能力课5 天体运动中的三类问题课件

能力课5天体运动中的三类问题能力课5天体运动中的三类问题-2-知识点一知识点二同步卫星、近地卫星1.同步卫星:运行周期与行星

相同或轨道平面旋转角速度与行星的公转角速度大致相等的卫星。卫星公转周期与地球

周期相同的称地球同步卫星。

2.近地卫星:近地卫星是指轨道在地球表面附近的卫星,计算时轨道半径可近似取地球半径。自转周期

自转

-2-知识点一知识点二同步卫星、近地卫星自转周期自转-3-知识点一知识点二卫星变轨原理当卫星开启、关闭发动机或受空气阻力作用时,万有引力不再等于向心力,卫星将做变轨运行:<>-3-知识点一知识点二卫星变轨原理<>-4-考点一考点二考点三近地卫星、赤道上物体及同步卫星的运行问题(师生共研)近地卫星、赤道上物体及同步卫星的区别与联系-4-考点一考点二考点三近地卫星、赤道上物体及同步卫星的运行-5-考点一考点二考点三-5-考点一考点二考点三-6-考点一考点二考点三例题(2018·江西鹰潭模拟)有a、b、c、d四颗卫星,a还未发射,在地球赤道上随地球一起转动,b在地面附近近地轨道上正常运行,c是地球同步卫星,d是高空探测卫星,设地球自转周期为24h,所有卫星的运动均视为匀速圆周运动,各卫星排列位置如图所示,则下列关于卫星的说法正确的是(

)

A.a的向心加速度等于重力加速度gB.c在4h内转过的圆心角为C.b在相同的时间内转过的弧长最长D.d的运动周期可能是23h答案解析解析关闭答案解析关闭-6-考点一考点二考点三例题(2018·江西鹰潭模拟)有a、-7-考点一考点二考点三思维点拨

同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,角速度相同,根据a=ω2r比较a与c的向心加速度大小,再比较c的向心加速度与g的大小。根据万有引力提供向心力,列出等式得出线速度与半径的关系,分析弧长关系。根据开普勒第三定律判断d与c的周期关系。-7-考点一考点二考点三思维点拨同步卫星的周期必须与地球自-8-考点一考点二考点三思维训练国务院批复,自2016年起将4月24日设立为“中国航天日”。如图所示,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440km,远地点高度约为2060km;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35786km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(

)

A.a2>a1>a3

B.a3>a2>a1C.a3>a1>a2

D.a1>a2>a3答案解析解析关闭答案解析关闭-8-考点一考点二考点三思维训练答案解析解析关闭答案解-9-考点一考点二考点三卫星的变轨与对接问题——模型建构1.变轨过程(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Ⅰ上。如图所示。

(2)在A点(近地点)点火加速,由于速度变大,万有引力不足以提供在轨道Ⅰ上做圆周运动的向心力,卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ。(3)在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ。-9-考点一考点二考点三卫星的变轨与对接问题——模型建构-10-考点一考点二考点三2.变轨过程各物理量分析(1)速度:设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3,在轨道Ⅱ上过A点和B点时速率分别为vA、vB。在A点加速,则vA>v1,在B点加速,则v3>vB,又因v1>v3,故有vA>v1>v3>vB。(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Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A点,卫星的加速度都相同,同理,经过B点加速度也相同。(3)周期:设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上的运行周期分别为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T1<T2<T3。(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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E1、E2、E3,则E1<E2<E3。-10-考点一考点二考点三2.变轨过程各物理量分析-11-考点一考点二考点三考向1

变轨前后各物理量的比较例1(2019·浙江名校月考)世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在圆满完成4个月的在轨测试任务后,正式交付用户单位使用。右图为“墨子号”变轨示意图,轨道A与轨道B相切于P点,轨道B与轨道C相切于Q点,以下说法正确的是(

)A.“墨子号”在轨道B上由P向Q运动的过程中速率越来越大B.“墨子号”在轨道C上经过Q点的速率大于在轨道A上经过P点的速率C.“墨子号”在轨道B上经过P点时的向心加速度大于在轨道A上经过P点时的向心加速度D.“墨子号”在轨道B上经过Q点时受到的地球的引力小于经过P点时受到的地球的引力答案解析解析关闭答案解析关闭-11-考点一考点二考点三考向1变轨前后各物理量的比较答-12-考点一考点二考点三思维点拨

两轨道相切于同一点,向心加速度相同,外轨道速度大于内轨道速度。-12-考点一考点二考点三思维点拨两轨道相切于同一点,向心-13-考点一考点二考点三-13-考点一考点二考点三-14-考点一考点二考点三考向2

