適用于老高考舊教材廣西專版2023屆高考物理二輪總復(fù)習(xí)第二部分專題一第4講萬有引力與航天課件

第4講萬有引力與航天專題一內(nèi)容索引0102核心梳理?規(guī)律導(dǎo)引高頻考點?探究突破03新題演練?能力遷移04怎樣得高分核心梳理?規(guī)律導(dǎo)引【知識脈絡(luò)梳理】

【規(guī)律方法導(dǎo)引】

1.知識規(guī)律(1)一條黃金代換式:GM=gR2。(2)兩條基本思路。2.思想方法(1)物理思想:估算思想、物理模型思想。(2)物理方法:整體替代法、假設(shè)法、近似法、比值法。高頻考點?探究突破命題熱點一天體運動問題常以選擇題的形式考查萬有引力定律及天體做勻速圓周運動的公式。例1(2022·山東卷)“羲和號”是我國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星。如圖所示,該衛(wèi)星圍繞地球的運動視為勻速圓周運動,軌道平面與赤道平面接近垂直。衛(wèi)星每天在相同時刻,沿相同方向經(jīng)過地球表面A點正上方,恰好繞地球運行n圈。已知地球半徑為R,自轉(zhuǎn)周期為T,地球表面重力加速度為g,則“羲和號”衛(wèi)星軌道距地面高度為(

)思維導(dǎo)引

答案:C

例2(2021·全國卷Ⅱ)2021年2月,執(zhí)行我國火星探測任務(wù)的天問一號探測器在成功實施三次近火制動后,進入運行周期約為1.8×105s的橢圓形停泊軌道,軌道與火星表面的最近距離約為2.8×105m。已知火星半徑約為3.4×106m,火星表面處的自由落體加速度大小約為3.7m/s2,則天問一號的停泊軌道與火星表面的最遠距離約為(

)A.6×105m B.6×106mC.6×107m D.6×108m思維導(dǎo)引

答案:C

規(guī)律方法

天體各物理量隨軌道半徑變化的規(guī)律分析

拓展訓(xùn)練1(2020·安徽滁州模擬)天鏈為我國關(guān)鍵衛(wèi)星,其中04星、02星、03星實現(xiàn)組網(wǎng),為飛船、天宮二號提供中繼與測控服務(wù)。1是天宮二號繞地球穩(wěn)定運行的軌道,2是天鏈繞地球穩(wěn)定運行的軌道。則(

)A.天鏈一號04星的最小發(fā)射速度是11.2km/sB.天鏈一號04星的運行速度小于天宮二號的運行速度C.為便于測控,天鏈一號04星靜止于北京飛控中心的正上方D.天鏈一號04星若想追上天鏈一號03星,可通過點火加速實現(xiàn)

B解析:

地球衛(wèi)星發(fā)射的最小速度是第一宇宙速度,為7.9

km/s,地球發(fā)射衛(wèi)星的速度介于第一和第二宇宙速度之間,即7.9

km/s<v<11.2

km/s,選項A錯線速度越小,天鏈一號04星的運行速度小于天宮二號的運行速度,選項B正確。只有地球靜止衛(wèi)星才能靜止于地球某處的正上方,而靜止衛(wèi)星的軌道是在地球赤道上空的某一確定高度,天鏈一號04星是靜止衛(wèi)星,但北京并不是在赤道上,所以天鏈一號04星不可能靜止于北京飛控中心的正上方,選項C錯誤。天鏈一號04星和天鏈一號03星在同一軌道高度,如果天鏈一號04星點火加速,所需的向心力變大,萬有引力不足以提供向心力,就會做離心運動,到更高的軌道上去,故不能追上天鏈一號03星,選項D錯誤。命題熱點二中心天體質(zhì)量和密度的估算以選擇題形式考查中心天體的質(zhì)量和密度,常涉及數(shù)值(公式)的整體替代。例3(2021·全國卷Ⅰ)科學(xué)家對銀河系中心附近的恒星S2進行了多年的持續(xù)觀測,給出1994年到2002年間S2的位置如圖所示?？茖W(xué)家認為S2的運動軌跡是半長軸約為1000AU(太陽到地球的距離為1AU)的橢圓,銀河系中心可能存在超大質(zhì)量黑洞。這項研究工作獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎。若認為S2所受的作用力主要為該大質(zhì)量黑洞的引力,設(shè)太陽的質(zhì)量為M,可以推測出該黑洞質(zhì)量約為(

