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- 2021-06-01 发布
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3年高考2年模拟1年原创精品高考系列
专题05 万有引力与航天
【2019年高考考点定位】
高考试题的考察集中于以下几点:
1.物理学史中关于对天体运动认识的考察,对于开普勒三大定律的考察。
2.结合万有引力定律的公式对中心天体和环绕天体之间由于万有引力而做匀速圆周运动的考察。
3.绕同一个中心天体的各个环绕天体之间追击相遇问题的考察。
4.根据表面卫星的运动对未知天体的探究,包括未知天体的密度,未知天体表面的重力加速度等。
5.根据地球公转和自转周期与其他星体的运动相类比的估算类问题。
【考点pk】名师考点透析
考点一、开普勒三大定律
1.内容:开普勒第一定律:所有行星绕太阳运行的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律:对任意一个行星的运动来说,它与太阳的连线在任意相等时间内扫过的面积相等。所有行星轨道半长轴的三次方与公转周期二次方的比值都相等,即,的取值与中心天体有关,与其他无关。
2.虽然开普勒第二定律是关于行星绕太阳运动的描述,但是对于只收到万有引力的卫星,导弹在地球表面的运动也同样适用,另外所有的卫星绕中心天体的圆周运动也都适用,因为圆周就是一个特殊的半长轴等于半短轴的椭圆。
3.物理学史:关于行星运动的三大定律是开普勒提出的万有引力定律是牛顿提出的万有引力常量是卡文迪许测量的。
考点二、万有引力定律
1.内容:自然界中任意两个物体都相互吸引,引力大小跟这两个物体质量的乘积成正比,跟他们距离的平方成反比。公式即:,为引力常量。适用范围:适用于质点之间的相互作用,对于天体运动一般可以看做质点,此时距离为球心之间的距离。
2.万有引力提供向心力:卫星和环绕天体的运动分析中,以表示中心天体质量,以表示环绕天体质量,以表示天体之间的距离,则根据万有引力提供向心力有,可得环绕天体或卫星的相信加速度,线速度,周期,角速度。
3.万有引力和重力:一般认为万有引力等于重力即,重力加速度。在地球表面一般近似认为,若考虑地球自转,则万有引力的一个分力提重力,另外一个分力提供圆周运动的向心力。在赤道地区,由于两个分力方向一致,所以有,其中周期为地球自转周期。
考点三、卫星运动
1.卫星追击相遇:卫星匀速圆周运动,若卫星加速,则使得,卫星做离心运动,轨道半径变大,万有引力做负功,到达更高的轨道做匀速圆周运动,此时轨道半径变大,线速度变小。同理,减速则卫星向心运动,轨道半径变小,线速度变大。两个不同轨道但绕同一个中心天体的卫星设角速度分别为和,则有从某一次相遇到下一次相遇的过程,两个卫星转过的圆心角相差即。
2.若卫星沿星球表面做匀速圆周运动周期为,则有轨道半径等于球体半径,则有,整理即。
3.三大宇宙速度:第一宇宙速度是卫星脱离地球表面的最小发射速度,即环绕地球表面做匀速圆周运动的线速度,同时也是最大的环绕速度。卫星挣脱地球引力转而绕太阳运动的最小发射速度大小为。卫星挣脱太阳引力离开太阳系的最小发射速度大小为。
4.双星以及多星问题的核心是某一个行星受到其他星体万有引力的合力提供向心力,圆心即在合力的方向上,而且各个星体圆运动的角速度都相等。周期相等。
【试题演练】
1.太阳系外行星大多不适宜人类居住,绕恒星“Glicsc581”运行的行星“Gl-581c”却很值得我们期待.该行星的温度在0℃到40℃之间,质量是地球的6倍,直径是地球的1.5倍.公转周期为13个地球日.“Glicsc581”的质量是太阳质量的0.31倍.设该行星与地球均视为质量分布均匀的球体,绕其中心天体做匀速圆周运动,则( )
A. 在该行星和地球上发射卫星的第一宇宙速度相同
B. 如果人到了该行星,其体重是地球上的倍
C. 该行星与“Glicsc581”的距离是日地距离的倍
D. 恒星“Glicsc581”的密度是地球的169倍
【答案】 B
心力,列出等式,得行星与恒星的距离 r=,行星“G1-58lc”公转周期为13个地球日。将已知条件代入解得:行星“G1-58lc”的轨道半径与地球轨道半径r行G:r日地=,故C错误;由于恒星“Glicsc581”的半径未知,不能确定其密度与地球密度的关系,故D错误。故选B。
点睛:此题中行星绕恒星、卫星绕行星运转的类型相似,关键要建立物理模型,根据万有引力提供向心力,万有引力近似等于重力进行求解.
