高中物理考点13 天体运动及人造卫星
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1、高中物理考点13 天体运动及人造卫星专题知识内容考试要求必考加试万有引力与航天宇宙航行c一、同步卫星同步卫星是指相对地球“静止不动”的卫星。同步卫星的六个“一定”:轨道平面一定轨道平面与赤道平面重合高度一定距离地心的距离一定,h=4.225104 km;距离地面的高度为3.6104 km环绕速度一定v=3.08 km/s,环绕方向与地球自转方向相同角速度一定周期一定与地球自转周期相同,常取T=24 h向心加速度一定a=0.23 m/s2二、赤道上的物体与同步卫星以及近地卫星的运动规律1地球赤道上的物体,静止在地面上与地球相对静止,随地球的自转绕地轴做匀速圆周运动。地球赤道上的物体受到地球的万有
2、引力,其中的一个分力提供物体随地球自转做圆周运动的向心力,产生向心加速度a,另一个分力为重力,有Gmg=ma(其中R为地球半径)。2近地卫星的轨道高度约等于地球的半径,其所受万有引力完全提供卫星做圆周运动的向心力,即G=ma。3同步卫星与赤道上的物体具有与地球自转相同的运转周期和运转角速度,始终与地球保持相对静止状态,共同绕地轴做匀速圆周运动。4区别:(1)同步卫星与地球赤道上的物体的周期都等于地球自转的周期,而不等于近地卫星的周期。(2)近地卫星与地球赤道上的物体的运动半径都等于地球的半径,而不等于同步卫星运动的半径。(3)三者的线速度各不相同。三、宇宙速度和卫星变轨问题的分析1第一宇宙速度
3、v17.9 km/s,既是发射卫星的最小发射速度,也是卫星绕地球运行的最大环绕速度。2第一宇宙速度的两种求法:(1),所以(2),所以。3第二、第三宇宙速度也都是指发射速度。4当卫星由于某种原因速度突然改变时(开启或关闭发动机或空气阻力作用),万有引力不再等于向心力,卫星将变轨运行:(1)当卫星的速度突然增加时,即万有引力不足以提供向心力,卫星将做离心运动,脱离原来的圆轨道,轨道半径变大,当卫星进入新的轨道稳定运行时,由可知其运行速度比原轨道时减小。(2)当卫星的速度突然减小时,即万有引力大于所需要的向心力,卫星将做近心运动,脱离原来的圆轨道,轨道半径变小,当卫星进入新的轨道稳定运行时由可知其
4、运行速度比原轨道时增大。卫星的发射和回收就是利用这一原理。5处理卫星变轨问题的思路和方法(1)要增大卫星的轨道半径,必须加速;(2)当轨道半径增大时,卫星的机械能随之增大。6卫星变轨问题的判断:(1)卫星的速度变大时,做离心运动,重新稳定时,轨道半径变大。(2)卫星的速度变小时,做近心运动,重新稳定时,轨道半径变小。(3)圆轨道与椭圆轨道相切时,切点处外面的轨道上的速度大,向心加速度相同。7特别提醒:“ 三个不同”(1)两种周期自转周期和公转周期的不同(2)两种速度环绕速度与发射速度的不同,最大环绕速度等于最小发射速度(3)两个半径天体半径R和卫星轨道半径r的不同四、双星系统1在天体运动中,将
5、两颗彼此相距较近,且在相互之间万有引力作用下绕两者连线上的某点做周期相同的匀速圆周运动的行星称为双星。2双星系统的条件:(1)两颗星彼此相距较近;(2)两颗星靠相互之间的万有引力做匀速圆周运动;(3)两颗星绕同一圆心做圆周运动。3双星系统的特点:(1)两星的角速度、周期相等;(2)两星的向心力大小相等;(3)两星的轨道半径之和等于两星之间的距离,即r1+r2=L,轨道半径与行星的质量成反比。4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,由此得出(1)m1r1=m2r2,即某恒星的运动半径与其质量成反比;(2)由于=,r1+r2=L,所以两恒星的质量之和。有a、b、c、
6、d四颗地球卫星,a在地球赤道上未发射,b在地面附近近地轨道上正常运动,c是地球同步卫星,d是高空探测卫星,各卫星排列位置如图,则有Aa的向心加速度等于重力加速度gBc在4 h内转过的圆心角是/6Cb在相同时间内转过的弧长最长Dd的运动周期有可能是20 h【参考答案】C【详细解析】对于卫星a,根据万有引力定律、牛顿第二定律列式可得 ,又知道,故a的向心加速度小于重力加速度g,A项错误;由c是地球同步卫星,可知卫星c在4 h内转过的圆心角是,B项错误;由得,故轨道半径越大,线速度越小,故卫星b的线速度大于卫星c的线速度,卫星c的线速度大于卫星d的线速度,而卫星a与同步卫星c的周期相同,故卫星c的线
