高考物理年年必考的十大热点问题破解之道2天体运动问题破解之道-千篇一律“金三角”(新)

1天体运动问题破解之道——千篇一律“金三角”天体运动问题是高考的重点内容之一，近几年对这类题目考查的频率很高，无论是全国卷还是独立命题的省份，几乎年年必考，但年年各不相同，真可谓是千变万化．其实这些题在解法上却是千篇一律的，有惊人的相似之处．下面总结一下这类问题的解题方法．一、常用公式总结天体运动问题中公式看似有很多，但仔细归纳起来就三个．１向万FF当天体在高空运行时,设天体质量为m，环绕的中心天体质量为M，轨道半径为r，则有2rMmGF万；当天体在星球表面近地环绕运行时,设天体质量为m，中心天体绕质量为M，星球半径为Ｒ，则有2RMmGF万．圆周运动的向心力公式又有多种表达形式，即rTmrmrvmmaF22224＝向当天体做匀速圆周运动时，中心天体对它的万有引力提供所需的向心力，所以有向万FF.又因为万有引力有高空和近地两种形式，向心力又有四种表达式，因此向万FF就有有8种具体形式．例如marMmG＝2，RvmRMmG22＝，rTmrMmG2224＝等等.２mgF万如果不考虑地球的自转,物体m在星球表面时mgF万，设天体质量为M，半径为R，其表面的重力加速度为g，则有mgRMmG＝2；天体在星球高空时,设距球心r处的重力加速度为g,则有gmrMmG＝2．2３向Fmg当天体在星球表面近地环绕运行时,也可以看成绕行天体的重力提供所需的向心力，设绕行天体的质量为m,星球表面的重力加速度为g，则有向Fmg；当天体在高空环绕运行时,天体所在轨道的重力加速度为g，则有向Fgm．又因为重力近地时为mg，高空时为gm，向心力又有四种表达式，因此向Fmg也有8种具体形式．如果把以上公式总结一下，可以用这样一个三角形表示，如图所示.这个三角形表示的公式几乎可以求解所有的天体运动问题，所以我们称之为“金三角”．下面分别举例说明.二、天体运动问题归类例析1星球半径问题例1（2015年海南卷）若在某行星和地球上相对于各自水平地面附近相同的高度处、以相同的速率平抛一物体，它们在水平方向运动的距离之比为7:2．已知该行星质量约为地球的7倍，地球的半径为R，由此可知，该行星的半径为（）A.R21B.R27C.2RD.R27解析设行星表面的重力加速度为g,水平方向运动的距离为x，运动时间为t，在行星表面根据平抛运动公式得tvx0221tgh解得2202xhvg；同理在地球表面上有2202xhvg，两式相比得4722xxgg在地球表面上有mgRMmG＝23在行星表面上有gmRmMG＝2以上两式相比得27147gMgMRR．所以答案为C．点评本题先用平抛运动公式求出重力加速度之比，然后用两个“金三角”中的②式相比求解的．2轨道半径问题例2（2012·海南）地球同步卫星到地心的距离r可用地球质量M、地球自转周期T与引力常量G表示为r=_____________.解析根据万有引力定律及圆周运动知识rTmrMmG2224＝，可得2324GMTr点评本题用的是“金三角”中的①式直接求解的．3质量问题例3(2015年江苏卷)过去几千年来,人类对行星的认识与研究仅限于太阳系内,“行星“51pegb”的发现拉开了研究太阳系外行星的序幕.“行星51pegb”绕其中心恒星做匀速圆周运动,周期约为4天,轨道半径约为地球绕太阳运动半径的201.该中心恒星与太阳的质量比约为()(A)1/10(B)1(C)5(D)10解析“行星51pegb”绕其中心恒星做匀速圆周运动有rTmrmMG2224＝地球绕其太阳做匀速圆周运动有rTmrMmG2224＝两式相比得04.14203652322323TrTrMM所以答案为B.点评本题用的是两个“金三角”中的①式相比求解的.4密度问题例4(2014年广东卷)如图所示，飞行器P绕某星球做匀速圆周运动，星球相对飞行器4的张角为θ，下列说法正确的是()A．