2018-2019學(xué)年高中物理 第5章 萬(wàn)有引力與航天 習(xí)題課 變軌問(wèn)題 雙星問(wèn)題課件 滬科版必修2.ppt

習(xí)題課變軌問(wèn)題雙星問(wèn)題,第5章萬(wàn)有引力與航天,學(xué)習(xí)目標(biāo),1.理解赤道物體、同步衛(wèi)星和近地衛(wèi)星的區(qū)別. 2.會(huì)分析衛(wèi)星(或飛船)的變軌問(wèn)題. 3.掌握雙星的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其問(wèn)題的分析方法.,內(nèi)容索引,重點(diǎn)探究 啟迪思維 探究重點(diǎn),達(dá)標(biāo)檢測(cè) 檢測(cè)評(píng)價(jià) 達(dá)標(biāo)過(guò)關(guān),重點(diǎn)探究,例1如圖1所示，A為地面上的待發(fā)射衛(wèi)星，B為近地圓軌道衛(wèi)星，C為地球同步衛(wèi)星.三顆衛(wèi)星質(zhì)量相同，三顆衛(wèi)星的線速度大小分別為vA、vB、vC，角速度大小分別為A、B、C，周期分別為TA、TB、TC，向心加速度分別為aA、aB、aC，則 A.ACaB,一、“赤道上物體”“同步衛(wèi)星”和“近地衛(wèi)星”的比較,圖1,答案,解析,解析同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步，故TATC，AC， 由vr及a2r得vCvA，aCaA,知vBvC，BC，TBaC. 故可知vBvCvA，BCA，TBaCaA. 選項(xiàng)A正確，B、C、D錯(cuò)誤.,同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、赤道上物體的比較 1.同步衛(wèi)星和近地衛(wèi)星： 相同點(diǎn)：都是萬(wàn)有引力提供向心力 由上式比較各運(yùn)動(dòng)量的大小關(guān)系，即r越大，v、a越小，T越大.,2.同步衛(wèi)星和赤道上物體 相同點(diǎn)：周期和角速度相同 不同點(diǎn)：向心力來(lái)源不同,因此要通過(guò)vr，a2r比較兩者的線速度和向心加速度的大小.,針對(duì)訓(xùn)練1(多選)關(guān)于近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、赤道上的物體，以下說(shuō)法正確的是 A.都是萬(wàn)有引力等于向心力 B.赤道上的物體和同步衛(wèi)星的周期、線速度、角速度都相等 C.赤道上的物體和近地衛(wèi)星的線速度、周期不同 D.同步衛(wèi)星的周期大于近地衛(wèi)星的周期,答案,解析,解析赤道上的物體是由萬(wàn)有引力的一個(gè)分力提供向心力，A項(xiàng)錯(cuò)誤； 赤道上的物體和同步衛(wèi)星有相同周期和角速度，但線速度不同，B項(xiàng)錯(cuò)誤；,赤道上物體、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星三者間的周期關(guān)系為T赤T同T近，根據(jù)vr可知v赤<v同，則線速度關(guān)系為v赤<v同<v近，故C項(xiàng)正確.,1.衛(wèi)星的變軌問(wèn)題： 衛(wèi)星變軌時(shí)，先是線速度v發(fā)生變化導(dǎo)致需要的向心力發(fā)生變化，進(jìn)而使軌道半徑r發(fā)生變化. (1)當(dāng)衛(wèi)星減速時(shí)，衛(wèi)星所需的向心力F向m 減小，萬(wàn)有引力大于所需的向心力，衛(wèi)星將做近心運(yùn)動(dòng)，向低軌道變遷. (2)當(dāng)衛(wèi)星加速時(shí)，衛(wèi)星所需的向心力F向m 增大，萬(wàn)有引力不足以提供衛(wèi)星所需的向心力，衛(wèi)星將做離心運(yùn)動(dòng)，向高軌道變遷. 以上兩點(diǎn)是比較橢圓和圓軌道切點(diǎn)速度的依據(jù).,二、人造衛(wèi)星的變軌問(wèn)題,2.飛船對(duì)接問(wèn)題： (1)低軌道飛船與高軌道空間站對(duì)接如圖2甲所示，低軌道飛船通過(guò)合理地加速，沿橢圓軌道(做離心運(yùn)動(dòng))追上高軌道空間站與其完成對(duì)接.,圖2,(2)同一軌道飛船與空間站對(duì)接 如圖乙所示，后面的飛船先減速降低高度，再加速提升高度，通過(guò)適當(dāng)控制，使飛船追上空間站時(shí)恰好具有相同的速度.,例2如圖3所示為衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程的示意圖，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后經(jīng)點(diǎn)火，使其沿橢圓軌道2運(yùn)行，最后再一次點(diǎn)火，將衛(wèi)星送入同步圓軌道3.軌道1、2相切于Q點(diǎn)，軌道2、3相切于P點(diǎn)，則當(dāng)衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運(yùn)行時(shí)，以下說(shuō)法正確的是 A.衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率 B.衛(wèi)星在軌道3上的周期大于在軌道2上的周期 C.衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的速率大于它在軌 道2上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的速率 D.衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)的向心加速度小于 它在軌道3上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)的向心加速度,圖3,答案,解析,解析衛(wèi)星在圓軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)有：,因?yàn)閞1r3，所以v1v3，A項(xiàng)錯(cuò)誤； 由開普勒第三定律知T3T2，B項(xiàng)正確； 在Q點(diǎn)從軌道1到軌道2需要做離心運(yùn)動(dòng)，故需要加速. 所以在Q點(diǎn)v2Qv1Q，C項(xiàng)錯(cuò)誤； 在同一點(diǎn)P，由 ma知，衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)的向心加速度等于它在軌道3上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)的向心加速度，D項(xiàng)錯(cuò)誤.,判斷衛(wèi)星變軌時(shí)速度、向心加速度變化情況的思路： (1)判斷衛(wèi)星在不同圓軌道的運(yùn)行速度大小時(shí)，可根據(jù)“越遠(yuǎn)越慢”的規(guī)律判斷. (2)判斷衛(wèi)星在同一橢圓軌道上不同點(diǎn)的速度大小時(shí)，可根據(jù)開普勒第二定律判斷，即離中心天體越遠(yuǎn)，速度越小. (3)判斷衛(wèi)星由圓軌道進(jìn)入橢圓軌道或由橢圓軌道進(jìn)入圓軌道時(shí)的速度大小如何變化時(shí)，可根據(jù)離心運(yùn)動(dòng)或近心運(yùn)動(dòng)的條件進(jìn)行分析.,針對(duì)訓(xùn)練2(多選)如圖4所示，發(fā)射同步衛(wèi)星的一般程序是：先讓衛(wèi)星進(jìn)入一個(gè)近地的圓軌道，然后在P點(diǎn)變軌，進(jìn)入橢圓形轉(zhuǎn)移軌道(該橢圓軌道的近地點(diǎn)為近地圓軌道上的P點(diǎn)，遠(yuǎn)地點(diǎn)為同步圓軌道上的Q點(diǎn))，到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)Q時(shí)再次變軌，進(jìn)入同步軌道.設(shè)衛(wèi)星在近地圓軌道上運(yùn)行的速率為v1，在橢圓形轉(zhuǎn)移軌道的近地點(diǎn)P點(diǎn)的速率為v2，沿轉(zhuǎn)移軌道剛到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)Q時(shí)的速率為v3，在同步軌道上的速率為v4，三個(gè)軌道上運(yùn)動(dòng)的周期分別為T1、T2、T3, 則下列說(shuō)法正確的是 A.在P點(diǎn)變軌時(shí)需要加速，Q點(diǎn)變軌時(shí)要減速 B.在P點(diǎn)變軌時(shí)需要減速，Q點(diǎn)變軌時(shí)要加速 C.T1T2T3 D.v2v1v4v3,圖4,答案,解析,由于軌道半徑(半長(zhǎng)軸)r1r2r3，由開普勒第三定律 k(k為常量)得T1T2T3，故選項(xiàng)C正確.,例3兩個(gè)靠得很近的天體，離其他天體非常遙遠(yuǎn)，它們以其連線上某一點(diǎn)O為圓心各自做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，兩者的距離保持不變，科學(xué)家把這樣的兩個(gè)天體稱為“雙星”，如圖5所示.已知雙星的質(zhì)量分別為m1和m2，它們之間的距離為L(zhǎng)，求雙星的運(yùn)行軌道半徑r1和r2及運(yùn)行周期T.,三、雙星問(wèn)題,圖5,答案,解析,解析雙星間的引力提供了各自做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,且r1r2L，,1.雙星問(wèn)題的特點(diǎn) (1)兩星的運(yùn)動(dòng)軌道為同心圓，圓心是它們之間連線上的某一點(diǎn). (2)兩星的向心力大小相等，由它們間的萬(wàn)有引力提供. (3)兩星的運(yùn)動(dòng)周期、角速度相同. (4)兩星的軌道半徑之和等于兩星之間的距離，即r1r2L. 2.