（新课标）高考物理一轮总复习第四章第六讲天体运动中的四大难点教案.docx

第六讲天体运动中的四大难点热点一近地卫星、赤道上的物体及同步卫星的运行问题 (师生共研)三种匀速圆周运动的参量比较典例1(2019山西大学附中模块诊断)同步卫星离地心距离为r，运行速率为v1，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，地球的半径为R，则下列比值正确的是()A. BC.2 D解析：对于地球同步卫星和以第一宇宙速度运动的近地卫星，由万有引力提供做匀速圆周运动所需向心力，得：Gm，得v，则得，A错误，B正确因为地球同步卫星的角速度和地球赤道上的物体随地球自转的角速度相同，由a12r，a22R可得：，D正确，C错误答案：BD热点二双星及多星模型 (自主学习)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各行星转动方向相同，周期、角速度相等2.思维引导21.双星模型双星系统由两颗恒星组成，两恒星在万有引力的作用下，分别围绕其连线上的某一点做周期相同的匀速圆周运动研究发现，双星系统演化过程中，两星的总质量、距离和周期均可能发生变化若某双星系统中两星做圆周运动的周期为T，经过一段时间演化后，两星总质量变为原来的k倍，两星之间的距离变为原来的n倍，则此时圆周运动的周期为()A.TBTC.T DT解析：如图所示，设两恒星的质量分别为M1和M2，轨道半径分别为r1和r2.根据万有引力定律及牛顿第二定律可得M1()2r1M2()2r2，解得()2(r1r2)，即()2，当两星的总质量变为原来的k倍，它们之间的距离变为原来的n倍时，有()2，联立两式可得TT，故B项正确答案：B22.三星模型(多选)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T4R C三角形三星系统中星体间的距离L RD三角形三星系统的线速度大小为 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，A错误；三星系统中，对直线三星系统有GGMR，解得T4R ，B正确；对三角形三星系统根据万有引力定律可得2G cos 30M，联立解得LR，C正确；三角形三星系统的线速度大小为v，代入解得v，D错误答案：BC热点三卫星的变轨问题 (师生共研)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.2一些物理量的定性分析(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. 3卫星变轨的两种方式一是改变提供的向心力(一般不采用这种方式)二是改变需要的向心力(通常采用这种方式)典例2 (2016北京卷)如图所示，一颗人造卫星原来在椭圆轨道1绕地球E运行，在P点变轨后进入轨道2做匀速圆周运动下列说法正确的是()A不论在轨道1还是轨道2运行，卫星在P点的速度都相同B不论在轨道1还是轨道2运行，卫星在P点的加速度都相同C卫星在轨道1的任何位置都具有相同加速度D卫星在轨道2的任何位置都具有相同速度解析：卫星在轨道1上运行到P点，经加速后才能在轨道2上运行，故A错误；由Gma得a，由此式可知B正确、C错；卫星在轨道2上的任何位置具有的速度大小相等，但方向不同，故D错答案：B易错提醒卫星做圆周运动的加速度要根据实际运动情况分析.与相等时，卫星才可以做稳定的匀速圆周运动；时，卫星将做离心运动31.变轨运行参数分析(多选)小行星绕恒星运动的同时，恒星均匀地向四周辐射能量，质量缓慢减小，可认为小行星在绕恒星运动一周的过程中近似做圆周运动则经过足够长的时间后，小行星运动的()A半径变大B速率变大C加速度变小 D周期变小解析：恒星均匀地向四周辐射能量，质量缓慢减小，二者之间万有引力减小，小行星做离心运动，即半径增大，故A正确；根据Gmammr，得a，v，T，因为r增大，M减小，则a减小，v减小，T增大，故C正确，B、D错误答案：AC32.