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高考物理一轮复习讲义第5章第3课时 专题强化 卫星变轨问题 双星模型（2份打包，原卷版+教师版）
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这是一份高考物理一轮复习讲义第5章第3课时 专题强化 卫星变轨问题 双星模型（2份打包，原卷版+教师版），文件包含高考物理一轮复习讲义第5章第3课时专题强化卫星变轨问题双星模型教师版doc、高考物理一轮复习讲义第5章第3课时专题强化卫星变轨问题双星模型学生版doc等2份试卷配套教学资源，其中试卷共17页， 欢迎下载使用。
考点一 卫星的变轨和对接问题
1．卫星发射模型
(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Geq \f(Mm,r12)＝meq \f(v2,r1)，如图所示。
(2)在A点(近地点)点火加速，由于速度变大，所需向心力变大，Geq \f(Mm,r12)(3)在椭圆轨道B点(远地点)，Geq \f(Mm,r22)>meq \f(vB2,r2)，将做近心运动，再次点火加速，使Geq \f(Mm,r22)＝meq \f(vB′2,r2)，进入圆轨道Ⅲ。
思考 若使在轨道Ⅲ运行的宇宙飞船返回地面，应如何操作？
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2．变轨过程分析
(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，在椭圆轨道Ⅱ上过A点和B点时速率分别为vA、vB，四个速度关系为vA>v1>v3>vB。
(2)向心加速度
在A点，轨道Ⅰ上和轨道Ⅱ上的向心加速度关系aⅠA________aⅡA，在B点，轨道Ⅱ上和轨道Ⅲ上的向心加速度关系aⅡB________aⅢB，A、B两点向心加速度关系aA________aB。(均选填“>”“＝”或“<”)
(3)周期
卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上的运行周期T1、T2、T3的关系为T1(4)机械能
在一个确定的圆(椭圆)轨道上机械能______。若卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E1、E2、E3，从轨道Ⅰ到轨道Ⅱ和从轨道Ⅱ到轨道Ⅲ都需要点火加速，则机械能关系为____________。
例1 (2024·黑龙江哈尔滨市第九中学月考)在发射一颗质量为m的人造地球同步卫星时，先将其发射到贴近地球表面运行的圆轨道Ⅰ上(离地面高度忽略不计)，再通过一椭圆轨道Ⅱ变轨后到达距地面高为h的预定圆轨道Ⅲ上。已知它在圆轨道Ⅰ上运行的加速度大小为g，地球半径为R，卫星在变轨过程中质量不变，则( )
A．卫星在轨道Ⅲ上运行的加速度大小为(eq \f(h,R＋h))2g
B．卫星在轨道Ⅲ上运行的线速度大小为eq \r(\f(gR2,R＋h))
C．卫星在轨道Ⅲ上的动能大于在轨道Ⅰ上的动能
D．卫星在轨道Ⅲ上的机械能小于在轨道Ⅰ上的机械能
例2 北京时间2021年10月16日神舟十三号载人飞船与在轨飞行的天和核心舱顺利实现径向自主交会对接，整个交会对接过程历时约6.5小时。为实现神舟十三号载人飞船与空间站顺利对接，飞船安装有几十台微动力发动机，负责精确地控制它的各种转动和平动。对接前飞船要先到达和空间站很近的相对静止的某个停泊位置(距空间站200 m)。为到达这个位置，飞船由惯性飞行状态转入发动机调控状态，下列说法正确的是( )
A．飞船先到空间站同一圆周轨道上同方向运动，在合适位置减速靠近即可
B．飞船先到与空间站圆周轨道垂直的同半径轨道上运动，在合适位置减速靠近即可
C．飞船先到空间站轨道下方圆周轨道上同方向运动，在合适的位置减速即可
D．飞船先到空间站轨道上方圆周轨道上同方向运动，在合适的位置减速即可
考点二 双星或多星模型
1．双星模型
(1)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eq \f(Gm1m2,L2)＝m1ω12r1，eq \f(Gm1m2,L2)＝m2ω22r2。
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的关系为r1＋r2＝L。
思考 (1)若两星运行的线速度大小分别为v1、v2，加速度大小分别为a1、a2，质量分别为m1、m2，则v、a与轨道半径r、两星质量的关系怎样？
(2)两星之间的距离L、周期T与总质量(m1＋m2)的关系怎样？
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例3 (2024·河北石家庄市调研)夜空中我们观测到的亮点，其实大部分并不是单一的恒星，而是多星系统。在多星系统中，双星系统又是最常见的，图甲为绕连线上的某点做周期相同的匀速圆周运动的两颗中子星组成的双星系统，其抽象示意图如图乙所示，若两中子星的质量之比mP∶mQ＝k∶1。则( )
A．根据图乙可以判断出k>1
B．若P、Q的角速度和它们之间的距离一定，则P、Q做圆周运动的线速度大小之和一定
