备战2025届新高考物理一轮总复习第5章万有引力与航天第3讲专题提升天体运动的四大问题课件

这是一份备战2025届新高考物理一轮总复习第5章万有引力与航天第3讲专题提升天体运动的四大问题课件，共32页。PPT课件主要包含了题型二双星和多星，ABC等内容，欢迎下载使用。

专题概述:对于卫星变轨问题,分析卫星是做向心运动还是离心运动,同时注意卫星能量的变化;掌握双星、多星系统,会解决相关问题;对于天体的追及相遇问题,要知道位于中心天体的同侧(或异侧)时,相距最近(或最远);会应用万有引力定律解决星球“瓦解”和黑洞问题。
题型一　卫星变轨、能量和对接问题
一、变轨原理1.为了节省能量,在赤道上顺着地球自转方向先发射卫星到圆轨道Ⅰ上,卫星在轨道Ⅰ上做匀速圆周运动,有 ,如图所示。
二、变轨过程各物理量比较
考向一卫星变轨问题中各物理量的比较典题1 (2024广东湛江一模)神舟十五号载人飞船与“天和核心舱”对接过程的示意图如图所示,“天和核心舱”处于半径为r3的圆轨道Ⅲ;神舟十五号飞船处于半径为r1的圆轨道Ⅰ,运行周期为T1,通过变轨操作后,沿椭圆轨道Ⅱ运动到B处与“天和核心舱”对接。则神舟十五号飞船(　　)
A.由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需在A点减速B.沿轨道Ⅱ运行的周期为C.在轨道Ⅰ上A点的加速度大于在轨道Ⅱ上A点的加速度D.在轨道Ⅲ上B点的线速度大于在轨道Ⅱ上B点的线速度
考向二 变轨问题中的能量变化典题2 (2024辽宁实验中学模拟)航天飞机在完成对空间站的维修任务后,在A点短时间开动小型发动机进行变轨,从圆形轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ,B为轨道Ⅱ上的一点,如图所示。下列说法正确的是(　　)A.在轨道Ⅱ上经过A的机械能大于经过B的机械能B.在A点短时间开动发动机使航天飞机减速C.在轨道Ⅱ上运动的周期等于在轨道Ⅰ上运动的周期D.在轨道Ⅱ上经过A的加速度小于在轨道Ⅰ上经过A的加速度
解析 在轨道Ⅱ上运动过程,只有引力做功,机械能守恒,故经过A的机械能等于经过B的机械能,A错误;在轨道Ⅰ上A点短时间开动发动机使航天飞机减速做近心运动,B正确;在轨道Ⅱ上运动的半长轴小于在轨道Ⅰ上运动的半径,由开普勒第三定律可知,在轨道Ⅱ上运动的周期小于在轨道Ⅰ上运动的周期,C错误;由牛顿第二定律可得 ,A点到地心距离一定,故在轨道Ⅱ上经过A的加速度等于在轨道Ⅰ上经过A的加速度,D错误。
考向三 飞船对接问题典题3 2023年1月21日,神舟十五号3名航天员在400 km高的空间站向祖国人民送上新春祝福,空间站的运行轨道可近似看作圆形轨道Ⅰ,设地球表面重力加速度为g,地球半径为R,椭圆轨道Ⅱ为载人飞船运行轨道,两轨道相切于A点,下列说法正确的是(　　)
A.在A点时神舟十五号经过点火加速才能从轨道Ⅰ进入轨道ⅡB.飞船在A点的加速度小于空间站在A点的加速度C.空间站在轨道Ⅰ上的速度小于D.轨道Ⅰ上的神舟十五号飞船想与前方的空间站对接,只需要沿运动方向加速即可
一、双星模型1.定义:绕公共圆心转动的两个星体组成的系统,我们称之为双星系统。如图所示。
2.特点(1)各自所需的向心力由彼此间的万有引力提供,即(2)两星的周期、角速度相同,即T1=T2,ω1=ω2。(3)两星的轨道半径与它们之间的距离关系为r1+r2=L。
二、多星模型所研究星体所受万有引力的合力提供做圆周运动的向心力,除中央星体外,各星体的角速度或周期相同。常见的多星模型及规律:
考向一 双星问题典题4 科学家经观测发现银河系的MAXIJ1820+070是一个由黑洞和恒星组成的双星系统,若系统中的黑洞中心与恒星中心距离为L,恒星做圆周运动的周期为T,引力常量为G,由此可以求出黑洞与恒星的(　　)A.质量之比、质量之和B.线速度大小之比、线速度大小之和C.质量之比、线速度大小之比D.质量之和、线速度大小之和
考向二 多星问题典题5 (多选)宇宙中存在一些离其他恒星较远的三星系统,其中一种三星系统如图所示。三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点,三角形边长为R。忽略其他星体对它们的引力作用,三星在同一平面内绕三角形中心O做匀速圆周运动,引力常量为G,则(　　)
题型三　卫星的追及相遇问题
天体“相遇”指两天体相距最近,以地球和行星“相遇”为例(“行星冲日”),某时刻行星与地球最近,此时行星、地球与太阳三者共线且行星和地球的运转方向相同(图甲),根据 可知,地球公转的速度较快,从初始时刻到之后“相遇”,地球与行星距离最小,三者再次共线,有两种方法可以解决问题。
1.角度关系ω1t-ω2t=n·2π(n=1,2,3,…)2.圈数关系同理,若两者相距最远(行星处在地球和太阳连线的延长线上)(图乙),有关系式
典题6 (2024广东东莞期末)假定空间站在距地面450 km高度处做理想的匀速圆周运动,某时刻“北斗”系统中的中轨道卫星A与空间站相距最近,如图所示,该中轨道卫星A距地面高度为2.1×107 m,地球半径为6.4×106 m,卫星A和空间站的运行轨道在同一平面内且运行方向相同,则从图示位置往后开始计数(不包括图示位置),在卫星A运行一周时间内,空间站与A相距最近的次数为(　　)A.7次B.8次C.9次D.14次
典题7 (2023湖北卷)2022年12月8日,地球恰好运行到火星与太阳之间,且三者几乎排成一条直线,此现象被称为“火星冲日”。火星与地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动,火星与地球的公转轨道半径之比约为3∶2,如图所示。根据以上信息可以得出(　　)
A.火星与地球绕太阳运动的周期之比约为27∶8B.当火星与地球相距最远时,两者的相对速度最大C.火星与地球表面的自由落体加速度大小之比约为9∶4D.下一次“火星冲日”将出现在2023年12月8日之前
题型四　天体的瓦解和黑洞问题
一、星球的瓦解问题当星球自转越来越快时,星球对“赤道”上的物体的引力不足以提供向心力时,物体将会“飘起来”,进一步导致星球瓦解,瓦解的临界条件是赤道上的
二、黑洞黑洞是一种密度极大、引力极大的天体,以至于光都无法逃逸,科学家一般通过观测绕黑洞运行的天体的运动规律间接研究黑洞。当天体的逃逸速度(逃逸速度为其第一宇宙速度的 倍)超过光速时,该天体就是黑洞。
考向一 星球的瓦解问题典题8 我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现的毫秒脉冲星“J0318+0253”,其自转周期T=5.19 ms。假设星体为质量均匀分布的球体,已知引力常量为6.67×10-11 N·m2/kg2。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为(　　)A.5×109 kg/m3B.5×1012 kg/m3C.5×1015 kg/m3D.5×1018 kg/m3