)A.4×104M

B.4×106MC.4×108M

D.4×1010M思維導(dǎo)引

答案:B

規(guī)律方法

關(guān)于天體質(zhì)量和密度計算應(yīng)注意的問題1.利用萬有引力提供天體圓周運動的向心力估算天體質(zhì)量時,估算的只是中心天體的質(zhì)量,而非環(huán)繞天體的質(zhì)量。2.區(qū)別天體半徑R和衛(wèi)星軌道半徑r,只有在天體表面附近的衛(wèi)星,才有r≈R;計算天體密度時,V=πR3中的“R”只能是中心天體的半徑。3.天體質(zhì)量估算中常有隱含條件,如地球的自轉(zhuǎn)周期為24

h,公轉(zhuǎn)周期為365天等。4.注意黃金代換式GM=gR2的應(yīng)用。拓展訓(xùn)練2(2021·重慶八中模擬)2021年2月10日19時52分,我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器實施近火捕獲制動,成功實現(xiàn)環(huán)繞火星運動,成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星。在“天問一號”環(huán)繞火星做勻速圓周運動時,周期為T,軌道半徑為r,已知火星的半徑為R,引力常量為G,不考慮火星的自轉(zhuǎn)。下列說法正確的是(

)A【真題示例】

命題熱點三航天器的運行及變軌問題常以選擇題形式考查航天器的運行、加速、減速運動,有時結(jié)合能量問題一起出題。例4(2022·廣西欽州期中)2021年6月17日,神舟十二號載人飛船與天和核心艙完成對接,航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波進入天和核心艙。對接過程的示意圖如圖所示,天和核心艙處于半徑為r3的圓軌道Ⅲ;神舟十二號飛船處于半徑為r1的圓軌道Ⅰ,運行周期為T1,通過變軌操作后,沿橢圓軌道Ⅱ運動到B點與天和核心艙對接。則下列說法正確的是(

)A.神舟十二號飛船在軌道Ⅰ上運動時將不受重力的作用

B.神舟十二號飛船沿軌道Ⅱ運行的周期為T2=T1C.神舟十二號飛船沿軌道Ⅰ運行的周期大于天和核心艙沿軌道Ⅲ運行的周期D.正常運行時,神舟十二號飛船在軌道Ⅱ上經(jīng)過B點的加速度大于在軌道Ⅲ上經(jīng)過B點的加速度思維導(dǎo)引

答案:B

解析:

神舟十二號飛船在軌道Ⅰ上運動時仍受重力作用,只是因為重力全部用來提供向心力而處于完全失重狀態(tài),選項A錯誤。根據(jù)開普勒第三定神舟十二號飛船運行軌道Ⅰ的半徑小于天和核心艙運行軌道Ⅲ的半徑,所以神舟十二號飛船沿軌道Ⅰ運行的周期小于天和核心艙沿軌道Ⅲ運行的周期,選項C錯誤。根據(jù)牛頓第二定律得可知正常運行時,神舟十二號飛船在軌道Ⅱ上經(jīng)過B點的加速度等于在軌道Ⅲ上經(jīng)過B點的加速度,選項D錯誤。規(guī)律方法

1.提供天體做圓周運動的向心力是該天體受到的萬有引力,F供(1)當(dāng)F供=F需時,天體在圓軌道上正常運行。(2)當(dāng)F供>F需時,天體做近心運動。(3)當(dāng)F供<F需時,天體做離心運動。2.對航天器的變軌問題,要抓住其在確定軌道上運行時機械能守恒,在不同軌道上運行時其機械能不同,軌道半徑越大機械能越大。3.航天器經(jīng)過同一點的加速度大小如何變化,可根據(jù)所受萬有引力的大小來確定。拓展訓(xùn)練3(多選)2020年5月5日,為我國載人空間站工程研制的長征五號B運載火箭,搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗船,在文昌航天發(fā)射場點火升空,載荷組合體被準確送入預(yù)定軌道,首飛任務(wù)取得圓滿成功,空間站階段飛行任務(wù)首戰(zhàn)告捷,拉開我國載人航天工程“第三步”任務(wù)序幕。我們可以將載荷組合體送入預(yù)定軌道的過程簡化為下圖,軌道A為近地軌道,軌道C為預(yù)定軌道,軌道A與軌道B相切于P點,軌道B與軌道C相切于Q點。下列說法正確的是(

)A.組合體在軌道B上經(jīng)過P點速度大于地球的第一宇宙速度B.組合體在軌道B上經(jīng)過P點時的加速度大于在軌道A上經(jīng)過P點時的加速度C.組合體從軌道B進入軌道C需要在Q點減速D.組合體在軌道B上由P點到Q點的過程中機械能守恒AD解析:

