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文檔簡(jiǎn)介
2022屆新高考物理沖刺精準(zhǔn)復(fù)習(xí)
人造衛(wèi)星宇宙速度
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.會(huì)比較衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的各物理量之間的關(guān)系.
2.理解三種宇宙速度,并會(huì)求解第一宇宙速度的大小.
3.會(huì)分析天體的“追及”問(wèn)題.
高考導(dǎo)航
高考(全國(guó)卷)三年命題情況對(duì)照分析
考點(diǎn)內(nèi)容要求
命題分析
萬(wàn)有引力定律及其應(yīng)
II
用
1.題型以選擇題居多,計(jì)算題較少。
2.高頻考點(diǎn):萬(wàn)有引力與天體運(yùn)動(dòng)。
環(huán)繞速度II
3.天體運(yùn)動(dòng)一般單獨(dú)命題
第二宇宙速度和第三
I
宇宙速度
經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論
I
時(shí)空觀
物理觀念:萬(wàn)有引力、宇宙速度、經(jīng)典時(shí)空觀、相對(duì)論時(shí)空觀。
核心
科學(xué)思維:萬(wàn)有引力定律、開普勒定律、雙星模型、多星運(yùn)動(dòng)模型。
素養(yǎng)
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:萬(wàn)有引力與衛(wèi)星發(fā)射、變軌、回收。
一、課前檢測(cè)
1.(多選)可以發(fā)射一顆這樣的人造地球衛(wèi)星,使其圓軌道()
A.與地球表面上某一緯線(非赤道)是共面同心圓
B,與地球表面上某一經(jīng)線所決定的圓是共面同心圓
C.與地球表面上的赤道線是共面同心圓,且衛(wèi)星相對(duì)地球表面是靜止的
D.與地球表面上的赤道線是共面同心圓,但衛(wèi)星相對(duì)地球表面是運(yùn)動(dòng)的
2.(多選)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制開發(fā)的區(qū)域性三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)
(CNSS),建立后的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括5顆同步衛(wèi)星和30顆一般軌道衛(wèi)星。關(guān)于這些衛(wèi)
星,以下說(shuō)法正確的是()
A.5顆同步衛(wèi)星的軌道半徑都相同
B.5顆同步衛(wèi)星的運(yùn)行軌道必定在同一平面內(nèi)
C.導(dǎo)航系統(tǒng)所有衛(wèi)星的運(yùn)行速度一定都大于第一宇宙速度
D.導(dǎo)航系統(tǒng)所有衛(wèi)星中,運(yùn)行軌道半徑越大的,周期越小
3.已知月球質(zhì)量與地球質(zhì)量之比約為1:8(),月球半徑與地球半徑之比約為1:4,則
月球上的第一宇宙速度與地球上的第一宇宙速度之比最接近()
A.9:2B.2:9C.18:1D.1:18
4.(多選)安徽省蕪湖市上學(xué)期期末)假設(shè)宇宙中有兩顆相距足夠遠(yuǎn)的行星A和8,半徑
分別為心和心.各自相應(yīng)的兩顆衛(wèi)星環(huán)繞行星運(yùn)行周期的平方與軌道半徑的三次方的關(guān)系
如圖所示,兩顆衛(wèi)星環(huán)繞相應(yīng)行星表面運(yùn)行的周期都為元.則()
A.行星A的質(zhì)量大于行星8的質(zhì)量
B.行星A的密度小于行星8的密度
C.行星A的第一宇宙速度等于行星8的第一宇宙速度
D.當(dāng)兩行星的衛(wèi)星軌道半徑相同時(shí),行星A的衛(wèi)星向心加速度大于行星8的衛(wèi)星向心
加速度
二、知識(shí)梳理
1.三種宇宙速度
第一宇宙速度盯=7.9km/s,是物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)
(環(huán)繞速度)的速度,也是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度
第二宇宙速度
也=11.2km/s,是物體掙脫地球引力束縛的最小發(fā)射速度
(脫離速度)
第三宇宙速度
心=16.7km/s,是物體掙脫太陽(yáng)引力束縛的最小發(fā)射速度
(逃逸速度)
2.地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)[注3]
(1)軌道平面一定:軌道平面和赤道平面重合。
(2)周期一定:與地球自轉(zhuǎn)周期相同,即7=24h=86400s。
(3)角速度一定:與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同。
(4)高度一定:據(jù)得r=yj^^=4.24x104km,衛(wèi)星離地面高度h=r
-7?-3.6xl04km(為恒量)。
(5)速率一定:運(yùn)行速度口=竿=3.08km/s(為恒量)。
(6)繞行方向一定:與地球自轉(zhuǎn)的方向一致。
3.極地衛(wèi)星和近地衛(wèi)星
(1)極地衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)每圈都經(jīng)過(guò)南北兩極,由于地球自轉(zhuǎn),極地衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。
(2)近地衛(wèi)星是在地球表面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星,其運(yùn)行的軌道半徑可
近似認(rèn)為等于地球的半徑,其運(yùn)行線速度約為7.9km/so
三、考點(diǎn)精講
考點(diǎn)一宇宙速度的理解和計(jì)算
1.第一宇宙速度的推導(dǎo)
方法一:由G曙■得
[GM/6.67xl0-llx5.98xl024
『、癡訪m/s
=7.9x1伊m/s.
