微型专题4：卫星变轨问题和双星问题 学案（含答案）

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1、微型专题4卫星变轨问题和双星问题知识目标核心素养1.会分析卫星的变轨问题，知道卫星变轨的原因和变轨前后卫星速度的变化.2.掌握双星运动的特点，会分析求解双星运动的周期和角速度.1.掌握卫星变轨的实质及蕴含的思想方法.2.掌握“双星”的特点，建立“双星”问题模型.一、人造卫星的发射、变轨与对接1发射问题要发射人造卫星，动力装置在地面处要给卫星一很大的发射初速度，且发射速度vv17.9 km/s，人造卫星做离开地球的运动；当人造卫星进入预定轨道区域后，再调整速度，使F引F向，即Gm，从而使卫星进入预定轨道2卫星的变轨问题卫星变轨时，先是线速度v发生变化导致需要的向心力发生变化，进而使轨道半径r发生

2、变化(1)当卫星减速时，卫星所需的向心力F向m减小，万有引力大于所需的向心力，卫星将做近心运动，向低轨道变迁(2)当卫星加速时，卫星所需的向心力F向m增大，万有引力不足以提供卫星所需的向心力，卫星将做离心运动，向高轨道变迁以上两点是比较椭圆和圆轨道切点速度的依据3飞船对接问题(1)低轨道飞船与高轨道空间站对接如图1甲所示，低轨道飞船通过合理地加速，沿椭圆轨道(做离心运动)追上高轨道空间站与其完成对接图1(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例1如图2所示为卫星发射过程的示意图，先将卫星发射至近地圆轨

3、道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再一次点火，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，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法中正确的是()图2A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3上的周期大于在轨道2上的周期C卫星在轨道1上经过Q点时的速率大于它在轨道2上经过Q点时的速率D卫星在轨道2上经过P点时的加速度小于它在轨道3上经过P点时的加速度答案B解析卫星在圆轨道上做匀速圆周运动时有：Gm，v因为r1r3，所以v1v3，A项错误由开普勒第三定律知T3T2，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v2Qv1

4、Q，C项错误在同一点P，由ma知，卫星在轨道2上经过P点的加速度等于它在轨道3上经过P点的加速度，D项错误【考点】卫星、飞船的对接和变轨问题【题点】卫星、飞船的对接和变轨问题判断卫星变轨时速度、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)判断卫星的加速度大小时，可根据aG判断二、双星问题1如图3所示，宇宙中有相距较近、质量

5、相差不大的两个星球，它们离其他星球都较远，因此其他星球对它们的万有引力可以忽略不计在这种情况下，它们将围绕它们连线上的某一固定点做周期相同的匀速圆周运动，这种结构叫做“双星”图32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.3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.例2两个靠得很近的天体，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

6、家把这样的两个天体称为“双星”，如图4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4答案解析双星间的万有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.【考点】双星问题【题点】双星问题针对训练(多选)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、引力常数并利用牛顿力学知识，可以估算出

7、这一时刻两颗中子星的()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的自转角速度无法求解.1.(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5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

8、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5A“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

9、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【考点】卫星、飞船的对接和变轨问题【题点】卫星、飞船的发射和变轨问题2(卫星、飞船的对接问题)如图6所示，我国发射的“神舟十一号”飞船和“天宫二号”空间实验室于2016年10月19日自动交会对接成功假设对接前“天宫二号”与“神舟十一号”都围绕地球做匀速圆周运动，为了实现飞船与空间实验室的对接，下列措施可行的是()图6A使飞船与空间实验室在同一轨道上运行，然后飞船加速追上空间实验室实现对接B使飞船与空间实验室在同一轨道上运行，然后空

10、间实验室减速等待飞船实现对接C飞船先在比空间实验室半径小的轨道上加速，加速后飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接D飞船先在比空间实验室半径小的轨道上减速，减速后飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接答案C解析飞船在同一轨道上加速追赶空间实验室时，速度增大，所需向心力大于万有引力，飞船将做离心运动，不能实现与空间实验室的对接，选项A错误；同时，空间实验室在同一轨道上减速等待飞船时，速度减小，所需向心力小于万有引力，空间实验室将做近心运动，也不能实现对接，选项B错误；当飞船在比空间实验室半径小的轨道上加速时，飞船将做离心运动，逐渐靠近空间实验室，可实现对接，选项C正确；当飞船在比

11、空间实验室半径小的轨道上减速时，飞船将做近心运动，远离空间实验室，不能实现对接，选项D错误3.(双星问题)如图7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7Am1、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点转动的角速度均为，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【考点】双星问题【题点】双星问题