2018-2019学年高中物理沪科版必修二教师用书：第5章 万有引力与航天 习题课　天体运动各物理量与轨道半径的关系

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精习题课天体运动各物理量与轨道半径的关系[学习目标］1.掌握运用万有引力定律和圆周运动知识分析天体运动问题的基本思路.2。掌握天体的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系．一、天体运动的分析与计算1．基本思路：一般行星或卫星的运动可看做匀速圆周运动，所需向心力由中心天体对它的万有引力提供,即F引＝F向．2．常用关系：(1)Geq\f（Mm,r2）＝ma＝meq\f(v2,r)＝mω2r＝meq\f(4π2,T2)r。（2)忽略自转时，mg＝Geq\f(Mm，R2)(物体在天体表面时受到的万有引力等于物体重力)，整理可得：gR2＝GM，该公式通常被称为“黄金代换式"．例1(多选)地球半径为R0，地面重力加速度为g，若卫星在距地面R0处做匀速圆周运动，则（）A．卫星的线速度为eq\f(\r（2R0g)，2） B．卫星的角速度为eq\r（\f（g，8R0))C．卫星的加速度为eq\f(g,2) D．卫星的加速度为eq\f（g,4)答案ABD解析由eq\f(GMm,2R02)＝ma＝meq\f(v2,2R0）＝mω2（2R0)及GM＝gR02，可得卫星的向心加速度a＝eq\f（g，4)，角速度ω＝eq\r（\f(g,8R0）)，线速度v＝eq\f(\r(2R0g）,2），所以A、B、D正确,C错误．针对训练某着陆器完成了对月球表面的考察任务后，由月球表面回到围绕月球做圆周运动的轨道舱，其过程如图1所示．设轨道舱的质量为m，月球表面的重力加速度为g，月球的半径为R，轨道舱到月球中心的距离为r，引力常量为G，求轨道舱的速度和周期．图1答案Req\r(\f（g,r)）eq\f(2πr，R)eq\r（\f（r,g))解析轨道舱在月球表面时Geq\f（Mm，R2)＝mg①轨道舱在半径为r的轨道上做圆周运动时,有Geq\f（Mm,r2）＝meq\f（v2，r）②Geq\f（Mm,r2)＝meq\f(4π2,T2）r③由①②得v＝Req\r(\f（g,r))由①③得T＝eq\f(2πr,R)eq\r（\f（r，g）)二、天体运行的各物理量与轨道半径的关系设质量为m的天体绕另一质量为M的中心天体做半径为r的匀速圆周运动．（1)由Geq\f(Mm，r2)＝meq\f(v2，r)得v＝eq\r（\f(GM,r)），r越大，v越小．（2）由Geq\f(Mm，r2）＝mω2r得ω＝eq\r(\f(GM,r3))，r越大，ω越小．(3）由Geq\f（Mm,r2)＝meq\b\lc\(\rc\）(\a\vs4\al\co1(\f(2π,T））)2r得T＝2πeq\r(\f(r3，GM)），r越大，T越大．（4)由Geq\f（Mm,r2)＝ma得a＝eq\f（GM，r2），r越大，a越小．以上结论可总结为“一定四定,越远越慢”．例22009年2月11日，俄罗斯的“宇宙－2251”卫星和美国的“铱－33”卫星在西伯利亚上空约805km处发生碰撞,这是历史上首次发生的完整在轨卫星碰撞事件．碰撞过程中产生的大量碎片可能会影响太空环境．假定有甲、乙两块碎片绕地球运动的轨道都是圆，甲的运行速率比乙的大，则下列说法中正确的是（)A．甲的运行周期一定比乙的长B．甲距地面的高度一定比乙的高C．甲的向心力一定比乙的小D．甲的向心加速度一定比乙的大答案D解析甲的速率大，由Geq\f(Mm，r2）＝meq\f(v2，r），得v＝eq\r（\f（GM,r)),由此可知，甲碎片的轨道半径小，故B错误;由Geq\f（Mm，r2)＝mreq\f(4π2,T2),得T＝eq\r(\f（4π2r3,GM))，可知甲的周期小，故A错误;由于未知两碎片的质量，无法判断向心力的大小,故C错误；由eq\f（GMm，r2)＝man得an＝eq\f(GM，r2）,可知甲的向心加速度比乙的大,故D正确．