方法二:由mg=m^'得
?1=癇=49.8x6.4x106m/s=7.9x103m/s。
第一宇宙速度是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度,也是人造衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度,此時(shí)它的
運(yùn)行周期最短,7min=27t\^=5075s=?5min?
例1.(第一宇宙速度的計(jì)算)地球的近地衛(wèi)星線速度大小約為8km/s,已知月球質(zhì)量約
為地球質(zhì)量的《,地球半徑約為月球半徑的4倍,下列說(shuō)法正確的是()
A.在月球上發(fā)射衛(wèi)星的最小速度約為8km/s
B.月球衛(wèi)星的環(huán)繞速度可能達(dá)到4km/s
C.月球的第一宇宙速度約為1.8km/s
D.“近月衛(wèi)星”的速度比“近地衛(wèi)星”的速度大
宇宙速度與運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系
(l)y發(fā)=7.9km/s時(shí),衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
(2)7.9km/s<vs<11.2km/s,衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡為橢圓。
(3)11.2km/s<vx<16.7km/s,衛(wèi)星繞太陽(yáng)做橢圓運(yùn)動(dòng)。
(4)vs>16.7km/s,衛(wèi)星將掙脫太陽(yáng)引力的束縛,飛到太陽(yáng)系以外的空間。
跟蹤1.(2020?北京卷)我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)一號(hào)”.已知火星質(zhì)量約為
地球質(zhì)量的10%,半徑約為地球半徑的50%,下列說(shuō)法正確的是()
A.火星探測(cè)器的發(fā)射速度應(yīng)大于地球的第二宇宙速度
B.火星探測(cè)器的發(fā)射速度應(yīng)介于地球的第一和第二宇宙速度之間
C.火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度
D.火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度
考點(diǎn)二衛(wèi)星運(yùn)行參量的比較與計(jì)算
1.物理量隨軌道半徑變化的規(guī)律
((V2[GM1、
tn-----一="一哼6
r
[GM1越
弓誓=mct^r—-3=7下一口8季1高
《(r=K地+〃)聲一T也包一人丑越
律m1\JGM1V慢
GM1
ma--a--一-0c)
X.7-----°x
,"g=£第(近地時(shí))一~^GM=gRk
2.衛(wèi)星的運(yùn)行軌道
(1)赤道軌道
(2)極地軌道
(3)其他軌道
廣丁極地軌道
其他軌道
赤道軌道
1
3.同步衛(wèi)星的六個(gè)“一定”
國(guó)g平面3A
f軌道平面與赤道平面共面
Q期巧)
f與地球自轉(zhuǎn)周期相同,即T=24h
—與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同
.由G蒜/匹爺(尺+人)得同步衛(wèi)星
離地面的高度人-R=6R(恒量)
_”=ST
VR+h
方向一與地球自轉(zhuǎn)的方向一致
例2.(四川瀘州一診)2018年6月1401時(shí)06分,探月工程“嫦娥四號(hào)”任務(wù)“鵲橋”中繼
星成功實(shí)施軌道捕獲控制,進(jìn)入環(huán)繞距月球約6.5萬(wàn)千米的地月拉格朗日L2點(diǎn)的Halo軌道,
成為世界首顆運(yùn)行在地月L2點(diǎn)Halo軌道的衛(wèi)星,地月L2是個(gè)“有趣”的位置,在這里中繼
星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的周期與月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的周期相同,下列說(shuō)法正確的是()
A.“鵲橋”中繼星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度比月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度大
B.“鵲橋,,中繼星與地心的連線及月球與地心的連線在相同時(shí)間內(nèi)分別掃過(guò)的面積相等
C.“鵲橋”中繼星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的向心加速度比月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的向心加速度小
D.“鵲橋”中繼星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的向心力由地球和月球的萬(wàn)有引力共同提供
近地衛(wèi)星和同步衛(wèi)星
衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道平面一定通過(guò)地心,一般分為赤道軌道、極地軌道和其他軌道,同步
衛(wèi)星的軌道是赤道軌道.
