宇宙双星模型教学教材

双星及三星模型收集于网络，如有侵权请联系管理员删除《双星及三星模型》导学提纲设计人：班级： 组名： 姓名：【学习目标】 1. 理解双星模型特点2. 掌握双星及三星运动的向心力来源 【导读流程】一．双星模型条件及特点 ：例1 双星系统由两颗恒星组成，两恒星在相互引力的作用下，分别围绕其连线上的某一点做周期相同的匀速圆周运动．研究发现，双星系统演化过程中，两星的总质量、距离和周期均可能发生变化．若某双星系统中两星做圆周运动的周期为T ，经过一段时间演化后，两星总质量变为原来的k 倍，两星之间的距离变为原来的n 倍，则此时圆周运动的周期为（ ）A.T k n 23B.T k n 3C.T kn 2D.T k n例2（2015•天门模拟）经长期观测人们在宇宙中已经发现了“双星系统”．“双星系统”由两颗相距较近的恒星组成，每个恒星的线度远小于两个星体之间的距离，而且双星系统一般远离其他天体．如图所示，两颗星球组成的双星，在相互之间的万有引力作用下，绕连线上的O 点做周期相同的匀速圆周运动．现测得两颗星之间的距离为L ，质量之比为m 1：m 2=3：2．则可知（ ）A. m 1、m 2做圆周运动的线速度之比为3：2B. m 1、m 2做圆周运动的角速度之比为3：2C. m 1做圆周运动的半径为 2/5LD. m 2做圆周运动的半径为 2/5L二． 三星模型的向心力来源 ：例3. （2015安微理综）由三颗星体构成的系统，忽略其它星体对它们的作用，存在着一种运动形式：三颗星体在相互之间的万有引力作用下，分别位于等边三角形的三个顶点上，绕某一共同的圆心O 在三角形所在的平面内做相同角速度的圆周运动（图示为A 、B 、C 三颗星体质量不相同时的一般情况）。

若A 星体质量为2m ，B 、C 两星体的质量均为m ，三角形的边长为a ，求：（1）A 星体所受合力大小F A ；（2）B 星体所受合力大小F B ；（3）C 星体的轨道半径R C ；（4）三星体做圆周运动的周期T。

