2018-2019学年高中物理 第5章 万有引力与航天 习题课 变轨问题 双星问题学案 沪科版必修2.doc

习题课变轨问题双星问题学习目标 1.理解赤道物体、同步卫星和近地卫星的区别.2.会分析卫星(或飞船)的变轨问题.3.掌握双星的运动特点及其问题的分析方法一、“赤道上物体”“同步卫星”和“近地卫星”的比较例1如图1所示，A为地面上的待发射卫星，B为近地圆轨道卫星，C为地球同步卫星三颗卫星质量相同，三颗卫星的线速度大小分别为vA、vB、vC，角速度大小分别为A、B、C，周期分别为TA、TB、TC，向心加速度分别为aA、aB、aC，则()图1AACB BTATCTBCvAvCaB答案A解析同步卫星与地球自转同步，故TATC，AC，由vr及a2r得vCvA，aCaA同步卫星和近地卫星，根据mm2rmrma，知vBvC，BC，TBaC.故可知vBvCvA，BCA，TBaCaA.选项A正确，B、C、D错误同步卫星、近地卫星、赤道上物体的比较1同步卫星和近地卫星：相同点：都是万有引力提供向心力即都满足mm2rmrma.由上式比较各运动量的大小关系，即r越大，v、a越小，T越大2同步卫星和赤道上物体相同点：周期和角速度相同不同点：向心力来源不同对于同步卫星有mam2r对于赤道上物体，有mgm2r，因此要通过vr，a2r比较两者的线速度和向心加速度的大小针对训练1(多选)关于近地卫星、同步卫星、赤道上的物体，以下说法正确的是()A都是万有引力等于向心力B赤道上的物体和同步卫星的周期、线速度、角速度都相等C赤道上的物体和近地卫星的线速度、周期不同D同步卫星的周期大于近地卫星的周期答案CD解析赤道上的物体是由万有引力的一个分力提供向心力，A项错误；赤道上的物体和同步卫星有相同周期和角速度，但线速度不同，B项错误；同步卫星和近地卫星有相同的中心天体，根据mmr得v，T2，由于r同r近，故v同T近，D项正确；赤道上物体、近地卫星、同步卫星三者间的周期关系为T赤T同T近，根据vr可知v赤v同，则线速度关系为v赤v同T2，B项正确；在Q点从轨道1到轨道2需要做离心运动，故需要加速所以在Q点v2Qv1Q，C项错误；在同一点P，由ma知，卫星在轨道2上经过P点的向心加速度等于它在轨道3上经过P点的向心加速度，D项错误判断卫星变轨时速度、向心加速度变化情况的思路：(1)判断卫星在不同圆轨道的运行速度大小时，可根据“越远越慢”的规律判断(2)判断卫星在同一椭圆轨道上不同点的速度大小时，可根据开普勒第二定律判断，即离中心天体越远，速度越小(3)判断卫星由圆轨道进入椭圆轨道或由椭圆轨道进入圆轨道时的速度大小如何变化时，可根据离心运动或近心运动的条件进行分析(4)判断卫星的向心加速度大小时，可根据aG判断针对训练2(多选)如图4所示，发射同步卫星的一般程序是：先让卫星进入一个近地的圆轨道，然后在P点变轨，进入椭圆形转移轨道(该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P点，远地点为同步圆轨道上的Q点)，到达远地点Q时再次变轨，进入同步轨道设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在椭圆形转移轨道的近地点P点的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在同步轨道上的速率为v4，三个轨道上运动的周期分别为T1、T2、T3, 则下列说法正确的是()图4A在P点变轨时需要加速，Q点变轨时要减速B在P点变轨时需要减速，Q点变轨时要加速CT1T2T3Dv2v1v4v3答案CD解析卫星在椭圆形转移轨道的近地点P时做离心运动，所受的万有引力小于所需要的向心力，即Gm，而在圆轨道时万有引力等于向心力，即Gm，所以v2v1；同理，由于卫星在转移轨道上Q点做离心运动，可知v3v4，故选项A、B错误；又由人造卫星的线速度v可知v1v4，由以上所述可知选项D正确；由于轨道半径(半长轴)r1r2r3，由开普勒第三定律k(k为常量)得T1T2T3，故选项C正确三、双星问题例3两个靠得很近的天体，离其他天体非常遥远，它们以其连线上某一点O为圆心各自做匀速圆周运动，两者的距离保持不变，科学家把这样的两个天体称为“双星”，如图5所示已知双星的质量分别为m1和m2，它们之间的距离为L，求双星的运行轨道半径r1和r2及运行周期T.