轨道半径越大，周期越长B．轨道半径越大，速度越大C．若测得周期和张角，可得到星球的平均密度D．若测得周期和轨道半径，可得到星球的平均密度解析飞行器P绕星球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，有rTmrMmG2224＝⑴解得GMrT32可知半径越大则周期越大，所以选项A正确；再根据rvmrMmG22＝，解得rGMv可知轨道半径越大则环绕速度越小，所以选项B错误；有由⑴式还可解得2324GTrM，若测得周期T，则可解出星球的质量M，如果知道张角θ，则该星球半径为Ｒ＝rsinθ2，再根据2sin334323GTRM＝＝,所以可得到星球的平均密度，所以选项C正确，而选项D无法计算星球半径，则无法求出星球的平均密度，选项D错误．答案为AC.点评本题用的是“金三角”中的①式和几何关系求解的.5向心加速度问题例5（2013年天津卷）“嫦娥一号”和“嫦娥二号”卫星相继完成了对月球的环月飞行，标志着我国探月工程的第一阶段己经完成.设“嫦娥二号”卫星环绕月球的运动为匀速圆周运动，它距月球表面的高度为h，己知月球的质量为M、半径为R，引力常量为G，则卫星绕月球运动的向心加速度a＝.解析“嫦娥二号”卫星环绕月球为匀速圆周运动,万有引力提供卫星运动的向心力，有G2MmRh=ma，解得a=2GMRh.点评本题用的是“金三角”中的①式直接求解的.6线速度问题例6(2015年新课标全国I卷)我国发射的“嫦娥三号”登月探测器靠近月球后，现5在月球表面的附近近似圆轨道上绕月运行；然后经过一系列过程，再离月面4m高处做一次悬停（可认为是相对于月球静止）；最后关闭发动机，探测器自由下落．已知探测器的质量约为1.3x310Kg，地球质量约为月球的81倍，地球半径约为月球的3.7倍，地球表面的重力加速大约为9.8m/s，则此探测器A在着陆前的瞬间，速度大小约为8.9m/sB悬停时受到的反冲作用力约为2x310NC从离开近月圆轨道到着陆这段时间内，机械能守恒D在近月圆轨道上运行的线速度小于人造卫星在近地圆轨道上运行的线速度解析设月球表面附近重力加速度为g,在月球表面有gmRmMG＝2在地球表面附近有mgRMmG＝2两式相比代入数据得gggRMRMg61817.31222着陆前的瞬间速度smhgv/6.348.96122，所以选项A错误；根据平衡条件得反冲力NgmF3102，所以选项B正确；因为离开近月轨道时有一个悬停过程，相当于“刹车”，推动力做了负功，所以机械能不守恒，选项C错误；人造卫星在近地圆轨道上运行时有Rmvmg2解得gRv“嫦娥三号”在近月轨道运行时有Rvmgm2解得RgRgv7.3161所以vv，选项D正确.答案为BD.点评本题用的是“金三角”中的②式求出月球表面附近的重力加速度，然后又用两个“金三角”中的③式求解的.7角速度问题6例7（2014年上海卷）动能相等的两人造地球卫星A、B的轨道半径之比:1:2ABRR，它们的角速度之比:AB，质量之比:ABmm．解析根据rmrMmG２＝2得出ω＝3rGM,则ωA:ωB＝3ARGM：3BRGM＝22：1；又因动能EK＝12mv2相等以及v=ωR,得出mA:mB＝2222AABBRR＝1：2点评本题用的是“金三角”中的①式求解的.8周期问题例8(2014年新课标全国卷Ⅰ)太阳系各行星几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动．当地球恰好运行到某地外行星和太阳之间，且三者几乎排成一条直线的现象，天文学称为“行星冲日”．据报道，2014年各行星冲日时间分别是：1月6日木星冲日；4月9日火星冲日；5月11日土星冲日；8月29日海王星冲日；10月8日天王星冲日．已知地球及各地外行星绕太阳运动的轨道半径如下表所示，则下列判断正确的是()地球火星木星土星天王星海王星轨道半径(AU)1.01.55.29.51930A.