专题强化七 卫星变轨问题 双星模型目标要求 1.会处理人造卫星的变轨和对接问题.2.掌握双星、多星系统，会解决相关问题.3.会应用万有引力定律解决星球“瓦解”和黑洞问题．题型一 卫星的变轨和对接问题1．变轨原理(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G Mmr 12＝m v 2r 1，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，G Mm r 12<m v A 2r 1，卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ.(3)在椭圆轨道B 点(远地点)将做近心运动，G Mm r 22>m v B 2r 2，再次点火加速，使G Mmr 22＝m v ′2r 2，进入圆轨道Ⅲ. 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v 1、v 3，在轨道Ⅱ上过A 点和B 点时速率分别为v A 、v B .在A 点加速，则v A >v 1，在B 点加速，则v 3>v B ，又因v 1>v 3，故有v A >v 1>v 3>v B . (2)加速度：因为在A 点，卫星只受到万有引力作用，故不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A 点，卫星的加速度都相同，同理，卫星在轨道Ⅱ或轨道Ⅲ上经过B 点的加速度也相同． (3)周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上的运行周期分别为T 1、T 2、T 3，轨道半径分别为r 1、r 2(半长轴)、r 3，由开普勒第三定律r 3T2＝k 可知T 1<T 2<T 3.(4)机械能：在一个确定的圆(椭圆)轨道上机械能守恒．若卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E 1、E 2、E 3，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E 1<E 2<E 3.考向1 卫星变轨问题中各物理量的比较例1 2021年2月，“天问一号”探测器成功实施近火制动，进入环火椭圆轨道，并于2021年5月软着陆火星表面，开展巡视探测等工作，探测器经过多次变轨后登陆火星的轨迹示意图如图所示，其中轨道Ⅰ、Ⅲ为椭圆，轨道Ⅱ为圆．探测器经轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ运动后在Q点登陆火星，O点是轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的切点，O、Q还分别是椭圆轨道Ⅲ的远火星点和近火星点．下列关于探测器说法正确的是()A．由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需在O点减速B．在轨道Ⅱ上运行的周期小于在轨道Ⅲ上运行的周期C．在轨道Ⅱ上运行的线速度大于火星的第一宇宙速度D．在轨道Ⅲ上，探测器运行到O点的线速度大于运行到Q点的线速度答案 A解析由高轨道进入低轨道需要点火减速，则由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需在O点减速，A正确；根据开普勒第三定律有r23T22＝a33T32，因轨道Ⅱ的半径大于轨道Ⅲ的半长轴，所以在轨道Ⅱ上运行的周期大于在轨道Ⅲ上运行的周期，B错误；根据v＝GMR可知，在轨道Ⅱ上运行的线速度小于火星的第一宇宙速度，C错误；根据开普勒第二定律可知，近地点的线速度大于远地点的线速度，所以在轨道Ⅲ上，探测器运行到O点的线速度小于运行到Q点的线速度，D错误．例2嫦娥五号完美完成中国航天史上最复杂任务后，于2020年12月17日成功返回，最终收获1 731克样本．图中椭圆轨道Ⅰ、100公里环月轨道Ⅱ及月地转移轨道Ⅲ分别为嫦娥五号从月球返回地面过程中所经过的三个轨道示意图，下列关于嫦娥五号从月球返回过程中有关说法正确的是()A．在轨道Ⅱ上运行时的周期小于在轨道Ⅰ上运行时的周期B．在轨道Ⅰ上运行时的加速度大小始终大于在轨道Ⅱ上运动时的加速度大小C．在N点时嫦娥五号经过点火加速才能从轨道Ⅱ进入轨道Ⅲ返回D．在月地转移轨道上飞行的过程中可能存在不受万有引力的瞬间答案 C解析 轨道Ⅱ的半径大于椭圆轨道Ⅰ的半长轴，根据开普勒第三定律可知，在轨道Ⅱ上运行时的周期大于在轨道Ⅰ上运行时的周期，故A 错误；在轨道Ⅰ上的N 点和轨道Ⅱ上的N 点受到的万有引力相同，所以在两个轨道上经过N 点时的加速度相同，故B 错误；从轨道Ⅱ到月地转移轨道Ⅲ做离心运动，在N 点时嫦娥五号需要经过点火加速才能从轨道Ⅱ进入轨道Ⅲ返回，故C 正确；在月地转移轨道上飞行的过程中，始终在地球的引力范围内，不存在不受万有引力的瞬间，故D 错误．考向2 变轨问题中的能量变化例3 2020年我国北斗三号组网卫星全部发射完毕．如图为发射卫星的示意图，先将卫星发射到半径为r 1＝r 的圆轨道上做匀速圆周运动，到A 点时使卫星加速进入椭圆轨道，到椭圆轨道的远地点B 点时，再次改变卫星的速度，使卫星进入半径为r 2＝2r 的圆轨道做匀速圆周运动．已知卫星在椭圆轨道上时到地心的距离与速度的乘积为定值，卫星在椭圆轨道上A 点时的速度为v ，卫星的质量为m ，地球的质量为m 地，引力常量为G ，则发动机在A 点对卫星做的功与在B 点对卫星做的功之差为(不计卫星的质量变化)( )A.34m v 2＋3Gm 地m 4r B.34m v 2－3Gm 地m 4r C.58m v 2＋3Gm 地m 4r D.58m v 2－3Gm 地m 4r答案 D解析 当卫星在r 1＝r 的圆轨道上运行时，有G m 地m r 2＝m v 02r ，解得在此圆轨道上运行时通过A点的速度为v 0＝Gm 地r ，所以发动机在A 点对卫星做的功为W 1＝12m v 2－12m v 02＝12m v 2－Gm 地m 2r ；当卫星在r 2＝2r 的圆轨道上运行时，有G m 地m (2r )2＝m v 0′22r ，解得在此圆轨道上运行时通过B 点的速度为v 0′＝Gm 地2r，而根据卫星在椭圆轨道上时到地心的距离与速度的乘积为定值可知，在椭圆轨道上通过B 点时的速度为v 1＝r 1r 2v ＝12v ，故发动机在B 点对卫星做的功为W 2＝12m v 0′2－12m v 12＝Gm 地m 4r －18m v 2，所以W 1－W 2＝58m v 2－3Gm 地m 4r ，D 正确．考向3 飞船对接问题例4 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，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，合适位置减速靠近即可 C ．飞船到空间站轨道下方圆周轨道上同方向运动，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，合适的位置减速即可 答案 D解析 根据卫星变轨时，由低轨道进入高轨道需要点火加速，反之要减速，所以飞船先到空间站下方的圆周轨道上同方向运动，合适位置加速靠近即可，或者飞船先到空间站轨道上方圆周轨道上同方向运动，合适的位置减速即可，故选D.题型二 双星或多星模型1．双星模型(1)定义：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Gm 1m 2L 2＝m 1ω12r 1，Gm 1m 2L 2＝m 2ω22r 2. ②两星的周期、角速度相同，即T 1＝T 2，ω1＝ω2.③两星的轨道半径与它们之间的距离关系为r 1＋r 2＝L . ④两星到圆心的距离r 1、r 2与星体质量成反比，即m 1m 2＝r 2r 1.⑤双星的运动周期T ＝2πL 3G (m 1＋m 2).⑥双星的总质量m 1＋m 2＝4π2L 3T 2G .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．常见的多星及规律：常见的三星模型①Gm 2(2R )2＋GMm R 2＝ma 向②Gm 2L2×cos 30°×2＝ma 向 常见的四星模型①Gm 2L 2×cos 45°×2＋Gm 2(2L )2＝ma 向②Gm 2L 2×cos 30°×2＋GmM ⎝⎛⎭⎫ L 3 2＝ma 向例5 (多选)(2023·福建龙岩市调研)有科学家认为，木星并非围绕太阳运转，而是围绕着木星和太阳之间的某个公转点进行公转，因此可以认为木星并非太阳的行星，它们更像是太阳系中的“双星系统”．假设太阳的质量为m 1，木星的质量为m 2，它们中心之间的距离为L ，引力常量为G ，则下列说法正确的是( )A ．太阳的轨道半径为m 1m 1＋m 2LB ．木星的轨道半径为m 2m 1LC ．这个“双星系统”运行的周期为2πLLG ()m 1＋m 2D ．若认为木星绕太阳中心做圆周运动，则木星的运行周期为2πL L Gm 1答案 CD解析 双星是同轴转动模型，其角速度相等，有相同的运动周期，根据万有引力提供向心力，对太阳有Gm 1m 2L 2＝m 14π2T 2R ，对木星有Gm 1m 2L 2＝m 24π2T 2r ，其中L ＝R ＋r ，联立解得R ＝m 2m 1＋m 2L ，r ＝m 1m 1＋m 2L ，T ＝2πL 3G (m 1＋m 2)＝2πLLG (m 1＋m 2)，故A 、B 错误，C 正确；若认为木星绕太阳中心做圆周运动，则有Gm 1m 2L 2＝m 24π2T ′2L ，解得T ′＝2πLLGm 1，故D 正确． 例6 (多选)2019年人类天文史上首张黑洞图片正式公布．在宇宙中当一颗恒星靠近黑洞时，黑洞和恒星可以相互绕行，从而组成双星系统．