2.嫦娥工程分为三期,简称“绕、落、回”三步走。我国发射的“嫦娥三号”卫星是嫦娥工程第二阶段的登月探测器,该卫星先在距月球表面高度为h的轨道上绕月球做周期为T的匀速圆周运动,再经变轨后成功落月。已知月球的半径为R,引力常量为G,忽略月球自转及地球对卫星的影响。则以下说法正确的是( )
A. 物体在月球表面自由下落的加速度大小为
B. “嫦娥三号”绕月球做匀速圆周运动时的线速度大小为
C. 月球的平均密度为
D. 在月球上发射月球卫星的最小发射速度为
【答案】 A
则有: ,即,故D错误。故选A。
点睛:本题主要是考查了万有引力定律及其应用;解答此类题目一般要把握两条线:一是在星球表面,忽略星球自转的情况下,万有引力近似等于重力;二是根据万有引力提供向心力列方程进行解答。
3.(多选)地球赤道上的重力加速度为g,物体在赤道上随地球自转的向心加速度为a,质量相等的三颗卫星甲、乙、丙在如图所示的三个椭圆轨道上绕地球运行,卫星甲和乙的运行轨道在P点相切。不计阻力,以下说法正确的是( )
A. 如果地球的转速为原来的倍,那么赤道上的物体将会飘起来而处于完全失重状态
B. 卫星甲、乙分别经过P点时的速度相等
C. 卫星甲的机械能最大
D. 卫星周期:T甲>T乙>T丙
【答案】 ACD
点睛:对于圆周运动,要明确向心力的 ,对于椭圆运动,要掌握开普勒第三定律.要注意物体在地球上随地球自转时所需要的向心力不是万有引力,而是万有引力与重力之差.
【三年高考】 16、17、18年高考真题及其解析
1.我国高分系列卫星的高分辨对地观察能力不断提高.今年5月9日发射的“高分五号”轨道高度约为705 km,之前已运行的“高分四号”轨道高度约为36 000 km,它们都绕地球做圆周运动.与“高分四号冶相比,下列物理量中“高分五号”较小的是( )
A. 周期
B. 角速度
C. 线速度
D. 向心加速度
【 】2018年全国普通高等学校招生统一考试物理(江苏卷)
【答案】 A
【解析】本题考查人造卫星运动特点,意在考查考生的推理能力。设地球质量为M,人造卫星质量为m,人造卫星做匀速圆周运动时,根据万有引力提供向心力有,得,,,,因为“高分四号”的轨道半径比“高分五号”的轨道半径大,所以选项A正确,BCD错误。
点睛:本题考查人造卫星运动特点,解题时要注意两类轨道问题分析方法:一类是圆形轨道问题,利用万有引力提供向心力,即求解;一类是椭圆形轨道问题,利用开普勒定律求解。
2.若想检验“使月球绕地球运动的力”与“使苹果落地的力”遵循同样的规律,在已知月地距离约为地球半径60倍的情况下,需要验证
A. 地球吸引月球的力约为地球吸引苹果的力的1/602
B. 月球公转的加速度约为苹果落向地面加速度的1/602
C. 自由落体在月球表面的加速度约为地球表面的1/6
D. 苹果在月球表面受到的引力约为在地球表面的1/60
【 】2018年全国普通高等学校招生统一考试物理(北京卷)
【答案】 B
C、在月球表面处:,由于月球本身的半径大小未知,故无法求出月球表面和地面表面重力加速度的关系,故选项C错误;
D、苹果在月球表面受到引力为:,由于月球本身的半径大小未知,故无法求出苹果在月球表面受到的引力与地球表面引力之间的关系,故选项D错误。
点睛:本题考查万有引力相关知识,掌握万有引力公式,知道引力与距离的二次方成反比,即可求解。
3.2018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。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为( )
