圆周运动和能量.doc

第2专题　功和能量
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1．美国的NBA篮球赛非常精彩，因此吸引了众多观众．在NBA篮球赛中经常能看到这样的场面：在终场前 0.1 s 的时候，运动员把球投出且准确命中，获得比赛的最后胜利．已知球的质量为m，运动员将篮球投出时球离地的高度为h1，动能为Ek，篮筐距地面的高度为h2，不计空气阻力，则篮球进筐时的动能为(　　)
A．Ek＋mgh1－mgh2　　　　B．Ek－mgh1＋mgh2
C．－Ek＋mgh1＋mgh2 D．－Ek－mgh1＋mgh2
【解析】由动能定理得：Ek′－Ek＝WG＝mg(h1－h2)
解得：Ek′＝Ek＋mgh1－mgh2．
[答案]　A
2．如图所示，竖直放置的劲度系数为k的轻质弹簧上端与质量为m的小球连接，下端与放在水平桌面上的质量为M的绝缘物块相连．小球带正电，电荷量为q，且与弹簧绝缘，物块、弹簧和小球组成的系统处于静止状态．现突然加上一个竖直向上的大小为E的匀强电场，小球向上运动，某时刻物块对水平面的压力为零．从加上匀强电场到物块对水平面的压力为零的过程中，小球电势能的改变量为(　　)

A．　　　B．－ C． D．
【解析】加电场前，弹簧的压缩量x1＝，当物块对水平面的压力为零时，弹簧的伸长量x2＝，故这一过程中小球沿电场方向运动的距离为x1＋x2＝
电势能的变化ΔE＝－W电＝－．
[答案]　B
3．如图所示，已知木板的质量为M，长度为L；小木块的质量为m；水平地面光滑；一根不计质量的轻绳通过定滑轮分别与木板和小木块连接，小木块与木板间的动摩擦因数为μ．开始时，木块静止在木板左端，现用水平向右的力F将小木块拉至木板右端，则拉力至少做的功大小为(　　)
A．2μmgL B．μmgL C． D．μ(M＋m)gL
【解析】方法一
当拉小木块向右缓慢移动时，拉力F＝μmg＋FT＝2μmg
当小木块向右运动时到达木板的右端，有：
WF＝F·＝μmgL．
方法二
由功能关系知，拉力至少做的功等于小木块与木板摩擦产生的热量．即WF＝Q＝μmgL．