C．P的线速度大小与P、Q之间的距离成正比
D．仅增大P、Q之间的距离，P、Q运行的周期变小
2．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。常见的多星模型及其规律：
例4 (2023·广东珠海市调研)宇宙中存在一些离其他恒星较远的，由质量相等的三颗星组成的三星系统，可忽略其他星体对三星系统的影响。稳定的三星系统存在两种基本形式：一种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星在同一半径为R的轨道上运行，如图甲所示，周期为T1；另一种是三颗星位于边长为r的等边三角形的三个顶点上，并沿等边三角形的外接圆运行，如图乙所示，周期为T2。若每颗星的质量都相同，则T1∶T2为( )
A.eq \f(R,2r)eq \r(\f(3R,5r)) B.eq \f(r,R)eq \r(\f(3r,5R))
C.eq \f(r,R)eq \r(\f(3R,5r)) D.eq \f(2R,r)eq \r(\f(3R,5r))
考点三 星球“瓦解”问题 黑洞问题
1．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”上的物体所受星球的引力恰好提供向心力，即eq \f(GMm,R2)＝mω2R，得ω＝eq \r(\f(GM,R3))。当ω>eq \r(\f(GM,R3))时，星球瓦解，当ω2．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eq \r(2)倍)超过光速时，该天体就是黑洞。
例5 2018年2月，我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“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，已知万有引力常量为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/m3 B．5×1012 kg/m3
C．5×1015 kg/m3 D．5×1018 kg/m3
例6 科学研究表明，当天体的逃逸速度(逃逸速度为其第一宇宙速度的eq \r(2)倍)大于光速时，该天体就是黑洞。已知某天体与地球的质量之比为k，地球的半径为R，地球的环绕速度(第一宇宙速度)为v1，光速为c，则要使该天体成为黑洞，其半径应小于( )
A.eq \f(2v12R,kc2) B.eq \f(2kc2R,v12)
C.eq \f(kv12R,2c2) D.eq \f(2kv12R,c2)常见的三星模型
①eq \f(Gm2,2R2)＋eq \f(GMm,R2)＝ma向
②eq \f(Gm2,L2)×cs 30°×2＝ma向
常见的四星模型
①eq \f(Gm2,L2)×cs 45°×2＋eq \f(Gm2,\r(2)L2)＝ma向
②eq \f(Gm2,L2)×cs 30°×2＋eq \f(GMm,\f(L,\r(3))2)＝ma向
考点一 卫星的变轨和对接问题
1．卫星发射模型
(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Geq \f(Mm,r12)＝meq \f(v2,r1)，如图所示。
(2)在A点(近地点)点火加速，由于速度变大，所需向心力变大，Geq \f(Mm,r12)
思考 若使在轨道Ⅲ运行的宇宙飞船返回地面，应如何操作？
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2．变轨过程分析
(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，在椭圆轨道Ⅱ上过A点和B点时速率分别为vA、vB，四个速度关系为vA>v1>v3>vB。
(2)向心加速度
在A点，轨道Ⅰ上和轨道Ⅱ上的向心加速度关系aⅠA________aⅡA，在B点，轨道Ⅱ上和轨道Ⅲ上的向心加速度关系aⅡB________aⅢB，A、B两点向心加速度关系aA________aB。(均选填“>”“＝”或“<”)
(3)周期
卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上的运行周期T1、T2、T3的关系为T1
在一个确定的圆(椭圆)轨道上机械能______。若卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E1、E2、E3，从轨道Ⅰ到轨道Ⅱ和从轨道Ⅱ到轨道Ⅲ都需要点火加速，则机械能关系为____________。
例1 (2024·黑龙江哈尔滨市第九中学月考)在发射一颗质量为m的人造地球同步卫星时，先将其发射到贴近地球表面运行的圆轨道Ⅰ上(离地面高度忽略不计)，再通过一椭圆轨道Ⅱ变轨后到达距地面高为h的预定圆轨道Ⅲ上。已知它在圆轨道Ⅰ上运行的加速度大小为g，地球半径为R，卫星在变轨过程中质量不变，则( )
A．卫星在轨道Ⅲ上运行的加速度大小为(eq \f(h,R＋h))2g
B．卫星在轨道Ⅲ上运行的线速度大小为eq \r(\f(gR2,R＋h))
C．卫星在轨道Ⅲ上的动能大于在轨道Ⅰ上的动能
D．卫星在轨道Ⅲ上的机械能小于在轨道Ⅰ上的机械能