在相互绕行的过程中，质量较大的恒星上的物质会逐渐被吸入到质量较小的黑洞中，从而被吞噬掉，黑洞吞噬恒星的过程也被称为“潮汐瓦解事件”．天鹅座X －1就是一个由黑洞和恒星组成的双星系统，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动，如图所示．在刚开始吞噬的较短时间内，恒星和黑洞的距离不变，则在这段时间内，下列说法正确的是( )A ．两者之间的万有引力变大B ．黑洞的角速度变大C ．恒星的线速度变大D ．黑洞的线速度变大 答案 AC解析 假设恒星和黑洞的质量分别为M 、m ，环绕半径分别为R 、r ，且m <M ，两者之间的距离为L ，则根据万有引力定律有G MmL 2＝F 向，恒星和黑洞的距离不变，随着黑洞吞噬恒星，在刚开始吞噬的较短时间内，M 与m 的乘积变大，它们间的万有引力变大，故A 正确；双星系统属于同轴转动的模型，角速度相等，根据万有引力提供向心力有G MmL2＝mω2r ＝Mω2R ，其中R ＋r ＝L ，解得恒星的角速度ω＝G (M ＋m )L 3，双星的质量之和不变，则角速度不变，故B 错误；根据mω2r ＝Mω2R ，得M m ＝rR，因为M 减小，m 增大，所以R 增大，r 减小，由v恒＝ωR ，v 黑＝ωr ，可得v 恒变大，v 黑变小，故C 正确，D 错误．例7 (多选)如图所示，质量相等的三颗星体组成三星系统，其他星体对它们的引力作用可忽略．设每颗星体的质量均为m ，三颗星体分别位于边长为r 的等边三角形的三个顶点上，它们绕某一共同的圆心O 在三角形所在的平面内以相同的角速度做匀速圆周运动．已知引力常量为G ，下列说法正确的是( )A ．每颗星体所需向心力大小为2G m 2r 2B ．每颗星体运行的周期均为2πr 33GmC ．若r 不变，星体质量均变为2m ，则星体的角速度变为原来的2倍D ．若m 不变，星体间的距离变为4r ，则星体的线速度变为原来的14答案 BC解析 任意两颗星体间的万有引力大小F 0＝G m 2r 2，每颗星体受到其他两个星体的引力的合力为F ＝2F 0cos 30°＝3G m 2r 2，A 错误；由牛顿第二定律可得F ＝m (2πT )2r ′，其中r ′＝r 2cos 30°＝3r3，解得每颗星体运行的周期均为T ＝2πr 33Gm ，B 正确；星体原来的角速度ω＝2πT＝3Gm r 3，若r 不变，星体质量均变为2m ，则星体的角速度ω′＝2πT ′＝6Gmr 3，则星体的角速度变为原来的2倍，C 正确；星体原来的线速度大小v ＝2πr ′T ，若m 不变，星体间的距离变为4r ，则星体的周期T ′＝2π(4r )33Gm＝16πr 33Gm ＝8T ，星体的线速度大小v ′＝2πT ′×4r ′＝πr ′T ，则星体的线速度变为原来的12，D 错误．题型三 星球“瓦解”问题 黑洞1．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GMmR 2＝mω2R ，得ω＝GMR 3.当ω>GMR 3时，星球瓦解，当ω<GMR 3时，星球稳定运行． 2．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2倍)超过光速时，该天体就是黑洞．考向1 星球的瓦解问题例8 (2018·全国卷Ⅱ·16)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6.67×10－11N·m 2/kg 2.以周期T 稳定自转的星体的密度最小值约为( )A ．5×109 kg/m 3B ．5×1012 kg/m 3C ．5×1015 kg/m 3D ．5×1018 kg/m 3答案 C解析 脉冲星稳定自转，万有引力提供向心力，则有G Mm r 2≥mr 4π2T 2，又知M ＝ρ·43πr 3，整理得密度ρ≥3πGT 2＝3×3.146.67×10－11×(5.19×10－3)2 kg/m 3≈5.2×1015 kg/m 3，故选C.考向2 黑洞问题例9 科技日报北京2017年9月6日电，英国《自然·天文学》杂志发表的一篇论文称，某科学家在银河系中心附近的一团分子气体云中发现了一个黑洞．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2倍)超过光速时，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v 1, 光速为c ，则要使该天体成为黑洞，其半径应小于( ) A.2v 12R kc2 B.2kc 2R v 12C.k v 12R 2c 2D.2k v 12R c2答案 D解析 地球的第一宇宙速度为v 1＝GMR ，则黑洞的第一宇宙速度为v 2＝GkMr，并且有2v 2>c ，联立解得r <2k v 12Rc2，所以D 正确，A 、B 、C 错误．课时精练1．(多选)目前，在地球周围有许多人造地球卫星绕着它运转，其中一些卫星的轨道近似为圆，且轨道半径逐渐变小．若卫星在轨道半径逐渐变小的过程中，只受到地球引力和稀薄气体阻力的作用，则下列判断正确的是( ) A ．卫星的动能逐渐减小B ．由于地球引力做正功，引力势能一定减小C ．由于稀薄气体阻力做负功，地球引力做正功，机械能保持不变D ．卫星克服稀薄气体阻力做的功小于引力势能的减小量 答案 BD解析 在卫星轨道半径变小的过程中，地球引力做正功，引力势能一定减小，卫星轨道半径变小，动能增大，由于稀薄气体阻力做负功，机械能减小，选项A 、C 错误，B 正确；根据动能定理，卫星动能增大，卫星克服稀薄气体阻力做的功小于地球引力做的正功，而地球引力做的正功等于引力势能的减小量，所以卫星克服阻力做的功小于引力势能的减小量，选项D 正确．2.在高空运行的同步卫星功能失效后，往往会被送到同步轨道上空几百公里处的“墓地轨道”，以免影响其他在轨卫星并节省轨道资源．如图所示，我国实践21号卫星在地球同步轨道“捕获”已失效的北斗二号G2卫星后，成功将其送入“墓地轨道”．已知同步轨道和墓地轨道的轨道半径分别为R 1、R 2，转移轨道与同步轨道、墓地轨道分别相切于P 、Q 点，地球自转周期为T 0，则北斗二号G2卫星( )A ．在墓地轨道运行的速度大于其在同步轨道运行的速度B ．在转移轨道上经过P 点的加速度大于在同步轨道上经过P 点的加速度C ．若要从Q 点逃脱地球的引力束缚，则在该处速度必须大于11.2 km/sD ．沿转移轨道从P 点运行到Q 点所用最短时间为T 04(R 1＋R 2)32R 13答案 D解析 根据GMm R 2＝m v 2R可得v ＝GMR，可知在墓地轨道运行的速度小于其在同步轨道运行的速度，故A 错误；在转移轨道上经过P 点和在同步轨道上经过P 点时受到的万有引力相同，有GMmR 2＝ma ，可知在转移轨道上经过P 点的加速度等于在同步轨道上经过P 点的加速度，故B 错误；卫星要逃脱地球引力束缚，则卫星离开地球时的速度必须大于等于11.2 km/s ，卫星从离开地球到墓地轨道过程中动能减少，所以卫星要从墓地轨道逃脱地球，需要的速度比第二宇宙速度11.2 km/s 小，故C 错误；由开普勒第三定律有R 13T 02＝(R 1＋R 22)3T 12，可得沿转移轨道从P 点运行到Q 点所用最短时间为t ＝T 12＝T 04(R 1＋R 2)32R 13，故D 正确． 3.(2023·重庆市模拟)我国2021年9月27日发射的试验十号卫星，轨道Ⅱ与Ⅰ、Ⅲ分别相切于A 、B 两点，如图所示，停泊轨道Ⅰ距地面约200 km ，卫星沿轨道Ⅰ过A 点的速度大小、加速度大小分别为v 1、a 1；卫星沿转移椭圆轨道Ⅱ过A 点的速度大小、加速度大小分别为v 2、a 2，过B 点的速度大小、加速度大小分别为v 3、a 3；同步轨道Ⅲ距地面约36 000 km ，卫星沿轨道Ⅲ过B 点的速度大小、加速度大小分别为v 4、a 4.下列关于试验十号卫星说法正确的是( )A ．a 1<a 2 v 1<v 2B ．a 2>a 3 v 2＝v 3C ．a 3＝a 4 v 3<v 4D ．a 2＝a 4 v 2<v 4答案 C 解析 卫星无论沿轨道Ⅰ过A 点还是沿转移椭圆轨道Ⅱ过A 点，受到的万有引力相同，根据GMm r 2＝ma 可知，加速度a 1＝a 2，但是卫星过A 点由轨道Ⅰ到转移椭圆轨道Ⅱ需要点火加速，所以v 1<v 2，故A 错误；由题图可知，卫星沿转移椭圆轨道Ⅱ过A 点受到的万有引力大于过B 点受到的万有引力，根据GMm r 2＝ma 可知a 2>a 3，由开普勒第二定律可知v 2>v 3，故B 错误；同理可得，卫星沿转移椭圆轨道Ⅱ过B 点的加速度等于轨道Ⅲ过B 点的加速度，即a 3＝a 4，卫星由转移椭圆轨道Ⅱ经B 点到轨道Ⅲ需要点火加速，故v 3<v 4，故C 正确；根据GMm r2＝ma 可知a 2>a 4，由GMm r 2＝m v 2r可知v 1>v 4，则v 2>v 4，故D 错误． 4．一近地卫星的运行周期为T 0，地球的自转周期为T ，则地球的平均密度与地球不因自转而瓦解的最小密度之比为( )A.T 0TB.T T 0C.T 02T 2D.T 2T 02 答案 D解析 对近地卫星，有 G Mm R 2＝m (2πT 0)2R ，地球的质量M ＝ρ1·43πR 3，联立解得ρ1＝3πGT 02，以地球赤道处一质量为m 0的物体为研究对象，只有当它受到的万有引力大于等于它随地球一起旋转所需的向心力时，地球才不会瓦解，设地球不因自转而瓦解的最小密度为ρ2，则有G Mm 0R2＝m 0(2πT )2R ，M ＝ρ2·43πR 3，联立解得ρ2＝3πGT 2，所以ρ1ρ2＝T 2T 02，故选D. 5．(多选)宇宙中两颗靠得比较近的恒星，只受到彼此之间的万有引力作用互相绕转，称之为双星系统．设某双星系统A 、B 绕其连线上的某固定点O 做匀速圆周运动，如图所示．若A 、B 两星球到O 点的距离之比为3∶1，则( )A ．