A. B.
C. D.
【 】2018年普通高等学校招生全国统一考试物理(全国II卷)
【答案】 C
【解析】试题分析;在天体中万有引力提供向心力,即 ,天体的密度公式,结合这两个公式求解。
设脉冲星值量为M,密度为
根据天体运动规律知:
代入可得: ,故C正确;
故选C
点睛:根据万有引力提供向心力并结合密度公式求解即可。
4.为了探测引力波,“天琴计划”预计发射地球卫星P,其轨道半径约为地球半径的16倍;另一地球卫星Q的轨道半径约为地球半径的4倍。P与Q的周期之比约为
A. 2:1 B. 4:1 C. 8:1 D. 16:1
【 】2018年全国普通高等学校招生统一考试物理(全国III卷)
【答案】 C
点睛 此题难度不大,解答此题常见错误是:把题述的卫星轨道半径误认为是卫星距离地面的高度,陷入误区。
5.土星最大的卫星叫“泰坦”(如图),每16天绕土星一周,其公转轨道半径约为,已知引力常量,则土星的质量约为
A. B.
C. D.
【 】浙江新高考2018年4月选考科目物理试题
【答案】 B
6.(多选)2018年2月2日,我国成功将电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空,标志我国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一。通过观测可以得到卫星绕地球运动的周期,并已知地球的半径和地球表面的重力加速度。若将卫星绕地球的运动看作是匀速圆周运动,且不考虑地球自转的影响,根据以上数据可以计算出卫星的
A. 密度 B. 向心力的大小 C. 离地高度 D. 线速度的大小
【 】2018年全国普通高等学校招生同一考试理科综合物理试题(天津卷)
【答案】 CD
【解析】根据题意,已知卫星运动的周期T,地球的半径R,地球表面的重力加速度g,卫星受到的外有引力充当向心力,故有,卫星的质量被抵消,则不能计算卫星的密度,更不能计算卫星的向心力大小,AB错误;由解得,而,故可计算卫星距离地球表面的高度,C正确;根据公式,轨道半径可以求出,周期已知,故可以计算出卫星绕地球运动的线速度,D正确;
【点睛】解决本题的关键掌握万有引力定律的两个重要理论:1、万有引力等于重力(忽略自转),2、万有引力提供向心力,并能灵活运用。
7.(多选)2017年,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。根据科学家们复原的过程,在两颗中子星合并前约100 s时,它们相距约400 km,绕二者连线上的某点每秒转动12圈,将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体,由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识,可以估算出这一时刻两颗中子星( )
A. 质量之积
B. 质量之和
C. 速率之和
D. 各自的自转角速度
【 】2018年全国普通高等学校招生统一考试物理(新课标I卷)
【答案】 BC
【点睛】此题以最新科学发现为情景,考查天体运动、万有引力定律等。
1.【2017·北京卷】利用引力常量G和下列某一组数据,不能计算出地球质量的是
A.地球的半径及重力加速度(不考虑地球自转)
B.人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周期
C.月球绕地球做圆周运动的周期及月球与地球间的距离
D.地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与太阳间的距离
【答案】D
【解析】在地球表面附近,在不考虑地球自转的情况下,物体所受重力等于地球对物体的万有引力,有,可得,A能求出地球质量。根据万有引力提供卫星、月球、地球做圆周运动的向心力,由,,解得;由,解得;由,会消去两边的M;故BC能求出地球质量,D不能求出。
【考点定位】万有引力定律的应用
【名师点睛】利用万有引力定律求天体质量时,只能求“中心天体”的质量,无法求“环绕天体”的质量。
2.【2017·新课标Ⅲ卷】2017年4月,我国成功发射的天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室完成了首次交会对接,对接形成的组合体仍沿天宫二号原来的轨道(可视为圆轨道)运行。与天宫二号单独运行时相比,组合体运行的
A.周期变大 B.速率变大
C.动能变大 D.向心加速度变大
【答案】C
【考点定位】万有引力定律的应用、动能
【名师点睛】万有引力与航天试题,涉及的公式和物理量非常多,理解万有引力提供做圆周运动的向心力,适当选用公式,是解题的关键。要知道周期、线速度、角速度、向心加速度只与轨道半径有关,但动能还与卫星的质量有关。
3.【2017·江苏卷】“天舟一号”货运飞船于2017年4月20日在文昌航天发射中心成功发射升空,与“天宫二号”空间实验室对接前,“天舟一号”在距离地面约380 km的圆轨道上飞行,则其
(A)角速度小于地球自转角速度
(B)线速度小于第一宇宙速度
(C)周期小于地球自转周期
(D)向心加速度小于地面的重力加速度
【答案】BCD
【解析】根据知,“天舟一号”的角速度大于同步卫星的角速度,而同步卫星的角速度等于地球自转的角速度,所以“天舟一号”的角速度大于地球自转角的速度,周期小于地球自转的周期,故A错误;C正确;第一宇宙速度为最大的环绕速度,所以“天舟一号”的线速度小于第一宇宙速度,B正确;地面重力加速度为,故“天舟一号”的向心加速度a小于地面的重力加速度g,故D正确.