(1)近地衛(wèi)星:軌道在地球表面附近的衛(wèi)星,其軌道半徑r=K(地球半徑),運(yùn)行速度等
于第一宇宙速度v=7.9km/s(人造地球衛(wèi)星的最大運(yùn)行速度),7=85min(人造地球衛(wèi)星的最
小周期).
(2)同步衛(wèi)星
①軌道平面與赤道平面共面.
②周期與地球自轉(zhuǎn)周期相等,T=24h.
③高度固定不變,/i=3.6xl07m.
④運(yùn)行速率均為v=3.1xl03m/s.
跟蹤2.(2020?浙江1月選考-9)如圖所示,衛(wèi)星“、仄c,沿圓形軌道繞地球運(yùn)行.。是極
地軌道衛(wèi)星,在地球兩極上空約1000km處運(yùn)行;6是低軌道衛(wèi)星,距地球表面高度與a
相等;c是地球同步衛(wèi)星,貝1]()
A.a、匕的周期比c大
B.”、〃的向心力一定相等
C.方的速度大小相等
D.“、〃的向心加速度比c小
考點(diǎn)三天體中的“追趕相遇”問(wèn)題
1.相距最近
兩衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)方向相同,且位于和中心連線的半徑上同側(cè)時(shí),兩衛(wèi)星相距最近,從運(yùn)
動(dòng)關(guān)系上,兩衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)關(guān)系應(yīng)滿足("A—38),=2"兀(〃=1,23").
2.相距最遠(yuǎn)
當(dāng)兩衛(wèi)星位于和中心連線的半徑上兩側(cè)時(shí),兩衛(wèi)星相距最遠(yuǎn),從運(yùn)動(dòng)關(guān)系上,兩衛(wèi)星
運(yùn)動(dòng)關(guān)系應(yīng)滿足—(OB)t'=(2n—l)n(?=1,2,3...).
例3.(福建泉州二模)當(dāng)?shù)厍蛭挥谔?yáng)和木星之間且三者幾乎排成一條直線時(shí),稱之為“木
星沖日”,2017年4月7日出現(xiàn)了一次“木星沖日”。已知木星與地球幾乎在同一平面內(nèi)沿同
一方向繞太陽(yáng)近似做勻速圓周運(yùn)動(dòng),木星到太陽(yáng)的距離大約是地球到太陽(yáng)距離的5倍。則下
列說(shuō)法正確的是()
A.下一次的“木星沖日”時(shí)間肯定在2019年
B.下一次的“木星沖日”時(shí)間肯定在2018年
C.木星運(yùn)行的加速度比地球的大
D.木星運(yùn)行的周期比地球的小
衛(wèi)星的追趕問(wèn)題可以分為同向追趕和反向追趕兩種情況,其實(shí)質(zhì)為分析運(yùn)轉(zhuǎn)角度相差
27r弧度的時(shí)間關(guān)系,熟知圓周運(yùn)動(dòng)的周期公式是分析此類問(wèn)題的關(guān)鍵。
跟蹤3.(多選)(2020?山西太原市質(zhì)檢)如圖,在萬(wàn)有引力作用下,〃、6兩衛(wèi)星在同一平面
內(nèi)繞某一行星c沿逆時(shí)針?lè)较蜃鰟蛩賵A周運(yùn)動(dòng),已知軌道半徑之比為4:%=1:4,則下列
說(shuō)法中正確的有()
A.a、6運(yùn)動(dòng)的周期之比為Ta:Th=\:8
B.a.人運(yùn)動(dòng)的周期之比為K,:Tb=l:4
C.從圖示位置開始,在b轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中,a,仄c共線12次
D.從圖示位置開始,在匕轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中,a、b、c共線14次
四、課前檢測(cè)
1.(2019?西安市質(zhì)檢)(多選)2013年4月出現(xiàn)了“火星合日”的天象?!盎鹦呛先铡笔侵富鹦?、
太陽(yáng)、地球三者之間形成一條直線時(shí),從地球的方位觀察,火星位于太陽(yáng)的正后方,火星被
太陽(yáng)完全遮蔽的現(xiàn)象,如圖所示,已知地球、火星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的方向相同,若把火星和地球
繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道視為圓,火星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期約等于地球公轉(zhuǎn)周期的2倍,由此可知()
A.“火星合日”約每1年出現(xiàn)一次
B.“火星合日”約每2年出現(xiàn)一次
C.火星的公轉(zhuǎn)半徑約為地球公轉(zhuǎn)半徑的折倍