星球A 与星球B 所受引力大小之比为1∶1B ．星球A 与星球B 的线速度大小之比为1∶3C ．星球A 与星球B 的质量之比为3∶1D ．星球A 与星球B 的动能之比为3∶1答案 AD解析 星球A 所受的引力与星球B 所受的引力均为二者之间的万有引力，大小是相等的，故A 正确；双星系统中，星球A 与星球B 转动的角速度相等，根据v ＝ωr 可知，线速度大小之比为3∶1，故B 错误；A 、B 两星球做匀速圆周运动的向心力由二者之间的万有引力提供，可得G m A m B L 2＝m A ω2r A ＝m B ω2r B ，则星球A 与星球B 的质量之比为m A ∶m B ＝r B ∶r A ＝1∶3，故C 错误；星球A 与星球B 的动能之比为E k A E k B ＝12m A v A 212m B v B 2＝m A (ωr A )2m B (ωr B )2＝31，故D 正确． 6．(2023·安徽蚌埠市检测)2022年7月24日14时22分，中国“问天”实验舱在海南文昌航天发射场发射升空，准确进入预定轨道，任务取得圆满成功．“问天”实验舱入轨后，顺利完成状态设置，于北京时间2022年7月25日3时13分，成功对接于离地约400 km 的“天和”核心舱．“神舟”十四号航天员乘组随后进入“问天”实验舱．下列判断正确的是( )A ．航天员在核心舱中完全失重，不受地球的引力B ．为了实现对接，实验舱和核心舱应在同一轨道上运行，且两者的速度都应大于第一宇宙速度C ．对接后，组合体运动的加速度大于地球表面的重力加速度D ．若对接后组合体做匀速圆周运动的周期为T ，运行速度为v ，引力常量为G ，利用这些条件可估算出地球的质量答案 D解析 航天员受到的地球的引力充当绕地球做圆周运动的向心力，处于完全失重状态，A 错误；为了实现对接，实验舱应先在比核心舱半径小的轨道上加速做离心运动，逐渐靠近核心舱，两者速度接近时实现对接，但速度小于第一宇宙速度，B 错误；对接后，组合体运动的加速度a ＝GM r 2<GM R 2＝g ，C 错误；对接后，若已知组合体的运行周期T 、运行速度v 和引力常量G ，可由GMm r 2＝m v 2r 、v ＝2πr T ，联立得M ＝v 3T 2πG，D 正确． 7.(2023·福建厦门市模拟)如图所示，设地球半径为R ，假设某地球卫星在距地球表面高度为h 的圆形轨道Ⅰ上做匀速圆周运动，运行周期为T ，到达轨道的A 点时点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ，到达轨道的近地点B 时，再次点火进入近地轨道Ⅲ绕地做匀速圆周运动，引力常量为G ，不考虑其他星球的影响，则下列说法正确的是( )A ．地球的质量可表示为4π2R 3GT 2B ．该卫星在轨道Ⅲ上B 点的速率大于在轨道Ⅱ上A 点的速率C ．卫星在圆轨道Ⅰ和圆轨道Ⅲ上做圆周运动时，轨道Ⅰ上动能小，引力势能大，机械能小D ．卫星从远地点A 向近地点B 运动的过程中，加速度变小答案 B解析 卫星在轨道Ⅰ上运动过程中，万有引力提供向心力，故G Mm (R ＋h )2＝m 4π2T 2(R ＋h )，解得M ＝4π2(R ＋h )3GT 2，故A 错误；卫星在轨道Ⅰ上过A 点做匀速圆周运动，即G Mm r 2＝m v Ⅰ2r，卫星在轨道Ⅱ上过A 点做近心运动，即G Mm r 2>m v Ⅱ2r，所以卫星在轨道Ⅰ上A 点速率大于在轨道Ⅱ上A 点的速率．由v ＝GM r可知，在轨道Ⅲ上B 点的速率大于在轨道Ⅰ上A 点的速率，因此该卫星在轨道Ⅲ上B 点的速率大于在轨道Ⅱ上A 点的速率，故B 正确；从B 运动到A 的过程中，地球引力对卫星做负功，引力势能增大，因卫星在轨道Ⅲ上的速度大于轨道Ⅰ上的速度，故此过程中卫星的动能减小，在Ⅲ轨道上B 点点火，卫星加速并做离心运动，则卫星的机械能增大，在Ⅱ轨道上A 点再次点火加速，使卫星由低轨道进入高轨道，因此卫星的机械能增大，故C 错误；根据万有引力提供向心力有G Mm r 2＝ma ，可得a ＝GM r2，所以卫星距离地球越远，其向心加速度越小，故卫星从远地点到近地点运动过程中，加速度变大，故D 错误．8.(2023·福建龙岩市第一中学模拟)天文学家观测河外星系大麦哲伦云时，发现了LMCX －3双星系统，它由可见星A 和不可见的暗星B 构成，两星视为质点，其质量分别为m A 和m B .不考虑其他天体的影响，A 、B 围绕连线上的O 点做匀速圆周运动，两者之间的距离保持不变，已知AB ＝l ，A 、B 轨道半径之差为Δr .下列说法错误的是( )A ．A 和B 两星体的角速度相同B ．暗星B 的速率v B 与可见星A 速率v A 的比值为m A ∶m BC ．A 、B 两星的轨道半径之比为l l －ΔrD ．A 、B 两星的质量之比为l －Δr l ＋Δr答案 C解析 双星系统中的两星始终处于同一直线上，故周期相同，角速度也相同，故A 正确；由Gm A m B L 2＝m A ω2r A ＝m B ω2r B 得m A r A ＝m B r B ，m A v A 2r A ＝m B v B 2r B ，联立得v B v A ＝m A m B，故B 正确； 由r A >r B ，r A ＋r B ＝l ，r A －r B ＝Δr 知，r A ＝l ＋Δr 2，r B ＝l －Δr 2，故A 、B 两星的轨道半径之比为l ＋Δr l －Δr，故C 错误；A 、B 两星的质量之比为m A m B ＝r B r A ＝l －Δr l ＋Δr，故D 正确． 9.(多选)(2023·广东省模拟)如图所示为发射某卫星的情景图，该卫星发射后，先在椭圆轨道Ⅰ上运动，卫星在椭圆轨道Ⅰ的近地点A 的加速度大小为a 0，线速度大小为v 0，A 点到地心的距离为R ，远地点B 到地心的距离为3R ，卫星在椭圆轨道的远地点B 变轨进入圆轨道Ⅱ，卫星质量为m ，则下列判断正确的是( )A ．卫星在轨道Ⅱ上运行的加速度大小为13a 0 B ．卫星在轨道Ⅱ上运行的线速度大小为3a 0R 3C ．卫星在轨道Ⅱ上运行周期为在轨道Ⅰ上运行周期的33倍D ．卫星从轨道Ⅰ变轨到轨道Ⅱ发动机需要做的功为ma 0R 6－m v 0218答案 BD解析 设卫星在轨道Ⅱ上运行的加速度大小为a 1，由GMm r 2＝ma 得a ＝GM r 2，则a 1＝R 2(3R )2a 0＝19a 0，故A 错误；设卫星在轨道Ⅱ上运行的线速度大小为v 1，有a 1＝v 123R ，解得v 1＝13a 0R ＝3a 0R 3，故B 正确；根据开普勒第三定律有T 22T 12＝(3R )3(2R )3，解得T 2T 1＝364，故C 错误；设卫星在椭圆轨道远地点B 的线速度大小为v ，根据开普勒第二定律有v 0R ＝v ×3R ，解得v ＝13v 0，卫星从轨道Ⅰ变轨到轨道Ⅱ发动机需要做的功为W ＝12m v 12－12m v 2＝ma 0R 6－m v 0218，故D 正确． 10.(多选)如图为一种四颗星体组成的稳定系统，四颗质量均为m 的星体位于边长为L 的正方形四个顶点，四颗星体在同一平面内围绕同一点做匀速圆周运动，忽略其他星体对它们的作用，引力常量为G .下列说法中正确的是( )A ．星体做匀速圆周运动的圆心不一定是正方形的中心B ．每颗星体做匀速圆周运动的角速度均为(4＋2)Gm 2L 3C ．若边长L 和星体质量m 均是原来的两倍，星体做匀速圆周运动的加速度大小是原来的两倍D ．若边长L 和星体质量m 均是原来的两倍，星体做匀速圆周运动的线速度大小不变 答案 BD解析 四颗星体在同一平面内围绕同一点做匀速圆周运动，所以星体做匀速圆周运动的圆心一定是正方形的中心，故A 错误；由2G m 2L 2＋G m 2(2L )2＝(12＋2)G m 2L 2＝mω2·22L ，可知ω＝(4＋2)Gm 2L 3，故B 正确；由(12＋2)G m 2L2＝ma 可知，若边长L 和星体质量m 均为原来的两倍，星体做匀速圆周运动的加速度大小是原来的12，故C 错误；由(12＋2)G m 2L 2＝m v 222L 可知星体做匀速圆周运动的线速度大小为v ＝(4＋2)Gm 4L，所以若边长L 和星体质量m 均是原来的两倍，星体做匀速圆周运动的线速度大小不变，故D 正确．11．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．已知某黑洞的逃逸速度为v ＝2GM R，其中引力常量为G ，M 是该黑洞的质量，R 是该黑洞的半径．若天文学家观测到与该黑洞相距为r 的天体以周期T 绕该黑洞做匀速圆周运动，光速为c ，则下列关于该黑洞的说法正确的是( )A ．该黑洞的质量为GT 24πr3 B ．该黑洞的质量为4πr 3GT2 C ．该黑洞的最大半径为4π2r 3c2 D ．该黑洞的最大半径为8π2r 3c 2T2 答案 D解析 天体绕黑洞运动时，有GMm r 2＝m (2πT )2r ，解得M ＝4π2r 3GT2，选项A 、B 错误；黑洞的逃逸速度不小于光速，则有2GM R ≥c ，解得R ≤2GM c 2＝8π2r 3c 2T2，选项C 错误，D 正确． 12．质量均为m 的两个星球A 和B ，相距为L ，它们围绕着连线中点做匀速圆周运动．观测到两星球的运行周期T 小于按照双星模型计算出的周期T 0，且T T 0＝k .于是有人猜想在A 、B 连线的中点有一未知天体C ，假如猜想正确，则C 的质量为( )A.1－k 24k2m B.1＋k 24k 2m C.1－k 2k2m D.1＋k 2k2m 答案 A解析 两星球绕连线的中点转动，则有G m 2L 2＝m ·4π2T 02·L 2，所以T 0＝2πL 32Gm ，由于C 的存在，星球所需的向心力由两个力的合力提供，则G m 2L 2＋G Mm (L 2)2＝m ·4π2T 2·L 2，又T T 0＝k ，联立解得M ＝1－k 24k 2m ，可知A 正确，B 、C 、D 错误．。