图5答案r1r2T解析双星间的引力提供了各自做圆周运动的向心力对m1：m1r12，对m2：m2r22，且r1r2L，解得r1，r2.由Gm1r1及r1得周期T.1双星问题的特点(1)两星的运动轨道为同心圆，圆心是它们之间连线上的某一点(2)两星的向心力大小相等，由它们间的万有引力提供(3)两星的运动周期、角速度相同(4)两星的轨道半径之和等于两星之间的距离，即r1r2L.2双星问题的处理方法：双星间的万有引力提供了它们做圆周运动的向心力，即m12r1m22r2.针对训练 3如图6所示，两个星球A、B组成双星系统，它们在相互之间的万有引力作用下，绕连线上某点做周期相同的匀速圆周运动已知A、B星球质量分别为mA、mB，万有引力常量为G，求(其中L为两星中心距离，T为两星的运动周期)图6答案解析设A、B两个星球做圆周运动的半径分别为rA、rB.则rArBL，对星球A：GmArA，对星球B：GmBrB，联立以上三式求得.1(“同步卫星”与“赤道物体”及近地卫星的比较)(多选)如图7所示，同步卫星与地心的距离为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，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则下列比值正确的是()图7A. B.()2C. D.答案AD解析地球同步卫星：轨道半径为r，运行速率为v1，向心加速度为a1；地球赤道上的物体：轨道半径为R，随地球自转的向心加速度为a2；以第一宇宙速度运行的卫星为近地卫星，其轨道半径为R.对于卫星，其共同特点是万有引力提供向心力，则Gm，故 .对于同步卫星和地球赤道上的物体，其共同特点是角速度相等，则a2r，故 .2(卫星的变轨问题)(多选)肩负着“落月”和“勘察”重任的“嫦娥三号”沿地月转移轨道直奔月球，如图8所示，在距月球表面100 km的P点进行第一次制动后被月球捕获，进入椭圆轨道绕月飞行，之后，卫星在P点又经过第二次“刹车制动”，进入距月球表面100 km的圆形工作轨道，绕月球做匀速圆周运动，在经过P点时会再一次“刹车制动”进入近月点距月球表面15公里的椭圆轨道，然后择机在近月点下降进行软着陆，则下列说法正确的是()图8A“嫦娥三号”在轨道上运动的周期最长B“嫦娥三号”在轨道上运动的周期最长C“嫦娥三号”经过P点时在轨道上运动的线速度最大D“嫦娥三号”经过P点时，在三个轨道上的加速度相等答案AD解析由于“嫦娥三号”在轨道上运动的半长轴大于在轨道上运动的半径，也大于轨道的半长轴，根据开普勒第三定律可知，“嫦娥三号”在各轨道上稳定运行时的周期关系为TTT，故A正确，B错误；“嫦娥三号”在由高轨道降到低轨道时，都要在P点进行“刹车制动”，所以经过P点时，在三个轨道上的线速度关系为vvv，所以C错误；由于“嫦娥三号”在P点时的加速度只与所受到的月球引力有关，故D正确3(双星问题)如图9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之间的距离为L，质量之比为m1m232，下列说法中正确的是()图9Am1、m2做圆周运动的线速度之比为32Bm1、m2做圆周运动的角速度之比为32Cm1做圆周运动的半径为LDm2做圆周运动的半径为L答案C解析设双星m1、m2距转动中心O的距离分别为r1、r2，双星绕O点转动的角速度为，据万有引力定律和牛顿第二定律得Gm1r12m2r22，又r1r2L，m1m232所以可解得r1L，r2Lm1、m2运动的线速度分别为v1r1，v2r2，故v1v2r1r223.综上所述，选项C正确一、选择题考点一“同步卫星”和“赤道物体”及近地卫星的比较1.