航天器的对接问题航天飞船与宇宙空间站的“对接”实际上就是两个做匀速圆周运动的物体追赶问题,本质仍然是卫星的变轨运行问题。-14-考点一考点二考点三考向2航天器的对接问题-15-考点一考点二考点三例2假设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(

)

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答案解析解析关闭低轨道的飞船与高轨道的空间实验室对接,飞船需在低轨处点火加速,做离心运动,在飞船靠近空间实验室且二者速度接近时实现对接,故选项C正确。答案解析关闭C-15-考点一考点二考点三例2假设天宫二号与神舟十一号都围绕-16-考点一考点二考点三思维点拨

正常运行的卫星,若加速,则所需向心力大于万有引力,做离心运动;若减速,则所需向心力小于万有引力,做向心运动,据此分析各选项。-16-考点一考点二考点三思维点拨正常运行的卫星,若加速,-17-考点一考点二考点三思维训练(2019·天津静海月考)如图所示,假设月球半径为R,月球表面的重力加速度为g0,飞船在距月球表面高度为3R的圆形轨道Ⅰ运动,到达轨道的点A时点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ,到达轨道的近月点B再次点火进入近月轨道Ⅲ绕月球做圆周运动,则(

)答案解析解析关闭答案解析关闭-17-考点一考点二考点三思维训练答案解析解析关闭答案-18-考点一考点二考点三天体运动中的追及相遇问题(师生共研)天体相遇与追及问题的处理方法首先根据

判断出谁的角速度大,然后根据两星追上或相距最近时满足两星运动的角度差等于2π的整数倍,即ωAt-ωBt=n·2π(n=1,2,3,…);相距最远时两星运行的角度差等于π的奇数倍,即ωAt-ωBt=(2n+1)π(n=0,1,2,…)。-18-考点一考点二考点三天体运动中的追及相遇问题(师生共研-19-考点一考点二考点三例题(2018·广东深圳一模)人造卫星a的圆形轨道离地面高度为h,地球同步卫星b离地面高度为H,h<H,两卫星共面且运行方向相同。某时刻卫星a恰好出现在赤道上某建筑物c的正上方,设地球赤道半径为R,地面重力加速度为g,则(

)答案解析解析关闭答案解析关闭-19-考点一考点二考点三例题(2018·广东深圳一模)人造-20-考点一考点二考点三思维点拨

(1)怎样比较人造卫星a和同步卫星b的线速度、角速度、向心加速度?(2)什么时候人造卫星a会再次通过c的正上方?(2)人造卫星转过的角度与c物体随地球自转转过的角度之差等于2π时,a会再次通过c的上方,即ωat-ωct=2π。-20-考点一考点二考点三思维点拨(1)怎样比较人造卫星a-21-考点一考点二考点三思维训练(多选)如图所示,三个质点a、b、c的质量分别为m1、m2、M(M远大于m1及m2),在c的万有引力作用下,a、b在同一平面内绕c沿逆时针方向做匀速圆周运动,已知轨道半径之比为ra∶rb=1∶4,则下列说法正确的有(

)

A.a、b运动的周期之比为Ta∶Tb=1∶8B.a、b运动的周期之比为Ta∶Tb=1∶4C.从图示位置开始,在b转动一周的过程中,a、b、c共线12次D.从图示位置开始,在b转动一周的过程中,a、b、c共线14次答案解析解析关闭答案解析关闭-21-考点一考点二考点三思维训练答案解析解析关闭答案能力课5天体运动中的三类问题能力课5天体运动中的三类问题-23-知识点一知识点二同步卫星、近地卫星1.同步卫星:运行周期与行星

相同或轨道平面旋转角速度与行星的公转角速度大致相等的卫星。卫星公转周期与地球

周期相同的称地球同步卫星。

2.近地卫星:近地卫星是指轨道在地球表面附近的卫星,计算时轨道半径可近似取地球半径。自转周期

自转

-2-知识点一知识点二同步卫星、近地卫星自转周期自转-24-知识点一知识点二卫星变轨原理当卫星开启、关闭发动机或受空气阻力作用时,万有引力不再等于向心力,卫星将做变轨运行:<>-3-知识点一知识点二卫星变轨原理<>-25-考点一考点二考点三近地卫星、赤道上物体及同步卫星的运行问题(师生共研)近地卫星、赤道上物体及同步卫星的区别与联系-4-考点一考点二考点三近地卫星、赤道上物体及同步卫星的运行-26-考点一考点二考点三-5-考点一考点二考点三-27-考点一考点二考点三例题(2018·江西鹰潭模拟)有a、b、c、d四颗卫星,a还未发射,在地球赤道上随地球一起转动,b在地面附近近地轨道上正常运行,c是地球同步卫星,d是高空探测卫星,设地球自转周期为24h,所有卫星的运动均视为匀速圆周运动,各卫星排列位置如图所示,则下列关于卫星的说法正确的是(