例3如图2所示，a、b是两颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星，它们距地面的高度分别是R和2R（R为地球半径)．下列说法中正确的是（）图2A．a、b的线速度大小之比是eq\r（2）∶1B．a、b的周期之比是1∶2eq\r（2)C．a、b的角速度大小之比是3eq\r(6)∶4D．a、b的向心加速度大小之比是9∶2答案C解析两卫星均做匀速圆周运动，F万＝F向，向心力选不同的表达式分别分析．由eq\f(GMm,r2）＝meq\f(v2,r)得eq\f（v1，v2)＝eq\r(\f(r2，r1))＝eq\r(\f(3R，2R））＝eq\f(\r（6)，2)，故A错误．由eq\f（GMm,r2)＝mreq\b\lc\(\rc\)（\a\vs4\al\co1（\f（2π，T）)）2得eq\f（T1,T2)＝eq\r(\f(r\o\al(13)，r\o\al(23））)＝eq\f（2\r（6），9)，故B错误．由eq\f（GMm,r2）＝mrω2得eq\f（ω1，ω2）＝eq\r(\f(r\o\al(23)，r\o\al（13)））＝eq\f（3\r（6)，4)，故C正确．由eq\f（GMm，r2)＝ma得eq\f（a1，a2）＝eq\f（r\o\al(22）,r\o\al（12)）＝eq\f（9,4)，故D错误．1.（卫星各运动参量与轨道半径的关系）(多选）如图3所示，飞船从轨道1变轨至轨道2。若飞船在两轨道上都做匀速圆周运动，不考虑质量变化，相对于在轨道1上，飞船在轨道2上的（)图3A．速度大 B．向心加速度大C．运行周期长 D．角速度小答案CD解析飞船绕中心天体做匀速圆周运动，万有引力提供向心力,即F引＝F向,所以Geq\f(Mm，r2）＝ma＝eq\f（mv2，r）＝eq\f（4π2mr,T2)＝mrω2,即a＝eq\f（GM,r2),v＝eq\r（\f(GM,r))，T＝eq\r(\f(4π2r3,GM）)，ω＝eq\r（\f(GM,r3））（或用公式T＝eq\f(2π，ω)求解）．因为r1<r2，所以v1>v2，a1>a2，T1〈T2，ω1〉ω2，选项C、D正确．2．(行星各运动参量与轨道半径的关系)如图4所示，在火星与木星轨道之间有一小行星带，假设该带中的小行星只受到太阳的引力，并绕太阳做匀速圆周运动．下列说法正确的是（）图4A．太阳对各小行星的引力相同B．各小行星绕太阳运动的周期均小于一年C．小行星带内侧小行星的向心加速度值大于外侧小行星的向心加速度值D．小行星带内各小行星绕太阳做圆周运动的线速度值大于地球公转的线速度值答案C解析根据万有引力定律F＝Geq\f(Mm,r2)可知,由于各小行星的质量和到太阳的距离不同，万有引力不同，A项错误；由Geq\f（Mm，r2）＝meq\f（4π2，T2)r，得T＝2πeq\r(\f（r3，GM))，因为各小行星的轨道半径r大于地球的轨道半径，所以它们的周期均大于地球的周期，B项错误；向心加速度a＝eq\f(F，m）＝Geq\f（M，r2），内侧小行星到太阳的距离小，向心加速度大,C项正确;由Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2，r)得线速度v＝eq\r(\f(GM，r))，小行星的轨道半径大于地球的轨道半径,线速度小于地球绕太阳的线速度，D项错误．3．(天体运动各参量的比较)如图5所示，甲、乙两颗卫星以相同的轨道半径分别绕质量为M和2M的行星做匀速圆周运动，下列说法正确的是()图5A．甲的向心加速度比乙的小B．甲的运行周期比乙的小C．甲的角速度比乙的大D．甲的线速度比乙的大答案A解析甲、乙两卫星分别绕质量为M和2M的行星做匀速圆周运动，万有引力提供各自做匀速圆周运动的向心力．由牛顿第二定律Geq\f（Mm，r2）＝ma＝meq\f(4π2，T2）r＝mω2r＝meq\f（v2，r），可得a＝eq\f（GM,r2），T＝2πeq\r（\f（r3,GM)），ω＝eq\r(\f（GM,r3)），v＝eq\r（\f（GM，r)).由已知条件可得a甲＜a乙,T甲＞T乙，ω甲＜ω乙，v甲＜v乙，故正确选项为A。