模型双星或多星模型学校：_________班级：___________姓名：_____________模型概述1.双星问题(1)模型构建：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．(2)特点：①各自所需的向心力由彼此间的万有引力提供，即G m 1m 2L 2=m 1ω21r 1,G m 1m 2L2=m 2ω22r 2.②两颗星的周期及角速度都相同，即T 1=T 2,ω1=ω2.③两颗星的轨道半径与它们之间的距离关系为：r 1+r 2=L .④两星到圆心的距离r 1、r 2与星体质量成反比，即m 1m 2=r 2r 1.⑤双星的运动周期T =2πL 3G (m 1+m 2).⑥双星的总质量m 1+m 2=4π2L 3GT 22．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、周期相同。

常见的多星模型及其规律：Gm 2(2R )2+GMm R2=ma 向Gm 2L2×cos30°×2=ma 向Gm 2L 2×cos45°×2+Gm 2(2L )2=ma 向Gm 2L 2×cos30°×2+GMm L 32=ma 向典题攻破1.双星问题1.(2024·重庆·高考真题)在万有引力作用下，太空中的某三个天体可以做相对位置不变的圆周运动，假设a、b两个天体的质量均为M，相距为2r，其连线的中点为O，另一天体(图中未画出)质量为m(m <<M)，若c处于a、b连线的垂直平分线上某特殊位置，a、b、c可视为绕O点做角速度相同的匀速圆周，且相对位置不变，忽略其他天体的影响。