D.火星的公轉(zhuǎn)半徑約為地球公轉(zhuǎn)半徑的8倍
2.(青海西寧市三校聯(lián)考)如圖所示,a為放在赤道上相對(duì)地球靜止的物體,隨地球自轉(zhuǎn)
做勻速圓周運(yùn)動(dòng),b為沿地球表面附近做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星(軌道半徑約等于地球半
徑),c為地球的同步衛(wèi)星.下列關(guān)于〃、氏c的說(shuō)法中正確的是()
A.。衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)線速度大于7.9km/s
B.a、b、c做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度大小關(guān)系為%>0>>生
C.〃、氏c做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期關(guān)系為〃=7;<乙
D.在氏c中,匕的線速度大
3.(多選)美國(guó)“新地平線”號(hào)探測(cè)器借助“宇宙神一5”火箭,從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角肯
尼迪航天中心發(fā)射升空,開始長(zhǎng)達(dá)9年的飛向冥王星的太空之旅.擁有3級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的“宇宙
神一5”重型火箭將以每小時(shí)5.76萬(wàn)公里的驚人速度把“新地平線”號(hào)送離地球,這個(gè)冥王星
探測(cè)器將成為人類有史以來(lái)發(fā)射速度最大的飛行器.這一速度()
A.大于第一宇宙速度
B.等于第二宇宙速度
C.大于第三宇宙速度
D.小于并接近于第三宇宙速度
五、課堂總結(jié)
1.比較同一個(gè)中心天體外圍若干繞行天體之間的線速度、角速度、向心加速度以及周期
的大小可以記住口訣:“高軌低速長(zhǎng)周期”.即當(dāng)繞行天體的軌道半徑增大時(shí)其線速度、角
速度、向心加速度減小,繞行周期變大.
2.比較中心天體表面的建筑物與繞行天體各參數(shù)的大小時(shí),不能直接進(jìn)行比較,要借
助同步衛(wèi)星的“橋梁”作用,即建筑物與同步衛(wèi)星具有共同大小的角速度與周期.
參考答案
課前檢測(cè)
1.解析選CD人造地球衛(wèi)星在運(yùn)行時(shí),由于地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力提供它做勻速圓周
運(yùn)動(dòng)的向心力,軌道的圓心一定與地球的中心重合,不可能是地球上除地心以外的某一點(diǎn),
選項(xiàng)A錯(cuò)誤;由于地球同時(shí)繞地軸自轉(zhuǎn),所以衛(wèi)星的軌道平面不可能與某一經(jīng)線所決定的
平面共面,B錯(cuò)誤;若衛(wèi)星在赤道平面內(nèi),則其圓軌道可以有不同高度,周期也可以不同,
故衛(wèi)星可以相對(duì)地面靜止,也可以相對(duì)地面運(yùn)動(dòng),選項(xiàng)C、D均正確。
2.解析選AB所有同步衛(wèi)星的軌道都位于赤道平面內(nèi),軌道半徑和運(yùn)行周期都相同,
A、B均正確;由丫=、愣可知,導(dǎo)航系統(tǒng)所有衛(wèi)星運(yùn)行的速度都小于第一宇宙速度,且
運(yùn)行軌道半徑越大,周期越大,C、D均錯(cuò)誤。
3.解析選B第一宇宙速度等于衛(wèi)星的軌道半徑與中心天體的半徑相等時(shí)的衛(wèi)星的速
度,根據(jù)牛頓第二定律有琛=,■,由此得第一宇宙速度v='管,即v-媚。設(shè)
月球上的第一宇宙速度為V”地球上的第一宇宙速度為吸,則有段=7靠點(diǎn)=d表'A
百,接近事可知B正確。
4.答案AD
解析G^=〃誓,解得M聾條從題圖中可知斜率越小,捻越大,質(zhì)量越大,
所以行星4的質(zhì)量大于行星8的質(zhì)量,A正確;根據(jù)題圖可知,在兩顆行星表面做勻速圓
4兀2R3
周運(yùn)動(dòng)的周期相同,密度'=,=產(chǎn)=禹無(wú)=券,所以行星4的密度等于行星B的密
度,B錯(cuò)誤;第一宇宙速度v=賁,A的半徑大于B的半徑,衛(wèi)星環(huán)繞行星表面運(yùn)行的周
期相同,則A的第一宇宙速度大于行星8的第一宇宙速度,C錯(cuò)誤;根據(jù)華=機(jī)。得a
=聾,當(dāng)兩行星的衛(wèi)星軌道半徑相同時(shí),A的質(zhì)量大于8的質(zhì)量,則行星4的衛(wèi)星向心加
速度大于行星8的衛(wèi)星向心加速度,D正確.