[答案]　B
4．一个质量为m的物体以某一速度从固定斜面底端冲上倾角α＝30°的斜面．已知该物体做匀减速运动的加速度为g，在斜面上上升的最大高度为h，则此过程中(　　)
A．物体的动能增加mgh B．物体的重力做功mgh
C．物体的机械能损失了mgh D．物体克服摩擦力做功mgh
【解析】由题意可知：
物体受到的合外力F＝mg
其中摩擦力f＝F－mgsin θ＝mg
由动能定理得：ΔEk＝－F·＝－mgh
重力做功WG＝－mgh
物体的机械能的变化ΔE＝－f·s＝－mg·＝－mgh
物体克服摩擦力做的功Wf′＝f·s＝mgh．
[答案]　CD
5．如图所示，质量为M、长度为l的小车静止在光滑的水平面上；质量为m的小物块(可视为质点)放在小车的最左端．现用一水平向右的恒力F作用在小物块上，使物块从静止开始做匀加速直线运动．物块和小车之间的摩擦力为f．物块滑到小车的最右端时，小车运动的距离为s．在这个过程中，以下结论正确的是(　　)
A．物块到达小车最右端时，具有的动能为F(l＋s)
B．物块到达小车最右端时，小车具有的动能为fs
C．物块克服摩擦力所做的功为f(l＋s)
D．物块和小车增加的机械能为fs
【解析】物块到达小车最右端时，知：
物块具有的动能Ek′＝(F－f)·(l＋s)
此时小车具有动能Ek′＝f·s
这一过程物块克服摩擦力所做的功为：
Wf′＝f·(l＋s)
由功能关系知ΔE＝F·(l＋s)－f·l．
[答案]　B
6．(10分)在半径R＝5000 km 的某星球表面，宇航员做了如下实验．实验装置如图甲所示，竖直平面内的光滑轨道由轨道AB和圆弧轨道BC组成，将质量m＝0.2 kg 的小球从轨道AB上高H处的某点静止滑下，用力传感器测出小球经过C点时对轨道的压力F，改变H的大小，可测出相应的F大小，F随H的变化关系如图乙所示．求：
(1)圆轨道的半径．
(2)该星球的第一宇宙速度．
【解析】(1)设该星球表面的重力加速度为g0，圆轨道的半径为r．当H＝0.5 m时，有：
mg0(H－2r)＝mv02　(2分)
＝mg0　(2分)
解得：r＝H＝0.2 m．　(1分)
(2)当H＞0.5 m时，有：
mg0(H－2r)＝mv2　(1分)
＝mg0＋F　(1分)
即F＝g0(2H－1)　(1分)
由F－H图象可得：g0＝5 m/s2　(1分)
该星球的第一宇宙速度v＝＝5 km/s．　(1分)
[答案]　(1)0.2 m　(2)5 km/s
7．(10分)如图所示，间距为L的两条足够长的平行金属导轨与水平面的夹角为θ，导轨光滑且电阻忽略不计．磁感应强度为B的条形匀强磁场的方向与导轨平面垂直，磁场区域的宽度为d1，间距为d2．两根质量均为m、有效电阻均为R的导体棒a和b放在导轨上，并与导轨垂直．(设重力加速度为g)
(1)若a进入第2个磁场区域时，b以与a同样的速度进入第1个磁场区域，求b穿过第1个磁场区域过程中增加的动能ΔEk．
(2)若a进入第2个磁场区域时，b恰好离开第1个磁场区域，此后a离开第2个磁场区域时，b又恰好进入第2个磁场区域，且a、b在任意一个磁场区域或无磁场区域的运动时间均相同，求b穿过第2个磁场区域的过程中，两导体棒产生的总焦耳热Q．
【解析】(1)这一过程a和b不受安培力作用．
由机械能守恒定律知：ΔEk＝mgd1sin θ．　(3分)
(2)由题意可知，两导体棒每次进磁场区域时的速度相等，出磁场区域时的速度也相等，分别设为v1和v2．当b穿过第2个磁场区域时，对于棒a，有：
mv12－mv22＝mgd2sin θ　(2分)
对于棒b，有：
mv22－mv12＝mgd1sin θ－W安　(2分)
W安＝Q　(1分)
解得：Q＝mg(d1＋d2)sin θ．　(2分)
[答案]　(1)mgd1sin θ　(2)mg(d1＋d2)sin θ
8．(12分)如图所示，质量分别为3m、2m、m的三个小球A、B、C，用两根长为L的轻绳相连，置于倾角为30°、高为L的固定光滑斜面上，A球恰能从斜面顶端处竖直落下，弧形挡板使小球只能竖直向下运动，碰撞过程中没有动能损失，小球落地后均不再反弹．现由静止开始释放它们，不计所有摩擦．求：
(1)A球刚要落地时的速度大小．
(2)C球刚要落地时的速度大小．
(3)在B球运动的过程中，两绳对B球做的总功．
【解析】(1)在A球未落地前，A、B、C组成的系统机械能守恒，设A球刚要落地时系统的速度大小为v1，则：
(mA＋mB＋mC)v12＝mAghA－mBghB1－mCghC1　(2分)
又hA＝L，hB1＝hC1＝Lsin 30°＝L
代入数据解得：v1＝．　(2分)
(2)在A球落地后，B球未落地前，B、C组成的系统机械能守恒．设B球刚要落地时系统的速度大小为v2，则：
(mB＋mC)v22－(mB＋mC)v12＝mBghB2－mCghC2　(2分)
又hB2＝L，hC2＝Lsin 30°＝L
代入数据解得：v2＝　(1分)
在B球落地后，C球在下落过程中机械能守恒，设C球刚要落地时系统的速度大小为v3，则：
mCv32－mCv22＝mCghC3，又hC3＝L　(1分)
代入数据得：v3＝．　(1分)
(3)在B球运动的过程中，重力和绳的拉力做功，设两绳做的总功为W，根据动能定理可得：
mBgLsin 30° ＋W＝mBv22　(2分)
代入数据解得：W＝mgL．　(1分)
[答案]　(1)　(2)　(3)mgL