变轨中的能量分析(多选)如图是“嫦娥三号”飞行轨道示意图假设“嫦娥三号”运行经过P点第一次通过近月制动使“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆轨道上运动，再次经过P点时第二次通过近月制动使“嫦娥三号”在距离月面近地点为Q、高度为15 km，远地点为P、高度为100 km的椭圆轨道上运动，下列说法正确的是()A“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆轨道上运动时速度大小可能变化B“嫦娥三号”在距离月面高度100 km的圆轨道上运动的周期一定大于在椭圆轨道上运动的周期C“嫦娥三号”在椭圆轨道上运动经过Q点时的加速度一定大于经过P点时的加速度D“嫦娥三号”在椭圆轨道上运动经过Q点时的速率可能小于经过P点时的速率解析：“嫦娥三号”在距离月面高度为100 km的圆轨道上运动是匀速圆周运动，速度大小不变，A错误；由于圆轨道的轨道半径大于椭圆轨道半长轴，根据开普勒定律知，“嫦娥三号”在距离月面高度100 km的圆轨道上运动的周期一定大于在椭圆轨道上运动的周期，B正确；由于在Q点“嫦娥三号”所受万有引力大，所以“嫦娥三号”在椭圆轨道上运动经过Q点时的加速度一定大于经过P点时的加速度，C正确；“嫦娥三号”在椭圆轨道上运动的引力势能和动能之和保持不变，Q点的引力势能小于P点的引力势能，所以“嫦娥三号”在椭圆轨道上运动到Q点的动能较大，速度较大，所以“嫦娥三号”在椭圆轨道上运动经过Q点时的速率一定大于经过P点时的速率，D错误答案：BC热点四卫星中的追及相遇问题 (师生共研)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，实际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典例3(多选)(2014全国卷)太阳系各行星几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动当地球恰好运行到某地外行星和太阳之间，且三者几乎排成一条直线的现象，天文学称为“行星冲日”据报道，2014年各行星冲日时间分别是：1月6日木星冲日；4月9日火星冲日；5月11日土星冲日；8月29日海王星冲日；10月8日天王星冲日已知地球及各地外行星绕太阳运动的轨道半径如下表所示，则下列判断正确的是()地球火星木星土星天王星海王星轨道半径(AU)1.01.55.29.51930A.各地外行星每年都会出现冲日现象B在2015年内一定会出现木星冲日C天王星相邻两次冲日的时间间隔为土星的一半D地外行星中，海王星相邻两次冲日的时间间隔最短解析：设某行星相邻两次冲日的时间间隔为t，地球绕太阳运动的周期为T，某行星绕太阳运动的周期为T行，则tt2，可得t；而根据开普勒定律可得，联立可得t，代入相关数据可得t火2.195T，t木1.092T，t土1.035T，t天1.012T，t海1.006T；根据上述数据可知，各地外行星并不是每年都会出现冲日现象，A错误；木星在2014年1月6日出现了木星冲日现象，再经1.092T将再次出现木星冲日现象，所以在2015年内一定会出现木星冲日，B正确；根据上述数据可知，天王星相邻两次冲日的时间间隔不是土星的一半，C错误；根据上述数据可知，海王星相邻两次冲日的时间间隔最短，D正确答案：BD反思总结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根据两星追上或相距最近时满足两星运行的角度差等于2的整数倍，相距最远时，两星运行的角度差等于的奇数倍在与地球上物体追及时，要根据地球上物体与同步卫星角速度相同的特点进行判断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.RBRCR DR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正确答案：D12016年9月15日，我国成功发射“天空二号”空间实验室，2016年10月19日，“神舟十一号”飞船与“天空二号”自动交会对接成功假设“天宫二号”与“神舟十一号”都围绕地球做匀速圆周运动，我国实现飞船与空间实验室对接成功的措施可能是( C )A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2(2016四川卷)国务院批复，自2016年起将4月24日设立为“中国航天日”.1970年4月24日我国首次成功发射的人造卫星东方红一号，目前仍然在椭圆轨道上运行，其轨道近地点高度约为440 km，远地点高度约为2 060 km；1984年4月8日成功发射的东方红二号卫星运行在赤道上空35 786 km的地球同步轨道上设东方红一号在远地点的加速度为a1，东方红二号的加速度为a2，固定在地球赤道上的物体随地球自转的加速度为a3，则a1、a2、a3的大小关系为( D )Aa2a1a3Ba3a2a1Ca3a1a2 Da1a2a33(2019安徽阜阳三中模拟)宇宙中存在一些质量相等且离其他恒星较远的四颗星组成的四星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用设四星系统中每个星体的质量均为m，半径均为R，四颗星稳定分布在边长为a的正方形的四个顶点上已知引力常量为G.