考點(diǎn)精講
例1.答案C
解析根據(jù)第一宇宙速度丫=、屋,月球與地球的第一宇宙速度之比為竽='伸3=
AV]1V1\K2
=壬月球的第一宇宙速度約為力=京=18km/sul.8km/s,在月球上發(fā)射衛(wèi)星的最小
速度約為1.8km/s,月球衛(wèi)星的環(huán)繞速度小于或等于1.8km/s,“近月衛(wèi)星”的速度為1.8km/s,
小于“近地衛(wèi)星''的速度,故C正確.
跟蹤1答案A
解析火星探測(cè)器需要脫離地球的束縛,故其發(fā)射速度應(yīng)大于地球的第二宇宙速度,故
A正確,B錯(cuò)誤;由G^="又得,v火=,GM火0.IMiij-Gy[5
?地,故火星的第一宇
R火0.57??-5
宙速度小于地球的第一宇宙速度,故C錯(cuò)誤;由鏟=〃取得,8火=6襄=6,崇=0.4g
地,故火星表面的重力加速度小于地球表面的重力加速度,故D錯(cuò)誤.
例2.解析D本題考查衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律。根據(jù)題意知“鵲橋”中繼星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的周期與
月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的周期相同,根據(jù)3=竿27r知“鵲橋”中繼星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度與月球繞地球
轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度相等,故A錯(cuò)誤;“鵲橋”中繼星與地心的連線及月球與地心的連線在相同時(shí)
間內(nèi)分別轉(zhuǎn)過(guò)的角度相等,但是因“鵲橋”中繼星軌道半徑大于月球軌道半徑,可知在相同時(shí)
間內(nèi)分別掃過(guò)的面積不相等,故B錯(cuò)誤:“鵲橋”中繼星的軌道半徑比月球繞地球的軌道半
徑大,根據(jù)知,。相等時(shí),“鵲橋”中繼星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的向心加速度比月球繞地球轉(zhuǎn)
動(dòng)的向心加速度大,故C錯(cuò)誤;"鵲橋”中繼星在地月連線延長(zhǎng)線上,同時(shí)受地球及月球的
萬(wàn)有引力,則繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的向心力由地球和月球的萬(wàn)有引力共同提供,故D正確。
跟蹤2.答案C
解析根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力有等可知丫=\^^,OJ
=、愣,T=^^,。=絆,由此可知,半徑越大,線速度、角速度、向心加速度越小,
周期越長(zhǎng),因?yàn)閍、人衛(wèi)星的半徑相等,且比c小,因此小6衛(wèi)星的線速度大小相等,向心
加速度比c大,周期小于衛(wèi)星c的周期,選項(xiàng)C正確,A、D錯(cuò)誤;由于不知道三顆衛(wèi)星的
質(zhì)量關(guān)系,因此不清楚向心力的關(guān)系,選項(xiàng)B錯(cuò)誤.
例3.答案B
解析地球公轉(zhuǎn)周期八=1年,由開普勒第三定律有用=|,木星公轉(zhuǎn)的周期72=4示
7戶11.18年。設(shè)經(jīng)時(shí)間f再次出現(xiàn)"木星沖日”,有。1L32f=2兀,其中。1=票,(02=祭,解
得小1.1年,因此下一次“木星沖日”發(fā)生在2018年,故A錯(cuò)誤,B正確;設(shè)太陽(yáng)質(zhì)量為
木星質(zhì)量為m,加速度為服對(duì)木星,由牛頓第二定律可得智="“=〃備-2,解得a=^,
n=2兀、舟由于木星到太陽(yáng)的距離大約是地球到太陽(yáng)距離的5倍,因此木星運(yùn)行的加
UM
速度比地球的小,木星運(yùn)行的周期比地球的大,故C、D錯(cuò)誤。
跟蹤3.答案AD
解析根據(jù)開普勒第三定律:半徑的三次方與周期的二次方成正比,則“、b運(yùn)動(dòng)的周
期之比為1:8,A對(duì),B錯(cuò);設(shè)圖示位置區(qū)連線與兒連線的夾角為長(zhǎng)多6轉(zhuǎn)動(dòng)一周(圓心
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角為2兀)的時(shí)間為7i,則。、b相距最遠(yuǎn)時(shí):〒〃一亍=(兀一。)+〃?2兀(〃=0」,23..),可知
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