各地外行星每年都会出现冲日现象B．在2015年内一定会出现木星冲日C．天王星相邻两次冲日的时间间隔为土星的一半D．地外行星中，海王星相邻两次冲日的时间间隔最短解析各行星绕太阳运动时万有引力提供向心力，有rTmrMmG2224＝解得GMrT32，所以３行地行地）（rrTT因为冲日现象实质上是角速度大的地球转过的弧度恰好比角速度小的其它行星多出2π，所以相邻两次冲时的时间间隔为＝＝－＝－行地地行地行地TTTTTt12222年）（地311rr，从表达式可得时间t大于1，只有当r时时间t才为1年，所以不会每年都出现冲日现象，A错误；将木星的半7径数据代入上式得年）（）（地地地09.12.5111133rrrrt，上次冲日时间为2014年1月6日，所以2015年内一定会出现木星冲日，B正确；同理可算出天王星相邻两次冲日的时间间隔为1.01年．土星两次冲日的时间间隔为1.03年，所以C错误；由表达式可得时间t随r的增大而减小，所以D正确.答案为BD.点评本题用的是“金三角”中的①式和圆周运动的追及问题方法来求解的.9重力加速度问题例9（2012年新课标全国Ⅰ卷）假设地球是一半径为R.质量分布均匀的球体.一矿井深度为d.已知质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零.矿井底部和地面处的重力加速度大小之比为A．1－dRB．1+dRC．2RdRD．2dRR解析在地球表面mgRMmG＝2，又343MR，所以243MgGGRR，因为球壳对球内物体的引力为零，所以在深为d的矿井内gmdRMmG＝2)(，得243MgGGRdRd，所以1gRddgRR,答案为A.点评本题用的是“金三角”中的②式在地面和矿井深度为d处两次列方程求解的.10能量问题例10(2014年山东卷)2013年我国相继完成“神十”与“天宫”对接、“嫦娥”携“玉兔”落月两大航天工程．某航天爱好者提出“玉兔”回家的设想：如图所示，将携带“玉兔”的返回系统由月球表面发射到h高度的轨道上，与在该轨道绕月球做圆周运动的飞船对接，然后由飞船送“玉兔”返回地球．设“玉兔”质量为m，月球半径为R，月面的重力加速度为g月．以月面为零势能面，“玉兔”在h高度的引力势能可表示为Ep＝GMmhR（R＋h），其中G为引力常量，M为月球质量．若忽略月球的自转，从开始发射到对接完成需要对“玉兔”做的功为()8A.mg月RR＋h(h＋2R)B.mg月RR＋h(h＋2R)C.mg月RR＋hh＋22RD.mg月RR＋hh＋12R解析本题以月面为零势面，开始发射时，“玉兔”的机械能为零，对接完成时，“玉兔”的动能和重力势能都不为零，该过程对“玉兔”做的功等于“玉兔”机械能的增加．忽略月球的自转，月球表面上，“玉兔”所受重力等于地球对“玉兔”的引力，即月＝mgRMmG2⑴，对于在h高处的“玉兔”，月球对其的万有引力提供向心力，即GMm（R＋h）2＝mv2R＋h，“玉兔”的动能Ek＝12mv2，以上三式联立解得，)(22hRRmgEK月；由⑴式可得月＝gRGM2，“玉兔”在h高度的引力势能可表示为hRmhRghRRGMmhEp月对“玉兔”做的功W＝Ek＋Ep＝mg月RR＋hh＋12R.所以选项D正确．点评本题用的是“金三角”中的①式和②式结合求解出“玉兔”的速度，然后再得出“玉兔”的动能，从而使问题得解.通过以上分析可见，这十种题型表面上看各不相同，但在解法上用的都是“金三角”中的式子，简单的问题用一个就能求解，复杂的问题要用两个或多个式子相组合求解.其中“金三角”中①式用的最广泛，②式③式次之，应用①式和③式解题的关键就在于选择合适的向心加速度表达式，从而使问题得解．所以天体运动问题的解法可以概括为：天体问题有妙招，千篇一律“金三角”；关键在选加速度，多式组合见奇效。