圆周运动,航空天体运动专题教案讲义

知识网络考点预测本专题包含两类问题或者说两大题型，无论是星体问题还是其他圆周运动的问题，往往都要运用牛顿运动定律和功能关系进行求解，但由于在高考中地位重要，因而单独作为一个专题进行总结、分类和强化训练．航天与星体问题是近几年各地高考卷中的必考题型．由于对这个小模块每年都考，各类题型都有，考得很细，所以历年高考试题往往与近期天文的新发现或航天的新成就、新事件结合，我们在平时学习的过程中应多思考这类天文新发现和航天新事件中可能用于命题的要素．在高考卷中，关于航天及星体问题的大部分试题的解题思路明确，即向心力由万有引力提供，设问的难度不大，但也可能出现设问新颖、综合性强、难度大的试题．如2008年高考全国理综卷Ⅱ中第25题，2009年高考全国理综卷Ⅱ第26题．要点归纳一、圆周运动1．描述匀速圆周运动的相关物理量及其关系(1)物理量：线速度v、角速度ω、周期T、频率f、转速n、向心加速度a等等．(2)关系：v＝2πrT＝ωr＝2πrf，a＝v2r＝ω2r＝4π2T2r＝4π2f2r．2．匀速圆周运动的向心力(1)向心力的来源：向心力是由效果命名的力，它可以由重力、弹力、摩擦力等力来充当，也可以是由这些力的合力或它们的分力来提供，即任何力都可能提供向心力，向心力的作用是只改变线速度的方向，不改变线速度的大小．(2)大小：F向＝ma＝mv2r＝mω2r＝m4π2T2r＝4mπ2f2r(牛顿第二定律)3．圆周运动的临界问题分析圆周运动的临界问题时，一般应从与研究对象相联系的物体(如：绳、杆、轨道等)的力学特征着手．(1)如图3－1所示，绳系小球在竖直平面内做圆周运动及小球沿竖直圆轨道的内侧面做圆周运动过最高点的临界问题(小球只受重力、绳或轨道的弹力)．图3－1由于小球运动到圆轨迹的最高点时，绳或轨道对小球的作用力只能向下，作用力最小为零，所以小球做完整的圆周运动在最高点应有一最小速度vmin．当小球刚好能通过最高点时，有：mg＝mvmin2r解得：vmin＝gr．又由机械能守恒定律有：12mv下2＝12mv上2＋mg·2R，可得v下≥5gR所以，小球要能通过最高点，它在最高点时的速度v需要满足的条件是v≥gr．当v＞gr时，绳对球产生拉力，轨道对球产生压力．(2)如图3－2所示，轻质杆一端的小球绕杆的另一端做圆周运动及小球在竖直放置的圆环内做圆周运动过最高点的临界问题．图3－2分析小球在最高点的受力情况：小球受重力mg、杆或轨道对小球的力F．小球在最高点的动力学方程为：mg＋F＝mv2r．由于小球运动到圆轨迹的最高点时，杆或轨道对小球的作用力可以向下，可以向上，也可以为零；以向下的方向为正方向，设小球在最高点时杆或轨道对它的作用力大小为F，方向向上，速度大小为v，则有：mg－F＝mv2r当v＝0时，F＝mg，方向向上；当0＜v＜gr时，F随v的增大而减小，方向向上；当v＝gr时，F＝0；当v＞gr时，F为负值，表示方向向下，且F随v的增大而增大．4．弯道问题(1)火车的弯道、公路的弯道都向内侧倾斜，若弯道半径为r，车辆通过速度为v0，则弯道的倾角应为：θ＝arctanv02rg．(2)飞机、鸟在空中盘旋时受力与火车以“v0”过弯道相同，故机翼、翅膀的倾角θ＝arctanv2rg．图3－3(3)骑自行车在水平路面上转弯时，向心力由静摩擦力提供，但车身的倾斜角仍为θ＝arctanv2rg．二、航天与星体问题1．天体运动的两个基本规律(1)万有引力提供向心力行星卫星模型：F＝GMmr2＝mv2r＝mrω2＝m4π2T2r双星模型：Gm1m2L2＝m1ω2r1＝m2ω2(L－r1)其中，G＝6.67×10－11N·m2/kg22．万有引力等于重力GMmR2＝mg(物体在地球表面且忽略地球自转效应)；GMm(R＋h)2＝mg′(在离地面高h处，忽略地球自转效应完全相等，g′为该处的重力加速度)2．