7、速度大于卫星a的线速度,C项正确;由得,轨道半径r越大,周期越长,故卫星d的周期大于同步卫星c的周期,D项错误。1(2019北京师大附中期末)2019年5月17日,我国成功发射第45颗北斗导航卫星,该卫星属于地球静止轨道卫星(同步卫星),该卫星A入轨后可以位于北京正上方B入轨后的速度大于第一宇宙速度C发射速度大于第二宇宙速度D入轨后的加速度小于地面重力加速度【答案】D【解析】A.同步卫星只能定点在赤道上空,故A错误;B.所有卫星的运行速度都不大于第一宇宙速度,故B错误;C.同步卫星的发射速度都要大于第一宇宙速度,小于第二宇宙速度,故C错误;D.根据可知,入轨后的加速度小于地面重力加速度,故D正
8、确。(2019珠海市第二中学期中)经长期观测,人们在宇宙中已经发现了“双星系统”,“双星系统”由两颗相距较近的恒星组成,每个恒星的大小远小于两个星体之间的距离,而且双星系统一般远离其他天体。两颗星球组成的双星m1、m2,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。则可知Am1与m2做圆周运动的角速度之比为2:3Bm1与m2做圆周运动的线速度之比为2:3Cm1做圆周运动的半径为2L/5Dm2做圆周运动的半径为2L/5【参考答案】BC【详细解析】A、双星靠相互间的万有引力提供向心力,相等的时间内转过相同的角度,故角速度相等
9、,则A项不合题意;B、根据可知,角速度相等,有双星的线速度比等于半径比为2:3;故B项符合题意;CD、向心力大小相等,有:,即,因为质量之比为m1:m2=3:2,则轨道半径之比r1:r2=2:3,所以m1做圆周运动的半径为,m2做圆周运动的半径为,故C项符合题意,D项不合题意。1由多颗星体构成的系统,叫做多星系统。有这样一种简单的四星系统:质量刚好都相同的四个星体A、B、C、D,A、B、C分别位于等边三角形的三个顶点上,D位于等边三角形的中心。在四者相互之间的万有引力作用下,D静止不动,A、B、C绕共同的圆心D在等边三角形所在的平面内做相同周期的圆周运动。若四个星体的质量均为m,三角形的边长为
10、a,引力常量为G,则下列说法正确的是AA、B、C三个星体做圆周运动的半径均为BA、B两个星体之间的万有引力大小为CA、B、C三个星体做圆周运动的向心加速度大小均为DA、B、C三个星体做圆周运动的周期均为【答案】BC【解析】A、ABC绕中点D做圆周运动,由几何知识知,半径为,故A错;B、根据万有引力公式可知A、B两个星体之间的万有引力大小为,故B对;C、以A为对象,受到的合力为 ,所以A、B、C三个星体做圆周运动的向心加速度大小均为,故C对;D、以A为对象,受到的合力为,在根据牛顿第二定律,可解得: ,故D错;故选BC。【名师点睛】合理受力分析,找到四星运动的轨道圆心,然后利用受力找到向心力,解
11、向心力公式即可求得周期、线速度、加速度等。(2019福建期末)2019年5月17日,中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火衛,成功发射了第四十五颗北斗导航卫星。该卫星发射过程为:先将卫星发射至近地圆轨道1上,然后在P处变轨到椭圆轨道2上,最后由轨道2在Q处变轨进入同步卫星轨道3。轨道1,2相切于P点,轨道2、3相切于Q点。忽略卫星质量的变化,则该卫星A在轨道3上的运行周期为24 hB在轨道3上的运行速率大于7.9 km/sC在轨道3上经过Q点的向心加速度大于在轨道2上经过Q点的向心加速度D在轨道2上由P点向Q点运动的过程中,地球引力对卫星做负功,卫星的动能减少【参考答案】ACD【详细解析】A
12、在轨道3为同步卫星轨道,故在轨道3上运行周期为24h,故A正确;B7.9km/s是地球第一宇宙速度大小,而第一宇宙速度是绕地球圆周运动的最大速度,也是近地卫星运行速度,故同步轨道3上卫星运行速度小于第一宇宙速度,故B错误;C在同一点Q,卫星受到的万有引力相同,在轨道3上万有引力提供向心力,在轨道2上卫星在Q点做近心运动,则万有引力大于向心力,即,则在轨道3上经过Q点的向心加速度大于在轨道2上经过Q点的向心加速度,故C正确;D卫星在轨道2上无动力运行时,由近地点P向远地点Q运动过程中,地球对卫星的引力做负功,势能增加,而卫星的机械能保持不变,故其动能减小,故D正确。1如图所示,发射地球同步卫星时