引力常量为G。

则()A.c的线速度大小为a的3倍B.c的向心加速度大小为b的一半C.c在一个周期内的路程为2πrD.c的角速度大小为GM8r32.多星问题2.(2024·全国·二模)如图。

高中物理必修二第六章万有引力与航天第5 节宇宙航行一、教学目标确立的依据（一）课标分析1.课标要求：会计算人造卫星的环绕速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。

体会科学研究方法对人们认识自然的作用。

举例说明物理学的进展对自然科学的促进作用。

2.课标分析：课程标准第一个行为动词是“计算”，属于知识技能目标里的“理解”的层次，通过对万有引力定律的认识，让学生自己动手推导得出双星运动的特点。

第二个行为动词是“知道”，属于知识技能目标里“了解”的层次，通过阅读课本及课下搜集资料，让学生知道第二宇宙速度和第三宇宙速度的数值及物理意义。

第三个行为动词是“体会”，通过对双星问题的分析和总结，让学生感受科学对人类认识自然的巨大推动作用，提高科学学习的兴趣。

（二）教材分析1.教材地位和作用：“双星问题”属于人教版—普通高中《物理》教材·必修2—第六章“万有引力与航天”的第五节“宇宙航行”中的一个补充内容。

本节课是以学生之前中已掌握的平抛运动、圆周运动和向心力等知识以及万有引力定律为基础，主要复习了了万有引力定律的成就，分析了双方法。

因此，本节课是“万有引力与航天”中的重点内容，是学生进 重点：双星运动过程中各个物理量的比较及计算难点：对双星系统问题的分析思路的灵活运用，培养学生的建模星的特点和相关运算。

双星问题的分析是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习、了解现代科技知识的一个极好素材。

本节课不但介绍了双星问题中一些基本知识，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理一步学习研究天体物理问题的理论基础。

2.本节课属于航天部分的重要知识，主要通过学生对双星问题的分析，进一步熟练万有引力定律解决问题的思路，提高建立物理模型的能 力，并通过课堂例题及目标检测掌握学生的学习情况，由“三星问 题”引发学生的思考，进一步加深对本节课的认识。

3.在思维方法上，主要让学生学会知识点的类比，双星问题和之前所学圆周运动中的某些题目具有较大的相似性，通过知识的迁移，将不同章节的知识建立联系，提高学生构建知识脉络的能力。

