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追击问题是直线运动问题中常见的运动类型,万有引力中的两个环绕天体(或更多环绕天体)绕同一中心天体做圆周运动,二者之间也存在着追击关系,但解决环绕天体的追击问题并没有解决直线运动的追击问题那么简单.解决天体追击问题的关键在于弄清两环绕天体之间的旋转角度关系.此类问题是万有引力专题中的重点题型,也是易错题型.主要是因为学生受思维定式的影响、对隐含条件理解不到位、忽视熟知常数引起错解,现举例剖析如下:
例题:计划发射一颗距离地面高度为地球半径R0的圆形轨道地球卫星,卫星轨道平面与赤道平面重合,已知地球表面重力加速度为g.
(1)求卫星绕地心运动周期 ;
(2)设地球自转周期为T0,该卫星绕地旋转方向与地球自转方向相同,则在赤道上一点的人能连续看到该卫星的时间是多少?
示错:(1)卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供,根据牛顿第二定律可得:
;
解得: ……①.
(2)设人能看到卫星的时间为t,据题意知人与卫星之间应满足的角度关系为:
;即 ……②;联立①②解得: ……③.
错因剖析:计算卫星运动周期时,没有充分应用题目所给数据(g),反而应用了题设中没有涉及的物理量(G 、M ),不会应用解决天体运动的重要代
换式()进行代换求解;其次是没有理
顺卫星和赤道上的人二者转动的角度关系;同时还受思维定式影响,认为轨道半径较大的卫星周期比赤道上的人自转周期大.这些都是导致错解的根本原因.
名师精析:(1)卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供,根据牛顿第二定律可得:
……①
在地面上的物体受到的重力近似等于万有引力,则有: ……②
联立①②解得: ……③
(2)如图,设人在B1位置刚好看见卫星出现在A1位置,最后在B2位置看到卫星从A2位置消失,OA1= 2OB1,根据几何关系可知:
, 设在赤道上一点的人从B1到B2的时间为t,能连续看到该卫星时,其角度关系为: ;
即 ……④
联立③④解得: .
名师支招:此例两处陷阱都是受思维定式影响造成的,一是认为赤道上的物体自转角速度比一般卫星角速度都大;二是二者不加分析,而直接应用了两环绕天体间距离最近(有时也称为“相遇”或“相冲”)的条件,即转动快的天体至少比转动慢的天体多转一圈(角度上至少多转 ).解决此类问题的基本思路是:先分析物理过程,建立清晰的天体运动情景图,应用几何关系确定研究对象转动的角度关系,建立符合题意角度关系式,再应用万有引力规律即可正确求解.由于天体的运动是周期性的,因此在解决天体间的“追击”(“最近”或“最远”等)问题时,还要根据题意中的条件判断是否多解,如若多解,在所求结果的表达式常会引入n,此时一定要注明n的取值范围.
在复习过程中,同学们要想突破这类易错点,不妨借鉴《求学·高考易错题破解》中的指导,迅速掌握易错易混知识,修炼易错题破解宝典,赢取考试高分.《求学· 高考易错题破解》是一套包揽语、数、英、政、史、地、物、化、生九大学科的系列增刊.这套增刊围绕“错题”二字,从解读命题形势、总结考纲要点、整理知识清单、分析高考典题、归纳考生错因、突破专题训练等多个角度切入,步步为营,各个击破,帮助考生识破考题陷阱、力避常见错因、掌握正确方法,从而让考生真正从错题中受益,把分数提上一个更高的台阶.
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;
解得: ……①.
(2)设人能看到卫星的时间为t,据题意知人与卫星之间应满足的角度关系为:
;即 ……②;联立①②解得: ……③.
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……①
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, 设在赤道上一点的人从B1到B2的时间为t,能连续看到该卫星时,其角度关系为: ;
即 ……④
联立③④解得: .
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