如图1所示，地球赤道上的山丘e、近地卫星p和同步卫星q均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动设e、p、q的线速度大小分别为v1、v2、v3，向心加速度分别为a1、a2、a3，则()图1Av1v2v3 Bv1v2v3Ca1a2a3 Da1a3a2答案D解析卫星的速度v，可见卫星距离地心越远，即r越大，则线速度越小，所以v3v2.q是同步卫星，其角速度与地球自转角速度相同，所以其线速度v3r3v1r1，选项A、B均错误由Gma，得a，同步卫星q的轨道半径大于近地卫星p的轨道半径，可知向心加速度a3a2.由于同步卫星q的角速度与地球自转的角速度相同，即与地球赤道上的山丘e的角速度相同，但q的轨道半径大于e的轨道半径，根据a2r可知a1a3.根据以上分析可知，选项D正确，选项C错误2设地球半径为R，a为静止在地球赤道上的一个物体，b为一颗近地绕地球做匀速圆周运动的人造卫星，c为地球的一颗同步卫星，其轨道半径为r.下列说法中正确的是()Aa与c的线速度大小之比为Ba与c的线速度大小之比为Cb与c的周期之比为Db与c的周期之比为答案D解析物体a与同步卫星c角速度相等，由vr可得，二者线速度大小之比为，选项A、B均错误；而b、c均为卫星，由T2可得，二者周期之比为，选项C错误，D正确3(多选)我国发射的“北斗系列”卫星中同步卫星到地心距离为r，运行速率为v1，向心加速度为a1；在地球赤道上的观测站的向心加速度为a2，近地卫星做圆周运动的速率为v2，向心加速度为a3，地球的半径为R，则下列比值正确的是()A. B.C. D.答案AB解析由于在地球赤道上的观测站的运动和同步卫星的运动具有相同的角速度，根据ar2可知，A项正确，D项错误；再根据近地卫星做圆周运动的向心加速度为a3，由万有引力定律和牛顿第二定律Fma可知，由，知，因此B项正确，C项错误4(多选)如图2所示，a、b、c是在地球大气层外圆形轨道上运行的3颗人造卫星，下列说法正确的是()图2Ab、c的线速度大小相等，且大于a的线速度Ba加速可能会追上bCc加速可追上同一轨道上的b，b减速可等到同一轨道上的cDa卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，仍做匀速圆周运动，则其线速度将变大答案BD解析因为b、c在同一轨道上运行，故其线速度大小、加速度大小均相等又由b、c轨道半径大于a轨道半径，由v可知，vbvcva，故选项A错误；当a加速后，会做离心运动，轨道会变成椭圆，若椭圆与b所在轨道相切(或相交)，且a、b同时来到切(或交)点时，a就追上了b，故选项B正确；当c加速时，c受的万有引力Fm，故它将偏离原轨道，做离心运动，当b减速时，b受的万有引力Fm，它将偏离原轨道，做向心运动，所以无论如何c也追不上b，b也等不到c，故选项C错误；对a卫星，当它的轨道半径缓慢减小时，由v可知，r减小时，v逐渐增大，故选项D正确考点二卫星的变轨问题5(多选)如图3，航天飞机在完成太空任务后，在A点从圆形轨道进入椭圆轨道，B为轨道上的近地点，关于航天飞机的运动，下列说法中正确的有()图3A在轨道上经过A的速度小于经过B的速度B在轨道上经过A的速度小于在轨道上经过A的速度C在轨道上运动的周期小于在轨道上运动的周期D在轨道上经过A的加速度小于在轨道上经过A的加速度答案ABC6如图4所示，我国发射“神舟十号”飞船时，先将飞船发送到一个椭圆轨道上，其近地点M距地面200 km，远地点N距地面340 km.进入该轨道正常运行时，通过M、N点时的速率分别是v1和v2.当某次飞船通过N点时，地面指挥部发出指令，点燃飞船上的发动机，使飞船在短时间内加速后进入离地面340 km的圆形轨道，开始绕地球做匀速圆周运动，这时飞船的速率为v3，比较飞船在M、N、P三点正常运行时(不包括点火加速阶段)的速率大小和加速度大小，下列结论正确的是()图4Av1v3v2，a1a3a2Bv1v2v3，a1a2a3Cv1v2v3，a1a2a3Dv1v3v2，a1a2a3答案D考点三双星问题7某双星由质量不等的星体S1和S2构成，两星在相互之间的万有引力作用下绕两者连线上某一定点C做匀速圆周运动由天文观察测得其运动周期为T，S1到C点的距离为r1，S1和S2之间的距离为r，已知引力常量为G，由此可求出S2的质量为()A. B.C. D.