行速度大于第一宇宙速度 D卫星b的周期大于24 h【答案】A【解析】a的轨道半径大于c的轨道半径，因此卫星a的角速度小于c的角速度，选项A正确；a的轨道半径与b的轨道半径相等，因此卫星a的加速度等于b的加速度，选项B错误；a的轨道半径大于地球半径，因此卫星a的运行速度小于第一宇宙速度，选项C错误；a的轨道半径与b的轨道半径相等，卫星b的周期等于a的周期，为24 h，选项D错误7(2019江苏淮安质检)科学家预测银河系中所有行星的数量大概在23万亿之间目前在银河系发现一颗类地行星，半径是