例2 北京时间2021年10月16日神舟十三号载人飞船与在轨飞行的天和核心舱顺利实现径向自主交会对接，整个交会对接过程历时约6.5小时。为实现神舟十三号载人飞船与空间站顺利对接，飞船安装有几十台微动力发动机，负责精确地控制它的各种转动和平动。对接前飞船要先到达和空间站很近的相对静止的某个停泊位置(距空间站200 m)。为到达这个位置，飞船由惯性飞行状态转入发动机调控状态，下列说法正确的是( )
A．飞船先到空间站同一圆周轨道上同方向运动，在合适位置减速靠近即可
B．飞船先到与空间站圆周轨道垂直的同半径轨道上运动，在合适位置减速靠近即可
C．飞船先到空间站轨道下方圆周轨道上同方向运动，在合适的位置减速即可
D．飞船先到空间站轨道上方圆周轨道上同方向运动，在合适的位置减速即可
考点二 双星或多星模型
1．双星模型
(1)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eq \f(Gm1m2,L2)＝m1ω12r1，eq \f(Gm1m2,L2)＝m2ω22r2。
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的关系为r1＋r2＝L。
思考 (1)若两星运行的线速度大小分别为v1、v2，加速度大小分别为a1、a2，质量分别为m1、m2，则v、a与轨道半径r、两星质量的关系怎样？
(2)两星之间的距离L、周期T与总质量(m1＋m2)的关系怎样？
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例3 (2024·河北石家庄市调研)夜空中我们观测到的亮点，其实大部分并不是单一的恒星，而是多星系统。在多星系统中，双星系统又是最常见的，图甲为绕连线上的某点做周期相同的匀速圆周运动的两颗中子星组成的双星系统，其抽象示意图如图乙所示，若两中子星的质量之比mP∶mQ＝k∶1。则( )
A．根据图乙可以判断出k>1
B．若P、Q的角速度和它们之间的距离一定，则P、Q做圆周运动的线速度大小之和一定
C．P的线速度大小与P、Q之间的距离成正比
D．仅增大P、Q之间的距离，P、Q运行的周期变小
2．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。常见的多星模型及其规律：
例4 (2023·广东珠海市调研)宇宙中存在一些离其他恒星较远的，由质量相等的三颗星组成的三星系统，可忽略其他星体对三星系统的影响。稳定的三星系统存在两种基本形式：一种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星在同一半径为R的轨道上运行，如图甲所示，周期为T1；另一种是三颗星位于边长为r的等边三角形的三个顶点上，并沿等边三角形的外接圆运行，如图乙所示，周期为T2。若每颗星的质量都相同，则T1∶T2为( )
A.eq \f(R,2r)eq \r(\f(3R,5r)) B.eq \f(r,R)eq \r(\f(3r,5R))
C.eq \f(r,R)eq \r(\f(3R,5r)) D.eq \f(2R,r)eq \r(\f(3R,5r))
考点三 星球“瓦解”问题 黑洞问题
1．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”上的物体所受星球的引力恰好提供向心力，即eq \f(GMm,R2)＝mω2R，得ω＝eq \r(\f(GM,R3))。当ω>eq \r(\f(GM,R3))时，星球瓦解，当ω
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eq \r(2)倍)超过光速时，该天体就是黑洞。
例5 2018年2月，我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“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，已知万有引力常量为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/m3 B．5×1012 kg/m3
C．5×1015 kg/m3 D．5×1018 kg/m3
例6 科学研究表明，当天体的逃逸速度(逃逸速度为其第一宇宙速度的eq \r(2)倍)大于光速时，该天体就是黑洞。已知某天体与地球的质量之比为k，地球的半径为R，地球的环绕速度(第一宇宙速度)为v1，光速为c，则要使该天体成为黑洞，其半径应小于( )
A.eq \f(2v12R,kc2) B.eq \f(2kc2R,v12)
C.eq \f(kv12R,2c2) D.eq \f(2kv12R,c2)常见的三星模型
①eq \f(Gm2,2R2)＋eq \f(GMm,R2)＝ma向
②eq \f(Gm2,L2)×cs 30°×2＝ma向
常见的四星模型
①eq \f(Gm2,L2)×cs 45°×2＋eq \f(Gm2,\r(2)L2)＝ma向
②eq \f(Gm2,L2)×cs 30°×2＋eq \f(GMm,\f(L,\r(3))2)＝ma向
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