人造卫星的加速度、线速度、角速度、周期跟轨道半径的关系F万＝GMmr2＝F向＝ma→a＝GMr2→a∝1r2mv2r→v＝GMr→v∝1rmω2r→ω＝GMr3→ω∝1r3m4π2T2r→T＝4π2r3GM→T∝r3.3．宇宙速度(1)第一宇宙速度(环绕速度)：v＝gR＝7.9_km/s，是卫星发射的最小速度，也是卫星环绕地球运行的最大速度．(2)第二宇宙速度：v＝11.2km/s(3)第三宇宙速度：v＝16.7km/s注意：①三个宇宙速度的大小都是取地球中心为参照系；②以上数据是地球上的宇宙速度，其他星球上都有各自的宇宙速度，计算方法与地球相同．4．关于地球同步卫星地球同步卫星是指与地球自转同步的卫星，它相对于地球表面是静止的，广泛应用于通信领域，又叫做同步通信卫星．其特点可概括为六个“一定”：(1)位置一定(必须位于地球赤道的上空)地球同步卫星绕地球旋转的轨道平面一定与地球的赤道面重合．假设同步卫星的轨道平面与赤道平面不重合，而与某一纬线所在的平面重合，如图3－4所示．同步卫星由于受到地球指向地心的万有引力F的作用，绕地轴做圆周运动，F的一个分力F1提供向心力，而另一个分力F2将使同步卫星不断地移向赤道面，最终直至与赤道面重合为止(此时万有引力F全部提供向心力)．图3－4(2)周期(T)一定①同步卫星的运行方向与地球自转的方向一致．②同步卫星的运转周期与地球的自转周期相同，即T＝24h．(3)角速度(ω)一定由公式ω＝φt知，地球同步卫星的角速度ω＝2πT，因为T恒定，π为常数，故ω也一定．(4)向心加速度(a)的大小一定地球同步卫星的向心加速度为a，则由牛顿第二定律和万有引力定律得：GMm(R＋h)2＝ma，a＝GM(R＋h)2．(5)距离地球表面的高度(h)一定由于万有引力提供向心力，则在ω一定的条件下，同步卫星的高度不具有任意性，而是唯一确定的．根据GMm(R＋h)2＝mω2(R＋h)得：h＝3GMω2－R＝3GM(2πT)2－R≈36000km．(6)环绕速率(v)一定在轨道半径一定的条件下，同步卫星的环绕速率也一定，且为v＝GMr＝R2gR＋h＝3.08km/s．因此，所有同步卫星的线速度大小、角速度大小及周期、半径都相等．由此可知要发射同步卫星必须同时满足三个条件：①卫星运行周期和地球自转周期相同；②卫星的运行轨道在地球的赤道平面内；③卫星距地面高度有确定值．热点、重点、难点一、圆周运动关于圆周运动，在高考中除了一般会出现星体问题，带电粒子在匀强磁场中的运动的试题外，还常会出现其他考查动能和功能关系的圆周运动问题．如2009年高考安徽理综卷第24题、浙江理综卷第24题，2008年高考山东理综卷第24题、广东物理卷第17题，2007年高考全国理综卷Ⅱ第23题等．●例1如图3－5所示，两个34圆弧轨道固定在水平地面上，半径R相同，A轨道由金属凹槽制成，B轨道由金属圆管制成，均可视为光滑轨道．在两轨道右侧的正上方分别将金属小球A和B由静止释放，小球距离地面的高度分别用hA和hB表示，则下列说法正确的是()图3－5A．若hA＝hB≥2R，则两小球都能沿轨道运动到最高点B．若hA＝hB＝3R2，由于机械能守恒，两个小球沿轨道上升的最大高度均为3R2C．适当调整hA和hB，均可使两小球从轨道最高点飞出后，恰好落在轨道右端口处D．若使小球沿轨道运动并且从最高点飞出，A小球的最小高度为5R2，B小球在hB2R的任何高度均可二、天体质量、密度及表面重力加速度的计算1．星体表面的重力加速度：g＝GMR22．天体质量常用的计算公式：M＝rv2G＝4π2r3GT2●例2假设某个国家发射了一颗绕火星做圆周运动的卫星．已知该卫星贴着火星表面运动，把火星视为均匀球体，如果知道该卫星的运行周期为T，引力常量为G，那么()A．可以计算火星的质量B．可以计算火星表面的引力加速度C．可以计算火星的密度D．可以计算火星的半径★同类拓展1我国探月的嫦娥工程已启动，在不久的将来，我国宇航员将登上月球．假如宇航员在月球上测得摆长为l的单摆做小振幅振动的周期为T，将月球视为密度均匀、半径为r的球体，则月球的密度为()A．