第3专题　圆周运动、航天与星体问题
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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＝＝ωr＝2πrf，a＝＝ω2r＝r＝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＝m＝mω2r＝mr
＝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＝m
解得：vmin＝．
又由机械能守恒定律有：mv下2＝mv上2＋mg·2R，可得v下≥
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≥．当v＞ 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＝m．
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＝m
当v＝0时，F＝mg，方向向上；
当0＜v＜ 时，F随v的增大而减小，方向向上；
当v＝ 时，F＝0；
当v＞ 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＝．
(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＝arctan．

(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＝arctan．
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＝G＝m＝mrω2＝mr
双星模型：G＝m1ω2r1＝m2ω2(L－r1)
其中，G＝6.67×10－11 N·m2/kg2
2．万有引力等于重力
G＝mg(物体在地球表面且忽略地球自转效应)；
G＝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＝G＝F向＝
3．宇宙速度
(1)第一宇宙速度(环绕速度)：v＝＝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＝11.2 km/s
(3)第三宇宙速度：v＝16.7 km/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)．
(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＝24 h．
(3)角速度(ω)一定
由公式ω＝知，地球同步卫星的角速度ω＝，因为T恒定，π为常数，故ω也一定． 图3－4
(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：
G＝ma，a＝．
(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G＝mω2(R＋h)得：
h＝－R＝－R≈36000 km．
(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＝＝＝3.08 km/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(　　)