地球的第一宇宙速度等于衛(wèi)星在近地軌道上的運行速度,組合體從軌道A上變軌到軌道B上,必須在P點加速,所以,組合體在軌道B上經(jīng)過P點速度大于地球的第一宇宙速度,故A正確;根據(jù)牛頓第二定律得經(jīng)過P點時的加速度相等,故B錯誤;組合體從軌道B進入軌道C要做離心運動,需要在Q點加速,故C錯誤;組合體在軌道B上由P點到Q點的過程中,只有萬有引力做功,其機械能守恒,故D正確。新題演練?能力遷移1.(2020·天津卷)北斗問天,國之夙愿。我國北斗三號系統(tǒng)的收官之星是地球靜止軌道衛(wèi)星,其軌道半徑約為地球半徑的7倍。與近地軌道衛(wèi)星相比,地球靜止軌道衛(wèi)星(

)A.周期大 B.線速度大

C.角速度大 D.加速度大A解析:

設(shè)衛(wèi)星的軌道半徑為r,線速度大小為v,角速度為ω,周期為T,向心加速度為a。根據(jù)萬有引力提供向心力,2.(多選)(2022·廣西五市聯(lián)考)由數(shù)萬名科學(xué)家傾力合作的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡被成功發(fā)射,被送入日—地拉格朗日點;如圖所示的L1、L2、L3、L4、L5為法籍意大利數(shù)學(xué)家拉格朗日指出的太陽和地球所在同一平面上的5個拉格朗日點。韋伯太空望遠鏡位于L2這個點上,在太陽與地球共同引力作用下,可以幾乎不消耗燃料而保持與地球同步繞太陽做圓周運動。下列說法正確的是(

)A.韋伯太空望遠鏡繞太陽運動的線速度比地球繞太陽運動的線速度小B.韋伯太空望遠鏡繞太陽運動的向心加速度大于地球繞太陽運動的向心加速度C.韋伯太空望遠鏡在L2點處于平衡狀態(tài)D.同一飛行器穩(wěn)定在L2處所受太陽和地球引力的合力比穩(wěn)定在L1處大BD解析:

據(jù)題意知,韋伯太空望遠鏡與地球同步繞太陽做圓周運動,則周期相同,即韋伯太空望遠鏡繞太陽運動的角速度和地球公轉(zhuǎn)角速度相等,而韋伯太空望遠鏡運動半徑大于地球公轉(zhuǎn)半徑,韋伯太空望遠鏡繞太陽運動的線速度比地球繞太陽運動的線速度大,選項A錯誤。向心加速度a=ω2r,韋伯太空望遠鏡和地球繞太陽做勻速圓周運動的角速度相等,而韋伯太空望遠鏡運動半徑大于地球公轉(zhuǎn)半徑,則該韋伯太空望遠鏡繞太陽運動的向心加速度大于地球繞太陽運動的向心加速度,選項B正確。韋伯太空望遠鏡所受的合力為地球和太陽對它引力的合力,這兩個引力方向相同,合力不為零,處于非平衡狀態(tài),選項C錯誤。同一飛行器在L2處和L1處的角速度相等,但在L2處半徑大,根據(jù)F=mω2r可知,在L2處所受太陽和地球引力的合力比在L1處大,選項D正確。3.(2021·浙江卷)空間站在地球外層的稀薄大氣中繞行,因氣體阻力的影響,軌道高度會發(fā)生變化?？臻g站安裝有發(fā)動機,可對軌道進行修正。下圖中給出了國際空間站在2020年2月到8月離地高度隨時間變化的曲線,則空間站(

)A.繞地運行速度約為2.0km/sB.繞地運行速度約為8.0km/sC.在4月份繞行的任意兩小時內(nèi)機械能可視為守恒D.在5月份繞行的任意兩小時內(nèi)機械能可視為守恒Dkm/s<v2<7.9

km/s,故A、B錯誤。由題圖可知,在4月份空間站高度進行了軌道修正,即存在發(fā)動機做功,則任意兩小時內(nèi)其機械能不可視為守恒;在5月份無外力做功,地球外層的稀薄空氣任意兩小時內(nèi)對空間站做功很少,可以忽略不計,機械能可視為守恒,故D正確,C錯誤。4.(2020·全國卷Ⅲ)嫦娥四號探測器于2019年1月在月球背面成功著陸。探測器著陸前曾繞月球飛行,某段時間可認為它繞月做勻速圓周運動,圓周半徑為月球半徑的K倍。已知地球半徑R是月球半徑的P倍,地球質(zhì)量是月球質(zhì)量的Q倍,地球表面重力加速度大小為g。則嫦娥四號繞月球做圓周運動的速率為(

)D5.(2022·河北高考沖刺卷)宇宙中存在一些由遠離其他恒星的星體組成的系統(tǒng),通常可忽略其他星體對它們的引力作用。如圖所示,質(zhì)量均為m的三顆星體a、b、c的球心位于邊長為L的等邊三角形的三個頂點上,繞