)

A.a的向心加速度等于重力加速度gB.c在4h内转过的圆心角为C.b在相同的时间内转过的弧长最长D.d的运动周期可能是23h答案解析解析关闭答案解析关闭-6-考点一考点二考点三例题(2018·江西鹰潭模拟)有a、-28-考点一考点二考点三思维点拨

同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,角速度相同,根据a=ω2r比较a与c的向心加速度大小,再比较c的向心加速度与g的大小。根据万有引力提供向心力,列出等式得出线速度与半径的关系,分析弧长关系。根据开普勒第三定律判断d与c的周期关系。-7-考点一考点二考点三思维点拨同步卫星的周期必须与地球自-29-考点一考点二考点三思维训练国务院批复,自2016年起将4月24日设立为“中国航天日”。如图所示,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440km,远地点高度约为2060km;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35786km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(

)

A.a2>a1>a3

B.a3>a2>a1C.a3>a1>a2

D.a1>a2>a3答案解析解析关闭答案解析关闭-8-考点一考点二考点三思维训练答案解析解析关闭答案解-30-考点一考点二考点三卫星的变轨与对接问题——模型建构1.变轨过程(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Ⅰ上。如图所示。

(2)在A点(近地点)点火加速,由于速度变大,万有引力不足以提供在轨道Ⅰ上做圆周运动的向心力,卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ。(3)在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ。-9-考点一考点二考点三卫星的变轨与对接问题——模型建构-31-考点一考点二考点三2.变轨过程各物理量分析(1)速度:设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3,在轨道Ⅱ上过A点和B点时速率分别为vA、vB。在A点加速,则vA>v1,在B点加速,则v3>vB,又因v1>v3,故有vA>v1>v3>vB。(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Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A点,卫星的加速度都相同,同理,经过B点加速度也相同。(3)周期:设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上的运行周期分别为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T1<T2<T3。(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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E1、E2、E3,则E1<E2<E3。-10-考点一考点二考点三2.变轨过程各物理量分析-32-考点一考点二考点三考向1

变轨前后各物理量的比较例1(2019·浙江名校月考)世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在圆满完成4个月的在轨测试任务后,正式交付用户单位使用。右图为“墨子号”变轨示意图,轨道A与轨道B相切于P点,轨道B与轨道C相切于Q点,以下说法正确的是(

)A.“墨子号”在轨道B上由P向Q运动的过程中速率越来越大B.“墨子号”在轨道C上经过Q点的速率大于在轨道A上经过P点的速率C.“墨子号”在轨道B上经过P点时的向心加速度大于在轨道A上经过P点时的向心加速度D.“墨子号”在轨道B上经过Q点时受到的地球的引力小于经过P点时受到的地球的引力答案解析解析关闭答案解析关闭-11-考点一考点二考点三考向1变轨前后各物理量的比较答-33-考点一考点二考点三思维点拨

两轨道相切于同一点,向心加速度相同,外轨道速度大于内轨道速度。-12-考点一考点二考点三思维点拨两轨道相切于同一点,向心-34-考点一考点二考点三-13-考点一考点二考点三-35-考点一考点二考点三考向2

航天器的对接问题航天飞船与宇宙空间站的“对接”实际上就是两个做匀速圆周运动的物体追赶问题,本质仍然是卫星的变轨运行问题。-14-考点一考点二考点三考向2航天器的对接问题-36-考点一考点二考点三例2假设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(

)

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答案解析解析关闭低轨道的飞船与高轨道的空间实验室对接,飞船需在低轨处点火加速,做离心运动,在飞船靠近空间实验室且二者速度接近时实现对接,故选项C正确。答案解析关闭C-15-考点一考点二考点三例2假设天宫二号与神舟十一号都围绕-37-考点一考点二考点三思维点拨

正常运行的卫星,若加速,则所需向心力大于万有引力,做离心运动;若减速,则所需向心力小于万有引力,做向心运动,据此分析各选项。-16-考点一考点二考点三思维点拨正常运行的卫星,若加速,-38-考点一考点二考点三思维训练(2019·天津静海月考)如图所示,假设月球半径为R,月球表面的重力加速度为g0,飞船在距月球表面高度为3R的圆形轨道Ⅰ运动,到达轨道的点A时点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ,到达轨道的近月点B再次点火进入近月轨道Ⅲ绕月球做圆周运动,则(

)答案解析解析关闭答案解析关闭-17-考点一考点二考点三思维训练答案解析解析关闭答案-39-考点一考点二考点三天体运动中的追及相遇问题(师生共研)天体相遇与追及问题的处理方法首先根据

判断出谁的角速度大,然后根据两星追上或相距最近时满足两星运动的角度差等于2π的整数倍