A．若hA＝hB≥2R，则两小球都能沿轨道运动到最高点 图3－5
B．若hA＝hB＝，由于机械能守恒，两个小球沿轨道上升的最大高度均为
C．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，B小球在hB>2R的任何高度均可
【解析】当hB＝2R时，B小球能沿圆管运动到达最高点，且由机械能守恒定律知到达最高点时速度减为零，故当hA＝2R时，A小球到达最高点前已离开圆弧轨道；同理，当hA＝hB＝R时，B小球能恰好上升至R，A小球上升至前已离开圆弧，故选项A、B错误．
要使小球从轨道最高点飞出后恰好落在轨道右端口，在最高点的初速度应为v0＝＝
又因为A小球沿凹槽到达最高点的条件为m≥mg，即v≥，故A小球不可能从轨道最高点飞出后恰好落在轨道右端口处．
又由机械能守恒定律，A小球能到达凹槽轨道高点的条件为：
mgha≥mg·2R＋m()2
得ha≥R．故选项C错误、D正确．
[答案]　D
【点评】除了天体问题和带电粒子在匀强磁场中运动外，竖直方向的圆周运动问题是较常出现的题型．本例题较典型地包含这类问题中的动力学关系和动能关系．
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＝G
2．天体质量常用的计算公式：M＝＝
●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
【解析】卫星绕火星做圆周运动的向心力由万有引力提供，则有：G＝mr
而火星的质量M＝ρπr3
联立解得：火星的密度ρ＝
由M＝，g＝G＝r知，不能确定火星的质量、半径和其的表面引力加速度，所以C正确．
[答案]　C
【点评】历年的高考中都常见到关于星体质量(或密度)、重力加速度的计算试题，如2009年高考全国理综卷Ⅰ第19题，江苏物理卷第3题，2008年高考上海物理卷1(A)等．　　
★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．　 　B．　 　C．　 　D．
【解析】设月球表面附近的重力加速度为g0．
有：T＝2π
又由g0＝G，ρ＝
可解得ρ＝．
[答案]　B
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　2008年9月25日到28日，我国成功发射了神舟七号载人航天飞行并实现了航天员首次出舱．飞船先沿椭圆轨道飞行，后在远地点343千米处点火加速，由椭圆轨道变成高度为343千米的圆轨道，在此圆轨道上飞船运行周期约为90分钟．下列判断正确的是[2009年高考·山东理综卷](　　)
A．飞船变轨前后的机械能相等
B．飞船在圆轨道上时航天员出舱前后都处于失重状态
C．飞船在此圆轨道上运动的角速度大于同步卫星运动的角速度
D．飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时的加速度大于变轨后沿圆轨道运动的加速度
【解析】飞船点火变轨，反冲力对飞船做正功，飞船的机械能不守恒，A错误．飞船在圆形轨道上绕行时，航天员(包括飞船及其他物品)受到的万有引力恰好提供所需的向心力，处于完全失重状态，B正确．神舟七号的运行高度远低于同步卫星，由ω2∝知，C正确．由牛顿第二定律a＝＝G知，变轨前后过同一点的加速度相等．
[答案]　BC
【点评】对于这类卫星变轨的问题，特别要注意比较加速度时不能根据运动学公式a＝＝ω2r，因为变轨前后卫星在同一点的速度、轨道半径均变化，一般要通过决定式a＝来比较．
★同类拓展2　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11.2 km/s
【解析】由G＝mR可得月球的质量M＝，A正确．由于不知嫦娥一号的质量，无法求得引力，B错误．卫星在控制点1开始做近月运动，知在该点万有引力要大于所需的向心力，故知在控制点1应减速，C正确．嫦娥一号进入绕月轨道后，同时还与月球一起绕地球运行，并未脱离地球，故知发射速度小于11.2 km/s，D错误．
[答案]　AC
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＝mv2＝G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＝－G(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|＝G．
●例4　2005年10月12日，神舟六号飞船顺利升空后，在离地面340 km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
【解析】飞船的轨道高度缓慢降低，由万有引力定律知其受到的万有引力逐渐增大，向心加速度逐渐增大，又由于轨道变化的缓慢性，即在很短时间可当做匀速圆周运动，由G＝m＝mω2r＝mr知，其线速度逐渐增大，动能增大，由此可知飞船动能逐渐增大，重力势能逐渐减小，由空气阻力做负功知机械能逐渐减少．
[答案]　BD
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]
【解析】设两颗恒星的质量分别为m1、m2，做圆周运动的半径分别为r1、r2，角速度分别为ω1、ω2．根据题意有：
ω1＝ω2
r1＋r2＝r
根据万有引力定律和牛顿定律，有：
G＝m1r1ω12
G＝m2r2ω22
联立解得：r1＝
根据角速度与周期的关系知ω1＝ω2＝
联立解得：m1＋m2＝．
[答案]　
【点评】在双星系统中，当其中一星体质量远远大于另一星体时，它们的共同圆心就在大质量星球内部且趋近于球心．
3.1990年4月25日，科学家将哈勃天文望远镜送上距地球表面约600 km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6.4×106 m，利用地球同步卫星与地球表面的距离为3.6×107 m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
【解析】由开普勒行星运动定律可知，＝恒量，所以＝，其中r为地球的半径，h1，t1，h2，t2分别表示望远镜到地表的距离、望远镜的周期、同步卫星距地表的距离、同步卫星的周期(24 h)，代入解得：t1＝1.6 h．
[答案]　B
【点评】高考对星体航天问题的考查以圆周运动的动力学方程为主，具体常涉及求密度值、同步卫星的参量、变轨的能量变化等．在具体解题时要注意运用好几个常用的代换．
4．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．为了获得月球表面全貌的信息，让卫星轨道平面缓慢变化，卫星将获得的信息持续用微波信号发回地球．设地球和月球的质量分别为M和m，地球和月球的半径分别为R和R1，月球绕地球的轨道半径和卫星绕月球的轨道半径分别为r和r1，月球绕地球转动的周期为T．假定在卫星绕月运行的一个周期内卫星轨道平面与地月连心线共面，求在该周期内卫星发射的微波信号因月球遮挡而不能到达地球的时间．(用M、m、R、R1、r、r1和T表示，忽略月球绕地球转动对遮挡时间的影响)．[2008年高考·全国理综卷Ⅱ]
【解析】如图所示，设O和O′分别表示地球和月球的中心．在卫星轨道平面上，A是地月连心线OO′与地月球表面的公切线ACD的交点，D、C和B分别是该公切线与地球表面、月球表面和卫星轨道的交点．过A点在另一侧作地月球面的公切线，交卫星轨道于E点．卫星在圆弧BE上运动时发出的信号被遮挡．