雙星問(wèn)題的處理方法：雙星間的萬(wàn)有引力提供了它們做圓周運(yùn)動(dòng)的向 心力，即 m12r1m22r2.,針對(duì)訓(xùn)練 3如圖6所示，兩個(gè)星球A、B組成雙星系統(tǒng)，它們?cè)谙嗷ブg的萬(wàn)有引力作用下，繞連線上某點(diǎn)做周期相同的勻速圓周運(yùn)動(dòng).已知A、B星球質(zhì)量分別為mA、mB，萬(wàn)有引力常量為G，求 (其中L為兩星中心距離，T為兩星的運(yùn)動(dòng)周期).,圖6,答案,解析,達(dá)標(biāo)檢測(cè),1.(“同步衛(wèi)星”與“赤道物體”及近地衛(wèi)星的比較)(多選)如圖7所示，同步衛(wèi)星與地心的距離為r，運(yùn)行速率為v1，向心加速度為a1，地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2，第一宇宙速度為v2，地球半徑為R，則下列比值正確的是,答案,解析,1,2,3,圖7,1,2,3,解析地球同步衛(wèi)星：軌道半徑為r，運(yùn)行速率為v1，向心加速度為a1； 地球赤道上的物體：軌道半徑為R，隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2； 以第一宇宙速度運(yùn)行的衛(wèi)星為近地衛(wèi)星，其軌道半徑為R.,2.(衛(wèi)星的變軌問(wèn)題)(多選)肩負(fù)著“落月”和“勘察”重任的“嫦娥三號(hào)”沿地月轉(zhuǎn)移軌道直奔月球，如圖8所示，在距月球表面100 km的P點(diǎn)進(jìn)行第一次制動(dòng)后被月球捕獲，進(jìn)入橢圓軌道繞月飛行，之后，衛(wèi)星在P點(diǎn)又經(jīng)過(guò)第二次“剎車制動(dòng)”，進(jìn)入距月球表面100 km的圓形工作軌道，繞月球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，在經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)會(huì)再一次“剎車制動(dòng)”進(jìn)入近月點(diǎn)距月球表面15公里的橢圓軌道，然后擇機(jī)在近月點(diǎn)下降進(jìn)行軟著陸，則下列說(shuō) 法正確的是 A.“嫦娥三號(hào)”在軌道上運(yùn)動(dòng)的周期最長(zhǎng) B.“嫦娥三號(hào)”在軌道上運(yùn)動(dòng)的周期最長(zhǎng) C.“嫦娥三號(hào)”經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)在軌道上運(yùn)動(dòng)的線速度最大 D.“嫦娥三號(hào)”經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)，在三個(gè)軌道上的加速度相等,答案,解析,1,2,3,圖8,1,2,3,解析由于“嫦娥三號(hào)”在軌道上運(yùn)動(dòng)的半長(zhǎng)軸大于在軌道上運(yùn)動(dòng)的半徑，也大于軌道的半長(zhǎng)軸，根據(jù)開普勒第三定律可知，“嫦娥三號(hào)”在各軌道上穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的周期關(guān)系為TTT，故A正確，B錯(cuò)誤； “嫦娥三號(hào)”在由高軌道降到低軌道時(shí)，都要在P點(diǎn)進(jìn)行“剎車制動(dòng)”，所以經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)，在三個(gè)軌道上的線速度關(guān)系為vvv，所以C錯(cuò)誤； 由于“嫦娥三號(hào)”在P點(diǎn)時(shí)的加速度只與所受到的月球引力有關(guān)，故D正確.,3.(雙星問(wèn)題)如圖9所示，兩顆星球組成的雙星，在相互之間的萬(wàn)有引力作用下，繞連線上的O點(diǎn)做周期相同的勻速圓周運(yùn)動(dòng).現(xiàn)測(cè)得兩顆星之間的距離為L(zhǎng)，質(zhì)量之比為m1m232，下列說(shuō)法中正確的是 A.m1、m2做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度之比為32 B.m1、m2做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度之比為32 C.m1做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為 L D.m2做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為 L,圖9,1,2,3,答案,解析,1,2,3,解析設(shè)雙星m1、m2距轉(zhuǎn)動(dòng)中心O的距離分別為r1、r2，雙星繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為，據(jù)萬(wàn)有引力定律和牛頓第二定律得,m1、m2運(yùn)動(dòng)的線速度分別為v1r1，v2r2， 故v1v2r1r223. 綜上所述，選項(xiàng)C正確.,