微专题(二)天体(或卫星)的两类典型问题(双星模型、卫星的变轨)学习目标1.理解双星模型的动力学特点，并能分析其运动规律．2．会分析卫星的变轨问题，知道卫星变轨的缘由和变轨前后的速度改变．关键实力·合作探究——突出综合性素养形成类型一双星模型归纳总结1.“双星”模型如图所示，宇宙中两个靠得比较近的天体，不考虑其他天体的引力作用，在彼此间的万有引力作用下绕其连线上的某固定点做匀速圆周运动，称为“双星”模型．2．“双星”模型的分析方法两颗星各自所需的向心力由彼此间的万有引力相互供应，即：对m1：＝r1对m2：＝r23．“双星”模型的特点(1)两颗星的周期及角速度都相同，即T1＝T2，ω1＝ω2.(2)两颗星的轨道半径与它们之间的距离关系为：r1＋r2＝L.(3)两颗星到圆心的距离r1、r2与星体质量成反比，即＝.(4)“双星”的运动周期T＝2π.(5)“双星”的总质量公式m1＋m2＝.典例示范例 1 宇宙中，两颗靠得比较近的恒星，只受到彼此之间的万有引力作用相互绕转，称之为双星系统．设某双星系统A、B绕其连线上的某固定点O点做匀速圆周运动，如图所示．现测得两星球球心之间的距离为L，运动周期为T，已知万有引力常量为G.若AO>OB，则( )A．星球A的线速度等于星球B的线速度B．星球A所受向心力大于星球B所受向心力C．双星的质量肯定，双星之间的距离减小，其转动周期增大D．两星球的总质量等于素养训练1 科学家发觉．距离地球2 764光年的宇宙空间存在适合生命居住的双星系统，这一发觉为人类探讨地外生命供应了新的思路和方向．假设宇宙中有一双星系统由质量分别为m和M的A、B两颗星体组成．这两颗星绕它们连线上的某一点在二者万有引力作用下做匀速圆周运动，如图所示，A、B两颗星的距离为L，引力常量为G，则( )A.因为OA>OB，所以m>MB．两恒星做圆周运动的周期为2πC．若恒星A由于不断吸附宇宙中的尘埃而使得质量缓慢增大，其他量不变，恒星A的周期缓慢增大D．若恒星A由于不断吸附宇宙中的尘埃而使得质量缓慢增大，其他量不变，则恒星A 的轨道半径将缓慢增大素养训练2 银河系的恒星中大约有四分之一是双星，某双星由质量不等的星体S1和S2构成，两星在相互之间万有引力的作用下绕两者连线上某肯定点O做匀速圆周运动(如图所示)．由天文视察测得其运动周期为T，S1到O点的距离为r1，S1和S2的距离为r，已知引力常量为G.由此可求出S1的质量为( )A． B． D．类型二卫星的变轨归纳总结1.变轨问题概述(1)稳定运行卫星绕天体稳定运行时，万有引力供应了卫星做圆周运动的向心力，即G＝m.(2)变轨运行当卫星由于某种缘由，其速度v突然改变时，F引和m不再相等，会出现以下两种状况：①当F引＞m时，卫星做近心运动；②当F引＜m时，卫星做离心运动．2．变轨问题的两种常见形式(1)渐变由于某个因素的影响使卫星的轨道半径发生缓慢的改变，由于半径改变缓慢，卫星每一周的运动仍可以看成是匀速圆周运动．①关键要点：轨道半径r减小(近心运动)．这种变轨运动的起因是阻力使卫星速度减小，所须要的向心力减小了，而万有引力大小没有变，因此卫星将做近心运动，即轨道半径r将减小．②各个物理参量的改变：当轨道半径r减小时，卫星线速度v、角速度ω、向心加速度a增大，周期T减小．(2)突变由于技术上的须要，有时要在适当的位置短时间启动飞行器上的发动机，使飞行器轨道发生突变，使其到达预定的轨道．放射同步卫星时，通常先将卫星发送到近地轨道Ⅰ，使其绕地球做匀速圆周运动，速率为v1，在P点第一次点火加速，在短时间内将速率由v1增加到v2，使卫星进入椭圆轨道Ⅱ；卫星运行到远地点Q时的速率为v3，此时进行其次次点火加速，在短时间内将速率由v3增加到v4，使卫星进入同步轨道Ⅲ，绕地球做匀速圆周运动．典例示范例2如图所示，某次放射同步卫星的过程如下，先将卫星放射至近地圆轨道1，然后再次点火进入椭圆形的过渡轨道2，最终将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，则当卫星分别在轨道1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是( )A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率B．卫星在轨道3上的角速度大于在轨道1上的角速度C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度素养训练3 2024年2月，“天问一号”探测器胜利实施近火制动，进入环火椭圆轨道，并于2024年5月软着陆火星表面，开展巡察探测等工作，探测器经过多次变轨后登陆火星的轨迹示意图如图所示，其中轨道Ⅰ、Ⅲ为椭圆，轨道Ⅱ为圆．探测器经轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ运动后在Q点登陆火星，O点是轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的切点，O、Q还分别是椭圆轨道Ⅲ的远火星点和近火星点．关于探测器，下列说法正确的是( )A．由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需在O点减速B．在轨道Ⅱ上运行的周期小于在轨道Ⅲ上运行的周期C．在轨道Ⅱ上运行的线速度大于火星的第一宇宙速度D．在轨道Ⅲ上，探测器运行到O点的线速度大于运行到Q点的线速度随堂演练·自主检测——突出创新性素养达标1.2024年6月5日，我国用神舟十四号载人飞船顺当将陈冬、刘洋和蔡旭哲三名航天员送入太空．其放射过程示意图如图，椭圆轨道Ⅰ为转移轨道，圆轨道Ⅱ为神舟十四号和空间站组合体的运行轨道，A为椭圆轨道的近地点，轨道Ⅰ、Ⅱ相切于B点，则( ) A．神舟十四号在轨道Ⅰ上从A点运动到B点，加速度渐渐增大B．神舟十四号在轨道Ⅰ上从A点运动到B点，线速度渐渐减小C．组合体在轨道Ⅱ上运行的周期小于神舟十四号在轨道Ⅰ上运行周期D．组合体在轨道Ⅱ上运行的线速度小于神舟十四号在轨道Ⅰ上运行线速度2．宇宙空间存在一些离其他恒星较远的三星系统，其中有一种三星系统如图所示，三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点，三角形边长为L.忽视其他星体对它们的引力作用，三星在同一平面内绕三角形中心O做匀速圆周运动，引力常量为G.下列说法正确的是( )A．每颗星做圆周运动的线速度为B．每颗星做圆周运动的加速度与三星的质量无关C．若距离L和每颗星的质量m都变为原来的2倍，则周期变为原来的2倍D．若距离L和每颗星的质量m都变为原来的2倍，则线速度变为原来的2倍3．(多选)天文学家通过观测两个黑洞并合的事务，间接验证了引力波的存在．该事务中甲、乙两个黑洞的质量分别为太阳质量的36倍和29倍，假设这两个黑洞绕它们连线上的某点做圆周运动，且两个黑洞的间距缓慢减小．若该双星系统在运动过程中，各自质量不变且不受其他星系的影响，则关于这两个黑洞的运动，下列说法正确的是( ) A．甲、乙两个黑洞运行的线速度大小之比为36∶29B．甲、乙两个黑洞运行的角速度大小始终相等C．随着甲、乙两个黑洞的间距缓慢减小，它们运行的周期也在减小D．甲、乙两个黑洞做圆周运动的向心加速度大小始终相等4．(多选)2024年7月23日，我国在海南文昌航天放射中心，胜利将我国首个深空探测器天问一号火星探测器送上太空．探测器接近火星后，探测器需经验如图所示的变轨过程，轨道Ⅰ为圆轨道，已知引力常量为G，则下列说法正确的是( )A．探测器在轨道Ⅰ上P点的速度大于在轨道Ⅱ上的速度B．探测器在轨道上运动时，运行的周期TⅢ>TⅡ>TⅠC．探测器若从轨道Ⅱ变轨到轨道Ⅰ，须要在P点朝速度反向喷气D．若轨道Ⅰ贴近火星表面，并已知探测器在轨道Ⅰ上运动的角速度，可以推知火星的密度5．(多选)卫星回收过程的示意图如图所示，卫星在圆轨道1上运行，到达轨道的P点时点火变轨进入椭圆轨道2，到达轨道的Q点时，再次点火变轨进入圆轨道3.轨道1、2相切于P点，轨道2、3相切于Q点．下列说法正确的是( )A．卫星在轨道2上的周期大于在轨道3上的周期B．卫星在轨道1上的角速度小于在轨道3上的角速度C．卫星在轨道1上的速率大于在轨道3上的速率D．卫星在轨道1上经过P点时的速率小于在轨道2上经过P点时的速率微专题(二) 天体(或卫星)的两类典型问题(双星模型、卫星的变轨)关键实力·合作探究类型一【典例示范】例1 解析：双星围绕同一点同轴转动，其角速度、周期相等，由v＝rω可知，星球A 的轨道半径较大，线速度较大，A错误；双星靠相互间的万有引力供应向心力，依据牛顿第三定律可知向心力大小相等，B错误；双星A、B之间的万有引力供应向心力，有G＝m Aω2R A，G＝m Bω2R B，其中ω＝，L＝R A＋R B，联立解得m A＋m B＝(R A＋R B)3＝，即T＝，故当双星的质量肯定，双星之间的距离减小，其转动周期也减小，C错误；依据C选项计算可得m A＋m B＝，D正确．答案：D素养训练1 解析：依据万有引力供应向心力有G＝m＝M，因为OA＞OB，所以m＜M，由于OA＋OB＝L，解得T＝2π ，当m增大时可知T减小，故A、C错误，B正确；依据m＝M，且OA＋OB＝L，解得OA＝，若恒星A由于不断吸附宇宙中的尘埃而使得质量m缓慢增大，其他量不变，则恒星A的轨道半径将缓慢减小，故D错误．答案：B素养训练2 解析：双星之间的万有引力供应各自做圆周运动的向心力，对S2有G＝m2(r－r1)，解得m1＝.A对．答案：A类型二【典例示范】例2 解析：由G＝m＝mrω2得，v＝，ω＝，由于r1＜r3，所以v1＞v3，ω1＞ω3，A、B错；轨道1上的Q点与轨道2上的Q点是同一点，到地心的距离相同，依据万有引力定律及牛顿其次定律知，卫星在轨道1上经过Q点时的加速度等于它在轨道2上经过Q点时的加速度，同理卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度，C错，D对．答案：D素养训练3 解析：由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需在O点减速，由高轨道进入低轨道须要点火减速，A正确；依据开普勒第三定律＝，因轨道Ⅱ的半径大于轨道Ⅲ的半长轴，所以在轨道Ⅱ上运行的周期大于在轨道Ⅲ上运行的周期，B错误；依据v＝可知，在轨道Ⅱ上运行的线速度小于火星的第一宇宙速度，C错误；依据开普勒其次定律可知，近地点的线速度大于远地点的线速度，所以在轨道Ⅲ上，探测器运行到O点的线速度小于运行到Q点的线速度，D错误．答案：A随堂演练·自主检测1．解析：神舟十四号在轨道Ⅰ上从A点运动到B点，受到地球的引力渐渐减小，则加速度渐渐减小，A错误；神舟十四号在轨道Ⅰ上从A点运动到B点，即从远地点向近地点运动，由开普勒其次定律知，线速度减小，B正确；依据开普勒第三定律可知＝k，因在轨道Ⅱ上运行的轨道半径大于神舟十四号在轨道Ⅰ上运行的半长轴，则组合体在轨道Ⅱ上运行的周期大于神舟十四号在轨道Ⅰ上运行的周期，C错误；组合体从轨道Ⅰ上的B点要加速才能进入轨道Ⅱ，则在轨道Ⅱ上运行的线速度大于神舟十四号在轨道Ⅰ上运行到B点时线速度，D错误．答案：B2．解析：随意两颗星之间的万有引力为F＝G，每一颗星受到的合力为F1＝F，由几何关系可知，它们的轨道半径为r＝L，合力供应它们的向心力＝m，联立解得v ＝，A错误；依据＝ma，解得a＝，故加速度与它们的质量有关，B错误；依据＝m，解得T＝，若距离L和每颗星的质量m都变为原来的2倍，则周期变为原来的2倍， C正确；依据v＝可知，若距离L和每颗星的质量m都变为原来的2倍，则线速度不变，D错误．答案：C3．解析：由牛顿第三定律知，两个黑洞做圆周运动的向心力大小相等，它们的角速度ω相等，且有F n＝mω2r可知，甲、乙两个黑洞做圆周运动的半径与质量成反比，由v＝ωr 知，线速度之比为29∶36，A错误，B正确；设甲、乙两个黑洞质量分别为m1和m2，轨道半径分别为r1和r2，有＝m1()2r1，＝m2()2r2，联立可得＝，随着甲、乙两个黑洞的间距缓慢减小，它们运行的周期也在减小，C正确；甲、乙两个黑洞做圆周运动的向心力大小相等，由牛顿其次定律a＝可知，甲、乙两个黑洞的向心加速度大小a1∶a2＝29∶36，D错误．答案：BC4．解析：探测器在P点从轨道Ⅱ变轨到轨道Ⅰ，须要在P点朝速度方向喷气，从而使探测器减速到达轨道Ⅰ，则探测器在轨道Ⅰ上P点的速度小于在轨道Ⅱ上P点的速度，A、C 错误；依据开普勒第三定律可知，探测器在轨道上运动时半长轴越大其运行的周期越大，故B正确；依据万有引力定律可得G＝mω2R，依据ρ＝可得M＝ρπR3，联立解得ρ＝，所以当轨道Ⅰ贴近火星表面，并且已知探测器在轨道Ⅰ上运动的角速度，可以推知火星的密度，故D正确．答案：BD5．解析：依据开普勒第三定律，卫星在轨道2上的周期大于在轨道3上的周期，A正确；卫星绕中心天体做匀速圆周运动，由万有引力供应向心力G＝m＝mω2r，解得v＝，ω＝，由公式可知，半径越大，速度和角速度越小，B正确，C错误；从轨道1到轨道2 ，卫星在P点做渐渐靠近圆心的运动，要实现这个运动必需使卫星所需向心力小于万有引力，所以应给卫星减速，所以在轨道1上经过P点时的速率大于在轨道2上经过P点时的速率，D错误．答案：AB。