设探月卫星的质量为m0，引力常量为G，根据万有引力定律有：
G＝m()2r
G＝m0()2r1(其中T1表示探月卫星绕月球转动的周期)
由以上两式可得：()2＝()3
设卫星的微波信号被遮挡的时间为t，则由于卫星绕月球做匀速圆周运动，有：
＝，其中α＝∠CO′A，β＝∠CO′B
由几何关系得：rcos α＝R－R1，r1cos β＝R1
联立解得：t＝(arccos－arccos)．
[答案]　(arccos－arccos)
【点评】航体星体问题有时在高考中也以计算题出现，解答的关键仍是做圆周运动的动力学方程．另外，还需要同学们具有丰富的想象力，描绘情境图、难图化易、化整为零等能力．

2009—2010福州格致中学高三第三学段
课堂练习1（物理）
班级 姓名 座号
一、选择题
1．在越野赛车时，一辆赛车在水平公路上减速转弯，从俯视图可以看到，赛车沿圆周由P向Q行驶．下列图中画出了赛车转弯时所受合力的四种方式，其中正确的是(　　)

2．备受关注的京沪高速铁路预计在2010年投入运营．按照设计，乘高速列车从北京到上海只需4个多小时，由于高速列车的速度快，对轨道、轨基的抗震动和抗冲击力的要求都很高．如图所示，列车转弯可以看成是做匀速圆周运动，若某弯道的半径为R，列车设计时速为v，则该弯道处铁轨内外轨的设计倾角θ应为(　　)
A．arctan B．arcsin C．arccot D．arccos
3．真空中存在竖直向上的匀强电场和水平方向的匀强磁场，一质量为m、带电荷量为q的物体以速度v在竖直平面内做半径为R的匀速圆周运动．假设t＝0时刻物体在运动轨迹的最低点且重力势能为零，电势能也为零，则下列说法正确的是(　　)

A．物体带正电且逆时针转动
B．在物体运动的过程中，机械能守恒，且机械能E＝mv2
C．在物体运动的过程中，重力势能随时间变化的关系为Ep＝mgR(1－cos t)
D．在物体运动的过程中，电势能随时间变化的关系为E电＝mgR(cos t－1)
4.2005年12月11日，有着“送子女神”之称的小行星“婚神”(Juno)冲日，在此后十多天的时间里，国内外天文爱好者凭借双筒望远镜可观测到它的“倩影”．在太阳系中除了八大行星以外，还有成千上万颗肉眼看不见的小天体，沿着椭圆轨道不停地围绕太阳公转．这些小天体就是太阳系中的小行星．冲日是观测小行星难得的机遇．此时，小行星、太阳、地球几乎成一条直线，且和地球位于太阳的同一侧．“婚神”星冲日的虚拟图如图所示，则(　　)
A．2005年12月11日，“婚神”星的线速度大于地球的线速度
B．2005年12月11日，“婚神”星的加速度小于地球的加速度
C．2006年12月11日，必将发生下一次“婚神”星冲日
D．下一次“婚神”星冲日必将在2006年12月11日之后的某天发生
5.2007年11月5日，嫦娥一号探月卫星沿地月转移轨道到达月球附近，在距月球表面200 km的P点进行第一次“刹车制动”后被月球俘获，进入椭圆轨道 Ⅰ 绕月飞行，如图所示．之后，卫星在P点经过几次“刹车制动”，最终在距月球表面200 km、周期127 min的圆形轨道 Ⅲ 上绕月球做匀速圆周运动．若已知月球的半径R月和引力常量G，忽略地球对嫦娥一号的引力作用，则由上述条件(　　)
A．可估算月球的质量
B．可估算月球表面附近的重力加速度
C．可知卫星沿轨道Ⅰ经过P点的速度小于沿轨道Ⅲ经过P点的速度
D．可知卫星沿轨道Ⅰ经过P点的加速度大于沿轨道Ⅱ经过P点的加速度
6．假设太阳系中天体的密度不变，天体的直径和天体之间的距离都缩小到原来的 ，地球绕太阳公转近似为匀速圆周运动，则下列物理量变化正确的是(　　)
A．地球绕太阳公转的向心力变为缩小前的
B．地球绕太阳公转的向心力变为缩小前的
C．地球绕太阳公转的周期与缩小前的相同
D．地球绕太阳公转的周期变为缩小前的
7．假设有一载人宇宙飞船在距地面高度为4200 km的赤道上空绕地球做匀速圆周运动，地球半径约为6400 km，地球同步卫星距地面高为36000 km，宇宙飞船和一地球同步卫星绕地球同向运动，每当两者相距最近时．宇宙飞船就向同步卫星发射信号，然后再由同步卫星将信号发送到地面接收站，某时刻两者相距最远，从此刻开始，在一昼夜的时间内，接收站共接收到信号的次数为(　　)
A．4次　 　　B．6次　　 　C．7次　 　　D．8次
8．图示为全球定位系统(GPS)．有24颗卫星分布在绕地球的6个轨道上运行，它们距地面的高度都为2万千米．已知地球同步卫星离地面的高度为3.6万千米，地球半径约为6400 km，则全球定位系统的这些卫星的运行速度约为(　　)