【考点定位】天体运动
【名师点睛】卫星绕地球做圆周运动,考查万有引力提供向心力.与地球自转角速度、周期的比较,要借助同步卫星,天舟一号与同步卫星有相同的规律,而同步卫星与地球自转的角速度相同.
4.【2017·新课标Ⅱ卷】如图,海王星绕太阳沿椭圆轨道运动,P为近日点,Q为远日点,M、N为轨道短轴的两个端点,运行的周期为。若只考虑海王星和太阳之间的相互作用,则海王星在从P经过M、Q到N的运动过程中
A.从P到M所用的时间等于
B.从Q到N阶段,机械能逐渐变大
C.从P到Q阶段,速率逐渐变小
D.从M到N阶段,万有引力对它先做负功后做正功
【答案】CD
【考点定位】开普勒行星运动定律;机械能守恒的条件
【名师点睛】此题主要考查学生对开普勒行星运动定律的理解;关键是知道离太阳越近的位置行星运动的速率越大;远离太阳运动时,引力做负功,动能减小,引力势能增加,机械能不变。
5.【2017·天津卷】我国自主研制的首艘货运飞船“天舟一号”发射升空后,与已经在轨运行的“天宫二号”成功对接形成组合体。假设组合体在距地面高度为h的圆形轨道上绕地球做匀速圆周运动,已知地球的半径为R,地球表面处重力加速度为g,且不考虑地球自转的影响。则组合体运动的线速度大小为 ,向心加速度大小为 。
【答案】
【解析】在地球表面附近,物体所受重力和万有引力近似相等,有:,航天器绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,有:,解得:线速度,向心加速度
。
【考点定位】万有引力定律的应用
【名师点睛】本题难度不大,应知道在地球表面附近物体所受重力和万有引力近似相等,即“黄金代换”。
1.【2016·全国新课标Ⅲ卷】关于行星运动的规律,下列说法符合史实的是
A.开普勒在牛顿定律的基础上,导出了行星运动的规律
B.开普勒在天文观测数据的基础上,总结出了行星运动的规律
C.开普勒总结出了行星运动的规律,找出了行星按照这些规律运动的原因
D.开普勒总结出了行星运动的规律,发现了万有引力定律
【答案】B
【方法技巧】平时学习应该注意积累对物理学史的了解,知道前辈科学家们为探索物理规律而付出的艰辛努力,对于物理学上的重大发现、发明、著名理论要加强记忆,这也是考试内容之一。
2.【2016·北京卷】如图所示,一颗人造卫星原来在椭圆轨道1绕地球E运行,在P点变轨后进入轨道2做匀速圆周运动。下列说法正确的是
A.不论在轨道1还是轨道2运行,卫星在P点的速度都相同
B.不论在轨道1还是轨道2运行,卫星在P点的加速度都相同
C.卫星在轨道1的任何位置都具有相同加速度
D.卫星在轨道2的任何位置都具有相同动量
【答案】B
【解析】从轨道1变轨到轨道2,需要加速逃逸,故A错误;根据公式可得,故只要半径相同,加速度就相同,由于卫星在轨道1做椭圆运动,运动半径在变化,所以运动过程中的加速度在变化,B正确,C错误;卫星在轨道2做匀速圆周运动,运动过程中的速度方向时刻在变,所以动量方向不同,D错误。
【考点定位】考查了万有引力定律的应用
【方法技巧】在万有引力这一块,涉及的公式和物理量非常多,掌握公式 ,在做题的时候,首先明确过程中的向心力,然后弄清楚各个物理量表示的含义,最后选择合适的公式分析解题,另外这一块的计算量非常大的,所以需要细心计算。
3.【2016·四川卷】国务院批复,自2016年起将4月24日设立为“中国航天日”。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440 km,远地点高度约为2 060 km;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35 786 km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>a1 C.a3>a1>a2 D.a1>a2>a3
【答案】D
考点:同步卫星;万有引力定律的应用
【名师点睛】此题主要考查同步卫星的特点及万有引力定律的应用;要知道同步卫星与地球具有相同的角速度和周期;这里放到赤道上的物体和卫星两者受力情况是不同的,要区别对待,不能混淆.