答案D解析设S1和S2的质量分别为m1、m2，对于S1有Gm12r1，得m2.【考点】双星问题【题点】双星问题8两个质量不同的天体构成双星系统，它们以二者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动，下列说法正确的是()A质量大的天体线速度较大B质量小的天体角速度较大C两个天体的向心力大小一定相等D两个天体的向心加速度大小一定相等答案C解析双星系统的结构是稳定的，故它们的角速度相等，故B项错误；两个星球间的万有引力提供向心力，根据牛顿第三定律可知，两个天体的向心力大小相等，而天体质量不一定相等，故两个天体的向心加速度大小不一定相等，故C项正确，D错误；根据牛顿第二定律，有：Gm12r1m22r2其中：r1r2L故r1Lr2L故故质量大的天体线速度较小，故A错误【考点】双星问题【题点】双星问题9冥王星与其附近的另一星体卡戎可视为双星系统，质量比约为71，同时绕它们连线上某点O做匀速圆周运动，由此可知，冥王星绕O点运动的()A轨道半径约为卡戎的B角速度大小约为卡戎的C线速度大小约为卡戎的7倍D向心力大小约为卡戎的7倍答案A解析双星系统内的两颗星运动的角速度相同，B错误双星的向心力为二者间的万有引力，所以向心力大小相同，D错误根据m12r1m22r2，得，A正确根据vr，得，C错误【考点】双星问题【题点】双星问题10(多选)宇宙中两颗相距较近的天体称为“双星”，它们以二者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动，而不会因为万有引力的作用而吸引到一起如图5所示，某双星系统中A、B两颗天体绕O点做匀速圆周运动，它们的轨道半径之比rArB12，则两颗天体的()图5A质量之比mAmB21B角速度之比AB12C线速度大小之比vAvB12D向心力大小之比FAFB21答案AC解析双星都绕O点做匀速圆周运动，由两者之间的万有引力提供向心力，角速度相等，设为.根据牛顿第二定律，对A星：GmA2rA对B星：GmB2rB联立得mAmBrBrA21.根据双星运行的条件有：角速度之比AB11，由vr得线速度大小之比vAvBrArB12，向心力大小之比FAFB11，选项A、C正确，B、D错误【考点】双星问题【题点】双星问题二、非选择题11(变轨问题)中国自行研制、具有完全自主知识产权的“神舟号”飞船，目前已经达到或优于国际第三代载人飞船技术，其发射过程简化如下：飞船在酒泉卫星发射中心发射，由长征运载火箭送入近地点为A、远地点为B的椭圆轨道上，A点距地面的高度为h1，飞船飞行5圈后进行变轨，进入预定圆轨道，如图6所示设飞船在预定圆轨道上飞行n圈所用时间为t，若已知地球表面重力加速度为g，地球半径为R，求：图6(1)飞船在B点经椭圆轨道进入预定圆轨道时是加速还是减速？(2)飞船经过椭圆轨道近地点A时的加速度大小(3)椭圆轨道远地点B距地面的高度h2.答案(1)加速(2)(3)R解析(2)在地球表面有mg根据牛顿第二定律有：GmaA由式联立解得，飞船经过椭圆轨道近地点A时的加速度大小为aA.(3)飞船在预定圆轨道上飞行时由万有引力提供向心力，有Gm(Rh2)由题意可知，飞船在预定圆轨道上运行的周期为T由式联立解得h2R.12(双星问题)太阳系以外存在着许多恒星与行星组成的双星系统，它们运行的原理可以理解为：质量为M的恒星和质量为m的行星(Mm)在它们之间的万有引力作用下有规律地运动着如图7所示，我们可认为行星在以某一定点C为中心、半径为a的圆周上做匀速圆周运动(图中没有表示出恒星)已知引力常量为G，恒星和行星的大小可忽略不计图7(1)试在图中粗略画出恒星运动的轨道和位置；(2)试计算恒星与点C间的距离和恒星的运行速率答案见解析解析(1)恒星运动的轨道和位置大致如图(2)对行星m：Fm2a对恒星M：FM2RM根据牛顿第三定律，F与F大小相等由得：RMa对恒星M：G代入数据得：v.