A．3.1 km/s B．3.9 km/s C．7.9 km/s D．11.2 km/s
9．均匀分布在地球赤道平面上空的三颗同步通信卫星够实现除地球南北极等少数地区外的全球通信．已知地球的半径为R，地球表面的重力加速度为g，地球的自转周期为T．下列关于三颗同步卫星中，任意两颗卫星间距离s的表达式中，正确的是(　　)
A．R B．2R C． D．
10．发射通信卫星的常用方法是，先用火箭将卫星送入一近地椭圆轨道运行；然后再适时开动星载火箭，将其送上与地球自转同步运行的轨道．则(　　)
A．变轨后瞬间与变轨前瞬间相比，卫星的机械能增大，动能增大
B．变轨后瞬间与变轨前瞬间相比，卫星的机械能增大，动能减小
C．变轨后卫星运行速度一定比变轨前卫星在椭圆轨道上运行时的最大速度要大
D．变轨后卫星运行速度一定比变轨前卫星在椭圆轨道上运行时的最大速度要小
11．如图所示，在水平方向的匀强电场中，一绝缘细线的一端固定在O点，另一端系一带正电的小球，小球在重力、电场力、绳子的拉力的作用下在竖直平面内做圆周运动，小球所受的电场力的大小与重力相等．比较a、b、c、d这四点，小球(　　)
A．在最高点a处的动能最小
B．在最低点c处的机械能最小
C．在水平直径右端b处的机械能最大
D．在水平直径左端d处的机械能最大
12．(11分)若宇航员完成了对火星表面的科学考察任务，乘坐返回舱返回围绕火星做圆周运动的轨道舱，如图所示． 为了安全，返回舱与轨道舱对接时，必须具有相同的速度． 已知：该过程宇航员乘坐的返回舱至少需要获得的总能量为E(可看做是返回舱的初动能)，返回舱与人的总质量为m，火星表面重力加速度为g，火星半径为R，轨道舱到火星中心的距离为r，不计火星表面大气对返回舱的阻力和火星自转的影响． 问：
(1)返回舱与轨道舱对接时，返回舱与人共具有的动能为多少？
(2)返回舱在返回轨道舱的过程中，返回舱与人共需要克服火星引力做多少功？

14．(13分)如图所示，一半径为R的光滑绝缘半球面开口向下，固定在水平面上．整个空间存在磁感应强度为B、方向竖直向下的匀强磁场．一电荷量为q(q＞0)、质量为m的小球P在球面上做水平的匀速圆周运动，圆心为O′．球心O到该圆周上任一点的连线与竖直方向的夹角为θ(0＜θ＜)．为了使小球能够在该圆周上运动，求磁感应强度B的最小值及小球P相应的速率．(已知重力加速度为g)