4.【2016·天津卷】我国即将发射“天宫二号”空间实验室,之后发生“神舟十一号”飞船与“天宫二号”对接。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】C
【考点定位】变轨问题
【名师点睛】此题考查了卫星的变轨问题;关键是知道卫星在原轨道上加速时,卫星所受的万有引力不足以提供向心力而做离心运动,卫星将进入较高轨道;同理如果卫星速度减小,卫星将做近心运动而进入较低轨道。
5.【2016·全国新课标Ⅰ卷】利用三颗位置适当的地球同步卫星,可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯,目前,地球同步卫星的轨道半径为地球半径的6.6倍,假设地球的自转周期变小,若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的,则地球自转周期的最小值约为
A.1h B.4h C.8h D.16h
【答案】B
【解析】设地球的半径为R,周期T=24h,地球自转周期的最小值时,三颗同步卫星的位置如图所示,所以此时同步卫星的半径r1=2R,由开普勒第三定律得:,可得,故A、C、D错误,B正确。
【考点定位】万有引力定律、开普勒第三定律、同步卫星
【名师点睛】本题主要考查万有引力定律、开普勒第三定律、同步卫星。重点是掌握同步卫星的特点,知道同步卫星的周期等于地球的自转周期。本题关键是要知道地球自转周期最小时,三个同步卫星的位置。
6.【2016·海南卷】通过观测冥王星的卫星,可以推算出冥王星的质量。假设卫星绕冥王星做匀速圆周运动,除了引力常量外,至少还需要两个物理量才能计算出冥王星的质量。这两个物理量可以是
A.卫星的速度和角速度 B.卫星的质量和轨道半径
C.卫星的质量和角速度 D.卫星的运行周期和轨道半径
【答案】AD
【解析】根据线速度和角速度可以求出半径,根据万有引力提供向心力则有,整理可得,故选项A正确;由于卫星的质量m可约掉,故选项BC错误;若知道卫星的运行周期和轨道半径,则,整理得,故选项D正确。
【考点定位】万有引力定律的应用
【名师点睛】解决本题的关键掌握万有引力提供向心力这一理论,知道线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系。
7.【2016·江苏卷】如图所示,两质量相等的卫星A、B绕地球做匀速圆周运动,用R、T、Ek、S分别表示卫星的轨道半径、周期、动能、与地心连线在单位时间内扫过的面积.下列关系式正确的有
A.TA>TB B.EkA>EkB C.SA=SB D.
【答案】AD
【考点定位】考查天体运动
【方法技巧】重点是要掌握天体运动的规律,万有引力提供向心力。选项C容易错选,原因是开普勒行星运动定律的面积定律中有相等时间内行星与太阳的连线扫过的面积相等。这是针对某一行星的,而不是两个行星。
8.【2016·上海卷】两颗卫星绕地球运行的周期之比为27:1,则它们的角速度之比为 ,轨道半径之比为 。
【答案】1:27;9:1
【解析】根据题意,卫星绕地球做匀速圆周运动,卫星的运行角速度与周期关系为:,即角速度与周期成反比,则;两颗卫星做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力,则有:,即,所以有:。
【考点定位】圆周运动关系、万有引力定律
【方法技巧】先通过圆周运动关系分析两颗卫星的角速度关系,再通过万有引力关系
,计算轨道半径关系。
【两年模拟】17、18年名师模拟题及其解析
1.2017年9月,我国控制“天舟一号”飞船离轨,使它进入大气层烧毁,残骸坠入南太平洋一处号称“航天器坟场”的远离大陆的深海区,在受控坠落前,“天舟一号”在距离地面380km的圆轨道上飞行,则下列说法中正确的是
A. 在轨运行时,“天舟一号”的线速度大于第一宇宙速度
B. 在轨运行时,“天舟一号”的角速度小于同步卫星的角速度
C. 受控坠落时,应通过“反推”实线制动离轨
D. “天舟一号”离轨后,在进入大气层前,运行速度不断减小
【 】【全国百强校】江苏省盐城中学2018届高三全仿真模拟检测(最后一卷)物理试题
【答案】 C
2.如图所示,a为放在地球赤道上随地球一起转动的物体,b、c、d为在圆轨道上运行的卫星,轨道平面均在地球赤道面上,其中b是近地卫星,c是地球同步卫星.若a、b、c、d的质量相同,地球表面附近的重力加速度为g,则下列说法中正确的是
A. b卫星转动的线速度大于7.9km/s
B. a、b、c、d的周期大小关系为Ta vB=vC
B. 机械能关系为EA