关于宇宙四星系统，下列说法错误的是( B )A四颗星围绕正方形对角线的交点做匀速圆周运动B四颗星的轨道半径均为C四颗星表面的重力加速度均为D四颗星的周期均为2a解析：任一颗星体在其他三个星体的万有引力作用下，合力方向指向对角线的交点，围绕正方形对角线的交点做匀速圆周运动，故A正确；任一星体在其他三个星体的万有引力作用下围绕正方形对角线的交点做匀速圆周运动，轨道半径均ra，故B错误；在四颗星表面上，物体的重力等于万有引力，则有：mg，得四颗星表面的重力加速度g，故C正确；对于任一星体，由万有引力定律和向心力公式得：ma，解得：T2a ，D正确4. (多选)(2019哈尔滨三中调研)2016年9月15日，我国的空间实验室天宫二号在酒泉成功发射.9月16日，天宫二号在椭圆轨道的远地点A开始变轨，变轨后在圆轨道上运行，如图所示，A点离地面高度约为380 km，地球同步卫星离地面高度约为36 000 km.若天宫二号变轨前后质量不变，则下列说法正确的是( AC )A天宫二号在轨道上运行通过远地点A点的速度一定小于7.9 km/sB天宫二号在轨道上运行的周期可能大于在轨道上运行的周期C天宫二号在轨道上运行通过近地点B的速度一定大于轨道的速度D天宫二号在轨道变轨到轨道机械能减少解析：7.9 km/s为第一宇宙速度，也为最大轨道环绕速度，故天宫二号在轨道上运行通过远地点A点的速度一定小于7.9 km/s，A正确；根据开普勒第三定律，因为轨道的半长轴小于圆轨道的半径，所以“天宫二号”在轨道上运行的周期小于在轨道上运行的周期，B错误；根据m可得，即轨道半径越大，线速度越小，若轨道为圆周，则在轨道上的速度大于在轨道上的速度，而轨道为椭圆，即在B点需要点火加速，所以在B点的速度一定大于轨道的速度，C正确；从轨道变轨到轨道，需要在A点点火加速，即外力做正功，机械能增大，D错误A组基础题1中国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，将法国制造的“亚太7号”通信卫星成功送入近地点209 km、远地点50 419 km的预定转移轨道，卫星在此轨道上运行一段时间后再经变轨成为一颗地球同步卫星，同步卫星轨道离地高度为35 786 km，下列说法正确的是( B )A卫星在转移轨道运动的周期大于在同步轨道上运行的周期B卫星在转移轨道运动时，经过近地点时的速率大于经过远地点的速率C卫星在同步轨道运动时，卫星内的物体处于超重状态D卫星在同步轨道运动时的向心加速度小于静止于赤道上物体的向心加速度2有a、b、c、d四颗地球卫星，a还未发射，在赤道表面上随地球一起转动，b是近地轨道卫星，c是地球同步卫星，d是高空探测卫星，它们均做匀速圆周运动，各卫星排列位置如图所示，则( B )Aa的向心加速度等于重力加速度gB在相同时间内b转过的弧长最长Cc在4小时内转过的圆心角是Dd的运动周期有可能是20小时3极地卫星的运行轨道平面通过地球的南北两极(轨道可视为圆轨道)如图所示，若某极地卫星从北纬30A点的正上方按图示方向第一次运行至南纬60B点(图中未画出)的正上方，所用时间为6 h则下列说法正确的是( B )A该卫星的加速度为9.8 m/s2B该卫星的轨道高度约为36 000 kmC该卫星的轨道与A、B两点共面D该卫星每隔12 h经过A点的正上方一次4.如图所示，发射远程弹道导弹，弹头脱离运载火箭后，在地球引力作用下，沿椭圆轨道飞行，击中地面目标B.C为椭圆轨道的远地点，距地面高度为h.已知地球半径为R，地球质量为M，引力常量为G.关于弹头在C点处的速度v和加速度a，下列结论正确的是( B )Av ，aBv ，aCv ，aDv ，a5(2018河南七校摸底)2018年7月27日将发生火星冲日能量，那时火星、地球和太阳几乎排列成一线，地球位于太阳与火星之间，已知地球和火星绕太阳公转的方向相同，火星公转轨道半径约为地球的1.5倍，若将火星和地球的公转轨迹近似看成圆， 取2.45，则相邻两次火星冲日的时间间隔约为( C )A0.8年B1.6年C2.2年D3.2年解析：根据开普勒定律：则有：，已知地球的公转周期为1年，则火星的公转周期为年，相邻两次火星冲日的时间间隔设为t，则：(地火)t2，化简得：1，即：1，求得t2.2年本题选C.6(2018安徽江南十校检测)“天琴计划”是中山大学发起的探测研究引力波的科研计划据介绍，“天琴计划”实验本身将由三颗全同卫星(SC1，SC2，SC3)组成一个等边三角形阵列，卫星本身作高精度无拖曳控制以抑制太阳风、太阳光压等外部干扰，卫星之间以激光精确测量由引力波造成的距离变化如图所示是天琴计划示意图设同步卫星的运行轨道半径为R，三个全同卫星组成等边三角形的边长约为4.4R.