新教材高考物理一轮复习第4章曲线运动万有引力与航天研专项素养提升2课件

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一、重要科学思维方法指导:卫星通信中的“阴影区”问题【思维指导】在卫星的通信、观测星体问题中,由于另一个星体的遮挡出现“阴影区”,解决此类问题的基本方法是:(1)建立几何模型:通过构建平面几何图,找出被星体遮挡的“阴影区”。(2)建立几何关系:关键是找出两个星体转动角度之间的几何关系。
【案例探究】有一颗绕地球做匀速圆周运动的卫星,其运行周期是地球近地卫星的2 倍,卫星圆形轨道平面与地球赤道平面重合,卫星上有太阳能收集板可以把光能转化为电能,已知地球表面重力加速度为g,地球半径为R,忽略地球公转,此时太阳处于赤道平面上,近似认为太阳光是平行光,则卫星绕地球一周,太阳能收集板的工作时间为(　　)
二、情境化主题突破:航天事业发展与宇宙探索【背景资料】资料一　火箭发射技术——1970年4月24日,我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”在酒泉发射成功,中国成为世界上第五个发射卫星的国家。近年来,中国的航天科技取得了举世瞩目的成就,随着2020年5月长征五号的顺利升空,我们在卫星发射技术、探月技术和载人航天方面有着国际领先水平。我们的“长征”系列火箭是世界上发射成功率最高的运载火箭之一。
资料二　空间站建设——2021年4月29日,长征五号B遥二运载火箭搭载空间站天和核心舱,在文昌航天发射场发射升空。2021年5月30日,天舟二号携带航天员生活物资、舱外航天服及空间站平台设备、应用载荷和推进剂等设备与天和核心舱完成了交会对接。2021年6月17日,神舟十二号载人飞船与天和核心舱对接,航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波先后进入天和核心舱,标志着中国人首次进入了自己的空间站。2021年9月20日,天舟三号与天和核心舱完成了自主快速交会对接。2021年10月16日,神舟十三号与天和核心舱完成交会对接,翟志刚、王亚平、叶光富3名航天员进入天和核心舱。
资料三　探月工程——中国探月工程分“绕、落、回”三步走,2020年嫦娥五号成功完成我国探月工程三步走中“回”的任务。嫦娥五号突破一系列关键技术,成功携带月球样本回到地球。资料四　北斗卫星导航系统——2020年6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并具有短报文通信能力。
资料五　火星探测——火星是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星之一,一直以来都是人类深空探测的热点。2020年7月23日,长征五号遥四运载火箭搭载天问一号探测器发射升空,迈出了中国自主开展行星探测的第一步。2021年2月10日,天问一号探测器成功进入火星轨道,2021年5月15日,天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部着陆区,并传回了任务着陆区域高分影像图。2021年5月22日,祝融号火星车驶离着陆平台,到达火星表面,开始巡视探测。
资料六　天眼、黑洞、宇宙探索——由我国天文学家南仁东于1994年提出构想,历时22年建成的500 m口径球面射电望远镜被誉为“中国天眼”,于2016年9月25日落成启用。它是由中国科学院国家天文台主导建设,它具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。综合性能是著名的射电望远镜阿雷西博的10倍。截至2020年11月,发现脉冲星数量超过240颗。2019年11月28日凌晨,国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST),研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞,并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。
【思维指导】基于上述背景资料,从火箭发射、卫星运行、飞行器对接返回、北斗导航到探测月球、探测火星、探测宇宙奥秘中都蕴含着物理概念和规律。站在新高考的角度,除了要关注“从天体质量或密度的计算、行星运动规律的分析到同步卫星、双星、宇宙速度、变轨问题”这些动力学问题外,还要多关注一些涉及功能关系和动量的新情境问题,关注宇宙探索的前沿知识,关注近几年以中国及世界空间技术和宇宙探索为背景的题目。
【创新训练】1.(多选)脉冲星的本质是中子星,它具有在地面实验室无法实现的极端物理性质,是理想的天体物理实验室,对其进行研究,有希望得到许多重大物理学问题的答案,如脉冲星的自转周期极其稳定,准确的时钟信号为引力波探测、航天器导航等重大科学技术应用提供了理想工具。我国FAST天文望远镜发现了一颗太空脉冲星,它的自转周期为T,距离地球1.6万光年,假设该星球恰好能维持自转不瓦解。地球可视为球体,其自转周期为T0,用弹簧测力计测得同一物体在地球赤道上的重力为两极处的k倍,已知引力常量为G,则下列关于该脉冲星的平均密度ρ及其与地球的平均密度ρ0之比的表达式正确的是(　　)
答案AC解析 星球恰好能维持自转不瓦解时,万有引力恰好能提供其表面物体做圆周运动所需的向心力,设该星球的质量为m,半径为R,表面一物体质量为
2.(2023四川期末)2023年5月10日,太空快递车——天舟六号货运飞船发射升空,天舟六号在近地轨道Ⅰ短暂停留,经转移轨道Ⅱ后,用时6.5 h快速完成与神舟十六号载人飞船对接,如图所示。已知地球半径为R,神舟十六号载人飞船距地面的高度为h,则(　　)A.神舟十六号飞船中航天员不受地球引力作用B.飞船在近地轨道运动的速率大于神舟十六号轨道上运动的速率C.飞船在近地轨道上A点的加速度小于转移轨道上A点的加速度D.飞船在近地轨道运动的周期大于神舟十六号轨道上运动的周期
解析 神舟十六号飞船中航天员随飞船一起在轨道Ⅲ上做匀速圆周运动,仍受地球引力作用,所受地球的引力用来提供做圆周运动的向心力,选项A错误。任一飞船绕地球做匀速圆周运动时,根据万有引力提供向心力有
3.嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面,并通过“鹊桥”中继卫星传回了世界上第一张近距离拍摄月球背面的图片。此次任务实现了人类探测器首次在月球背面软着陆、首次在月球背面通过中继卫星与地球通信,开启了人类探索月球的新篇章。探测器在月球背面着陆的难度要比在月球正面着陆大很多,其主要的原因是月球的遮挡使探测器着陆前无法和地球实现通信。我国发射了一颗名为“鹊桥”的中继卫星,在地球和月球背面之间搭了一个“桥”,从而有效地解决了通信问题。为了实现通信和节约能量,“鹊桥”的理想情况就是围绕“地—月”系统的一个拉格朗日点运动,如图甲所示。所谓“地—月”系统的拉格朗日点是指空间中的某个点,在该点放置一个质量很小的天体,该天体仅在地球和月球的万有引力作用下保持与月球同步绕地球运动。
(1)设地球质量为m地,月球质量为m,地球中心和月球中心间的距离为L,月球绕地心运动,图甲中所示的拉格朗日点到月球球心的距离为r。推导并写出r与m地、m和L之间的关系式。(2)地球和太阳组成的“日—地”系统同样存在拉格朗日点,图乙为“日—地”系统示意图,请在图中太阳和地球所在直线上用符号“*”标记出几个拉格朗日点的大概位置。