4．(天体运动的分析与计算)如图6所示，A、B为地球周围的两颗卫星，它们离地面的高度分别为h1、h2，已知地球半径为R，地球表面重力加速度为g，求：图6(1)A的线速度大小v1；（2)A、B的角速度之比ω1∶ω2.答案（1)eq\r（\f(gR2,R＋h1)）(2）eq\r（\f（R＋h23,R＋h13））解析（1)设地球质量为M，行星质量为m，由万有引力提供向心力，对A有:eq\f(GMm，R＋h12）＝meq\f(v\o\al(12),R＋h1)①在地球表面对质量为m′的物体有：m′g＝Geq\f（Mm′，R2)②由①②得v1＝eq\r（\f(gR2,R＋h1))（2）由Geq\f（Mm，R＋h2）＝mω2(R＋h)得ω＝eq\r（\f(GM,R＋h3)）所以A、B的角速度之比eq\f（ω1,ω2)＝eq\r（\f(R＋h23,R＋h13)）.一、选择题考点一天体运动各物理量与轨道半径的关系1．把太阳系各行星的运动近似看成匀速圆周运动，则离太阳越远的行星（）A．周期越大 B．线速度越大C．角速度越大 D．向心加速度越大答案A解析行星绕太阳做匀速圆周运动,所需的向心力由太阳对行星的引力提供，由Geq\f（Mm,r2)＝meq\f（v2,r）得v＝eq\r（\f(GM，r)），可知r越大,线速度越小，B错误．由Geq\f(Mm，r2)＝mω2r得ω＝eq\r(\f(GM，r3））,可知r越大，角速度越小,C错误．由eq\f(r3，T2)＝k知,r越大,T越大，A正确．由Geq\f(Mm，r2）＝ma得a＝eq\f(GM，r2），可知r越大,向心加速度a越小，D错误．2．a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星．其中a、c的轨道相交于P，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上．某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图1所示，下列说法中正确的是(）图1A．a、c的加速度大小相等,且大于b的加速度B．b、c的角速度大小相等,且小于a的角速度C．a、c的线速度大小相等，且小于d的线速度D．a、c存在在P点相撞的危险答案A解析由Geq\f(Mm,r2）＝meq\f（v2,r)＝mω2r＝meq\f（4π2,T2）r＝ma可知，选项B、C错误，选项A正确；因a、c轨道半径相同,周期相同,既然图示时刻不相撞,以后就不可能相撞了，选项D错误．3．（多选)火星直径约为地球直径的一半，质量约为地球质量的十分之一，它绕太阳公转的轨道半径约为地球绕太阳公转轨道半径的1。5倍．根据以上数据,下列说法中正确的是(）A．火星表面重力加速度的数值比地球表面的小B．火星公转的周期比地球的长C．火星公转的线速度比地球的大D．火星公转的向心加速度比地球的大答案AB解析由Geq\f(Mm,R2）＝mg得g＝Geq\f(M，R2），计算得A对；由Geq\f(Mm，r2）＝m(eq\f(2π,T）)2r得T＝2πeq\r(\f(r3,GM）），计算得B对；周期长的线速度小（或由v＝eq\r（\f(GM,r））判断轨道半径大的线速度小），C错；公转的向心加速度a＝Geq\f(M,r2),计算得D错．4．(多选)土星外层有一个环，为了判断它是土星的一部分还是土星的卫星群，可以测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系，则下列判断正确的是(）A．若v2∝R则该层是土星的卫星群B．若v∝R则该层是土星的一部分C．若v∝eq\f（1，R)则该层是土星的一部分D．若v2∝eq\f(1,R）则该层是土星的卫星群答案BD解析若外层的环为土星的一部分,则它们各部分转动的角速度ω相等，由v＝ωR知v∝R，B正确，C错误；若是土星的卫星群，则由Geq\f(Mm,R2）＝meq\f（v2,R)，得v2∝eq\f(1,R）,故A错误，D正确．5．