对于这三颗地球卫星的认识，正确的是( C )A全同卫星平面一定与地球赤道平面重合B全同卫星轨道半径小于同步卫星轨道半径C全同卫星周期约4天D全同卫星周期约9天解析：由题意知，全同卫星处在一等边三角形的三个顶点上，三角形边长为4.4R，根据几何关系可求，卫星的轨道半径为r，可知全同卫星轨道半径大于同步卫星轨道半径，该卫星不是同步卫星，轨道不需在赤道正上方，故A、B错误；由开普勒定律可知TT同，又同步卫星的周期为1天，可求该卫星的周约为4天，所以C正确7(多选)“行星冲日”是指当地球恰好运行到某地外行星和太阳之间且三者排成一条直线的天文现象.2016年5月22日发生了火星冲日的现象已知火星和地球绕太阳公转的方向相同，轨迹都可近似为圆，火星公转轨道半径为地球的1.5倍，以下说法正确的是( AD )A火星的公转周期比地球的大B火星的运行速度比地球的大C每年都会出现火星冲日现象D2017年一定不会出现火星冲日现象8. (多选)如图为哈勃望远镜拍摄的银河系中被科学家称为“罗盘座T星”系统的照片，该系统是由一颗白矮星和它的类日伴星组成的双星系统，图片下面的亮点为白矮星，上面的部分为类日伴星(中央的最亮的为类似太阳的天体)由于白矮星不停地吸收由类日伴星抛出的物质致使其质量不断增加，科学家预计这颗白矮星在不到1 000万年的时间内会完全“爆炸”，从而变成一颗超新星现假设类日伴星所释放的物质被白矮星全部吸收，并且两星之间的距离在一段时间内不变，两星球的总质量不变，不考虑其他星球对该“罗盘座T星”系统的作用，则下列说法正确的是( BD )A两星之间的万有引力不变B两星的运动周期不变C类日伴星的轨道半径减小D白矮星的线速度变小B组能力题9(多选)(2019广州惠州调研)2018年7月27日出现了“火星冲日”的天文奇观，火星离地球最近最亮当地球位于太阳和火星之间且三者几乎排成一条直线时，天文学称之为“火星冲日”火星与地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳近似做匀速圆周运动不考虑火星与地球的自转，且假设火星和地球的轨道平面在同一个平面上，相关数据见下表则根据提供的数据可知( BC )质量半径与太阳间距离地球mRr火星约0.1m约0.5R约1.5rA.在火星表面附近发射飞行器的速度至少为7.9 km/sB理论上计算可知下一次“火星冲日”的时间大约在2020年9月份C火星表面的重力加速度与地球表面的重力加速度之比约为25D火星运行的加速度比地球运行的加速度大解析：根据，解得v，则，则v火v地7.9 km/s，则在火星表面附近发射飞行器的速度小于为7.9 km/s，选项A错误；据开普勒第三定律， ，知T火1.84T地1.84年，设从火星冲日到下次火星冲日的时间间隔为t，则1，解得：t2.2年，所以下一次“火星冲日”的时间大约在2020年9月份，故B正确行星对表面物体的万有引力等于物体在表面时受到的重力，则m物g，可得：g；则0.1，选项C正确；太阳对行星的引力充当行星做圆周运动的向心力，则ma解得a，可知火星运行的加速度比地球运行的加速度小，选项D错误10(多选)(2019江苏天一中学调研)“伽利略”卫星导航定位系统由30颗轨道卫星组成，分布在3个轨道面上，每个轨道部署9颗工作卫星和1颗在轨备份卫星，当某颗工作卫星出现故障时可及时顶替工作若某颗替补卫星处在略低于工作卫星的轨道上，则以下说法中正确的是( AD )A替补卫星的线速度大于工作卫星的线速度B替补卫星的周期大于工作卫星的周期C工作卫星沿其轨道切线方向向后喷出气体，可能追上前面的工作卫星D替补卫星沿其轨道切线方向向后喷出气体，可能到达工作卫星的轨道解析：根据万有引力提供向心力m，得：v，知替补卫星处在略低于工作卫星的轨道上，所以替补卫星的线速度大于工作卫星的线速度，A正确；根据mr得周期T2.可知替补卫星处在略低于工作卫星的轨道上，所以替补卫星的周期小于工作卫星的周期，B错误；工作卫星沿其轨道切线方向向后喷出气体，速度增加，将做离心运动，偏离原轨道，到达高轨道，C错误；替补卫星沿其轨道切线方向向后多次喷出气体，速度增加，将做离心运动，到达高轨道，可能到达工作卫星的轨道，D正确11(多选) (2019山西榆社中学联考)在1802年，科学家威廉赫歇尔首次提出了“双星”这个名词现有由两颗中子星A、B组成的双星系统，可抽象为如图所示绕O点做匀速圆周运动的模型，已知A的轨道半径小于B的轨道半径，若A、B的总质量为M，A、B间的距离为L，其运动周期为T，则( BC )A中子星B的线速度一定小于中子星A的线速度B中子星B的质量一定小于中子星A的质量CL一定，M越大，T越小DM一定，L越大，T越小解析：因双星的角速度相等，故轨道半径小的线速度小，选项A错误；由于每颗星的向心力都是由双星间相互作用的万有引力提供的，因此大小必然相等，由Fm2r可得各自的轨道半径与其质量成反比