3πGT2B．3πlGrT2C．16πl3GrT2D．3πl16GrT2三、行星、卫星的动力学问题不同轨道的行星(卫星)的速度、周期、角速度的关系在“要点归纳”中已有总结，关于这类问题还需特别注意分析清楚卫星的变轨过程及变轨前后的速度、周期及向心加速度的关系．★例3为纪念伽利略将望远镜用于天文观测400周年，2009年被定为以“探索我的宇宙”为主题的国际天文年．我国发射的嫦娥一号卫星绕月球经过一年多的运行，完成了既定任务，于2009年3月1日16日13分成功撞月．图示为嫦娥一号卫星撞月的模拟图，卫星在控制点1开始进入撞月轨道．假设卫星绕月球做圆周运动的轨道半径为R，周期为T，引力常量为G．根据题中信息()A．可以求出月球的质量B．可以求出月球对嫦娥一号卫星的引力C．可知嫦娥一号卫星在控制点1处应减速D．可知嫦娥一号在地面的发射速度大于11.2km/s四、星体、航天问题中涉及的一些功能关系1．质量相同的绕地做圆周运动的卫星，在越高的轨道动能Ek＝12mv2＝GMm2r越小，引力势能越大，总机械能越大．2．若假设距某星球无穷远的引力势能为零，则距它r处卫星的引力势能Ep＝－GMmr(不需推导和记忆)．在星球表面处发射物体能逃逸的初动能为Ek≥|Ep|＝GMmR．●例42005年10月12日，神舟六号飞船顺利升空后，在离地面340km的圆轨道上运行了73圈．运行中需要多次进行轨道维持．所谓“轨道维持”就是通过控制飞船上发动机的点火时间、推力的大小和方向，使飞船能保持在预定轨道上稳定运行．如果不进行轨道维持，由于飞船在轨道上运动受摩擦阻力的作用，轨道高度会逐渐缓慢降低，在这种情况下，下列说法正确的是()A．飞船受到的万有引力逐渐增大、线速度逐渐减小B．飞船的向心加速度逐渐增大、周期逐渐减小、线速度和角速度都逐渐增大C．飞船的动能、重力势能和机械能都逐渐减小D．重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能逐渐减小五、双星问题●例5天文学家将相距较近、仅在彼此的引力作用下运行的两颗恒星称为双星．双星系统在银河系中很普遍．利用双星系统中两颗恒星的运动特征可推算出它们的总质量．已知某双星系统中两颗恒星围绕它们连线上的某一固定点分别做匀速圆周运动，周期均为T，两颗恒星之间的距离为r，试推算这个双星系统的总质量．(引力常量为G)[2008年高考·宁夏理综卷][答案]4π2r3T2G经典考题1．天文学家新发现了太阳系外的一颗行星．这颗行星的体积是地球的4.7倍，质量是地球的25倍．已知某一近地卫星绕地球运行的周期约为1.4小时，引力常量G＝6.67×10－11N·m2/kg2，由此估算该行星的平均密度约为[2009年高考·全国理综卷Ⅰ]()A．1.8×103kg/m3B．5.6×103kg/m3C．1.1×104kg/m3D．2.9×104kg/m3[答案]D2．2009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，绕地球运行的轨道都是圆，甲的运行速率比乙的大，则下列说法中正确的是[2009年高考·安徽理综卷Ⅰ]()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．甲的加速度一定比乙的大．[答案]D3.1990年4月25日，科学家将哈勃天文望远镜送上距地球表面约600km的高空，使得人类对宇宙中星体的观测与研究有了极大的进展．假设哈勃望远镜沿圆轨道绕地球运行．已知地球半径为6.4×106m，利用地球同步卫星与地球表面的距离为3.6×107m这一事实可得到哈勃望远镜绕地球运行的周期．以下数据中，最接近其运行周期的是[2008年高考·四川理综卷]()A．0.6小时B．1.6小时C．4.0小时D．24小时[答案]B4．我国发射的嫦娥一号探月卫星沿近似于圆形的轨道绕月飞行．为了