13、,先将卫星发射至近地圆轨道1,然后经点火使其沿椭圆轨道2运行,最后再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(如图),则当卫星分别在1、2、3轨道正常运行时,下列说法中不正确的是A卫星在轨道3上的周期小于在轨道1上的周期B卫星在轨道3上的速率小于在轨道1上的速率C卫星在轨道2上运行时,经过Q点时的速率大于经过P点时的速率D卫星在轨道2上运行时,经过Q点时加速度大于经过P点的加速度【答案】A【解析】A、根据开普勒第三定律知,卫星的轨道半径越大,则周期也越大,故卫星在轨道3上的周期大于在轨道1上的周期,故A不正确;B、根据卫星受到的万有引力提供向心力即:可知环绕速度
14、为,可知卫星的轨道半径越大,运行速率越小,则卫星在轨道3上的速率小于在轨道1上的速率,故B正确;C、根据开普勒第二定律知,卫星在轨道2上运行时,从Q点向P点运动时,速度逐渐减小,经过Q点时的速率大于经过P点时的速率,故C正确;D、卫星离地面越远,万有引力越小,根据牛顿第二定律,加速度也越小,故经过Q点时加速度大于经过P点的加速度,故D正确。【名师点睛】本题卫星运动涉及椭圆轨道问题,要结合开普勒定律、万有引力提供向心力和牛顿第二定律分析求解即可。1(2019安徽期中)一人造卫星绕地球做匀速圆周运动,假如该卫星变轨后仍做匀速圆周运动,速度大小减小为原来的,则变轨前后卫星的A周期之比为18B角速度大
15、小之比为21C向心加速度大小之比为41D轨道半径之比为122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 h3(2019浙江期末)5月17日23点48分,长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射我
16、国北斗卫星导航系统第45颗卫星(北斗二号GEO8卫星)。该卫星是我国北斗区域导航卫星系统的第4颗备份卫星,属于地球静止同步轨道卫星。至此,北斗二号卫星导航系统圆满收官。则北斗二号GEO8卫星在轨道运行时,其A线速度大于第一宇宙速度B角速度大于月球绕地球运行的角速度C向心加速度大于地面的重力加速度D每隔24 h都会有两次经过赤道上空4据科技日报报道,2020年前我国将发射8颗绕地球做匀速圆周运动的海洋系列卫星:包括4颗海洋水色卫星、2颗海洋动力环境卫星和2颗海陆雷达卫星,以加强对黄岩岛、钓鱼岛及西沙群岛等岛屿附近海域的监测。已知海陆雷达卫星轨道半径是海洋动力环境卫星轨道半径的倍。则A海陆雷达卫星
17、加速度是海洋动力环境卫星加速度的B海陆雷达卫星绕地周期是海洋动力环境卫星绕地周期的倍C海陆雷达卫星线速度是海洋动力环境卫星线速度的倍D海陆雷达卫星所受引力是海洋动力环境卫星所受引力的5(2019浙江绍兴一中高三月考)2018年12月30日,嫦娥四号探测器在人类历史上首次实现了航天器在月球背面软着陆和巡视勘察,获取了世界第一张近距离拍摄的月背影像图并传回地面。“鹊桥号”中继卫星承担了地面控制室与探测器的通信。如图,“鹊桥号位于地月拉格朗日L2点,它与月球一起以相同的周期绕地球做匀速圆周运动,从而节省卫星燃料,有利于对其进行轨道控制下列说法正确的是A“鹊桥号”的向心力仅由地球的引力提供B“鹊桥号”
18、的绕行速度小于月球的绕行速度C“鹊桥号”向心加速度小于月球的向心加速度D月球的线速度小于地球同步卫星的线速度6(2019四川期末)如图所示,甲是我国暗物质粒子探测卫星“悟空”,运行轨道高度为500 km,乙是地球同步卫星。 关于甲、乙两卫星的运动,下列说法中正确的是A卫星乙的周期可能是20 hB卫星乙可能在泸州正上空C卫星甲的周期大于卫星乙的周期D卫星甲的角速度大于卫星乙的角速度7我国正在建设北斗卫星导航系统,根据系统建设总体规划,计划2018年,面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务,2020年前后,完成35颗卫星发射组网,为全球用户提供服务。2018年1月12日7时18分,我国在西昌卫
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