(多选）科学探测表明，月球上至少存在丰富的氧、硅、铝、铁等资源，设想人类开发月球，不断把月球上的矿藏搬运到地球上，假定经长期的开采后月球与地球仍可看成均匀球体，月球仍沿开采前的轨道运动，则与开采前相比(提示：a＋b＝常量,则当a＝b时,ab乘积最大）（）A．地球与月球间的万有引力将变大B．地球与月球间的万有引力将变小C．月球绕地球运行的周期将变大D．月球绕地球运行的周期将变小答案BD解析万有引力公式F＝eq\f(GMm,r2）中，G和r不变，因地球和月球的总质量不变,当M增大而m减小时，两者的乘积减小，万有引力减小，故选项A错误，选项B正确；又eq\f（GMm,r2）＝mreq\f（4π2，T2)，T＝eq\r(\f(4π2r3,GM）),M增大，则T减小，故选项C错误，选项D正确．考点二天体运动的分析与计算6．据报道，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”绕月飞行的圆形工作轨道距月球表面分别约为200km和100km，运行速率分别为v1和v2。那么，v1和v2的比值为(月球半径取1700km）（)A.eq\f(19,18）B。eq\r（\f（19，18)）C.eq\r(\f（18,19))D.eq\f(18，19）答案C解析根据卫星运动的向心力由万有引力提供，有Geq\f（Mm，r＋h2）＝meq\f(v2,r＋h)，那么卫星的线速度跟其轨道半径的平方根成反比，则有eq\f(v1，v2)＝eq\f（\r（r＋h2），\r(r＋h1))＝eq\r（\f(18，19）)。7．两颗行星A和B各有一颗卫星a和b，卫星轨道接近各自行星的表面,如果两行星的质量之比为eq\f（MA,MB)＝p，两行星半径之比为eq\f(RA,RB）＝q，则两个卫星的周期之比eq\f(Ta,Tb)为（)A.eq\r(pq)B．qeq\r（p)C．peq\r(\f（p,q)）D．qeq\r（\f(q，p）)答案D解析卫星做圆周运动时,万有引力提供圆周运动的向心力，则有：Geq\f（Mm,R2)＝mR（eq\f(2π,T）)2，得T＝eq\r（\f（4π2R3，GM))，解得：eq\f（Ta,Tb）＝qeq\r(\f(q,p))，故D正确，A、B、C错误．8．天文学家发现了一颗距地球40光年的“超级地球”，名为“55Cancrie”．该行星绕母星(中心天体）运行的周期约为地球绕太阳运行周期的eq\f(1，480），母星的体积约为太阳的60倍．假设母星与太阳密度相同，“55Cancrie”与地球均做匀速圆周运动，则“55Cancrie"与地球的(）A．轨道半径之比约为eq\r（3，\f(60，480)）B．轨道半径之比约为eq\r（3，\f(60，4802)）C．向心加速度之比约为eq\r(3,60×4802)D．向心加速度之比约为eq\r(3,60×480）答案B解析由公式Geq\f（Mm,r2）＝m(eq\f（2π，T））2r，可得通式r＝eq\r(3,\f（GMT2,4π2)），设“55Cancrie”的轨道半径为r1，地球轨道半径为r2，则eq\f（r1，r2)＝eq\r(3，\f(M1，M2)·\f(T\o\al（12），T\o\al（22）））＝eq\r（3,\f（60,4802)）,从而判断A错，B对；再由Geq\f（Mm，r2)＝ma得通式a＝Geq\f(M,r2),则eq\f(a1，a2）＝eq\f(M1，M2）·eq\f（r\o\al（22），r\o\al（12))＝eq\r（3，\f(M1,M2)·\f(T\o\al(24），T\o\al（14）)）＝eq\r（3，60×4804)，所以C、D皆错．9．一卫星绕某一行星表面附近做匀速圆周运动,其线速度大小为v.假设宇航员在该行星表面上用弹簧测力计测量一质量为m的物体重力，物体静止时，弹簧测力计的示数为N。已知引力常量为G,则这颗行星的质量为()A.eq\f（mv2,GN)B。eq\f(mv4,GN）C.eq\f（Nv2,Gm）D.eq\f(Nv4,Gm）答案B解析设卫星的质量为m′由万有引力提供向心力，得Geq\f(Mm′，R2)＝m′eq\f（v2，R)①m′eq\f（v2,R)＝m′g②由已知条件:m的重力为N得N＝mg③由③得g