高中物理剖析宇宙中的双星、三星模型一、考点突破：考点课程目标备注双星、三星模型1. 掌握双星、三星模型的向心力来源；2. 会根据万有引力定律求解双星、三星模型的周期,线速度等物理量；3. 掌握两种模型的特点;双星问题是万有引力定律在天文学上的应用的一个重要内容,主要考查转动星体向心力来源及参数之间的关系,高考重点,属于高频考点中等难度,命题形式选择题居多;二、重难点提示：重点：1.根据万有引力定律求解双星、三星模型的周期,线速度等物理量；2. 双星、三星两种模型的特点;难点：双星、三星模型的向心力来源;一、双星模型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,双星系统模型有以下特点：1各自需要的向心力由彼此间的万有引力相互提供即221LmGm＝m1ω错误!r1,221LmGm＝m2ω错误!r2；2两颗星的周期及角速度都相同即T1＝T2,ω1＝ω2；3两颗星的半径与它们之间的距离关系为r1＋r2＝L；4两颗星到圆心的距离r1、r2与星体质量成反比即1221r r m m =； 5双星的运动周期T ＝2π)(213m m G L +；6双星的总质量公式m 1＋m 2＝GT L 2324π;二、三星模型第一种情况：三颗星连在同一直线上,两颗星围绕中央的星静止不动在同一半径为R 的圆轨道上运行;特点：1. 周期相同； 2. 三星质量相同； 3. 三星间距相等；4. 两颗星做圆周运动的向心力相等;原理：A 、C 对B 的引力充当向心力,即：,可得：GmR T 543π=,同理可得线速度：R GmR 25; 第二种情况：三颗星位于等边三角形的三个顶点上,并沿等边三角形的外接圆轨道运行;特点：1. 运行周期相同； 2. 半径相同； 3. 质量相同； 4. 所需向心力相等;原理：B 、C 对A 的引力的合力充当向心力,即：r Tm R Gm F 2222430cos 2π==︒合,其中R r 33=, 可得：运行周期GmRR T 32π=;例题1 如图,质量分别为m 和M 的两颗星球A 和B 在引力作用下都绕O 点做匀速圆周运动,星球A 和B 两者中心之间距离为L;已知A 、B 的中心和O 三点始终共线,A 和B 分别在O 的两侧;引力常数为G;1求两星球做圆周运动的周期;2在地月系统中,若忽略其他星球的影响,可以将月球和地球看成上述星球A 和B,月球绕其轨道中心运行的周期记为T 1;但在近似处理问题时,常常认为月球是绕地心做圆周运动的,这样算得的运行周期为T 2;已知地球和月球的质量分别为×1024kg 和 ×1022kg ;求T 2与T 1两者平方之比;结果保留3位有效数字思路分析：1A 和B 绕O 做匀速圆周运动,它们之间的万有引力提供向心力,则A 和B 的向心力相等;且A 和B 和O 始终共线,说明A 和B 有相同的角速度和周期;因此有,,连立解得,;对A 根据牛顿第二定律和万有引力定律得, 化简得：;2将地月看成双星,由⑴得;将月球看作绕地心做圆周运动,根据牛顿第二定律和万有引力定律得; 化简得：;所以两种周期的平方比值为 答案：12例题2 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,通常可忽略其他星体对它们的引力作用;已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式: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 的圆轨道上运行;另一种形式是三颗星位于等边三角形的三个顶点上,并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行;设每个星体的质量均为m;1试求第一种形式下,星体运动的线速度和周期;2假设两种形式下星体的运动周期相同,第二种形式下星体之间的距离应为多少 思路分析：1对于第一种运动情况,以某个运动星体为研究对象,根据牛顿第二定律和万R M r m 22ωω=L R r =+L M m m R +=L M m Mr +=L m M MT m L GMm +=22)2(π)(23m M G L T +=π)(231m M G L T +=πL T m LGMm 22)2(π=GML T 322π=01.11098.51035.71098.5)(242224212=⨯⨯+⨯=+=M M m T T )(23m M G L T +=π有引力定律有：F 1=22R Gm ,222)2(R Gm F =,F 1+F 2=mv 2/R 运动星体的线速度:v =； 周期为T,则有T=, T=4π;2设第二种形式星体之间的距离为r,则三个星体做圆周运动的半径为R′=;由于星体做圆周运动所需要的向心力靠其他两个星体的万有引力的合力提供,由力的合成和牛顿运动定律有：F 合=cos30°,F 合=m R′,所以r=R;答案：12知识脉络 一、RGmR25vRπ2GmR 53︒30cos 2/r 222rGm 22π4T31)512(R GmR 25GmR 5π43R 31)512(双星模型：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。