高中物理（新人教必修二）：第六章《万有引力与航天》

欢迎进入物理课堂 第六章万有引力定律单元复习课件 一 行星的运动 二 万有引力定律内容及应用 三 人造卫星及宇宙速度 本章知识结构 开普勒第一定律 轨道定律 开普勒第二定律 面积定律 开普勒第三定律 周期定律 2 开普勒三定律 一 行星的运动 1 地心说和日心说 一 行星的运动 1 地心说和日心说 开普勒第一定律 轨道定律 所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆 太阳处在所有椭圆的一个焦点上 2 开普勒三定律 一 行星的运动 1 地心说和日心说 开普勒第一定律 轨道定律 开普勒第二定律 面积定律 对于每一个行星而言 太阳和行星的联线在相等的时间内扫过相等的面积 2 开普勒三定律 一 行星的运动 1 地心说和日心说 开普勒第一定律 轨道定律 开普勒第二定律 面积定律 2 开普勒三定律 开普勒第三定律 周期定律 所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等 例 有两个人造地球卫星 它们绕地球运转的轨道半径之比是1 2 则它们绕地球运转的周期之比为 二 万有引力定律内容 1 内容 宇宙间的一切物体都是相互吸引的 两个物体间的引力大小与它们的质量的乘积成正比 跟它们距离的平方成反比 万有引力 3 引力常量 G 6 67 10 11Nm2 kg2 数值上等于两个质量均为1kg的物体相距1米时它们之间的相互吸引力 2 公式 F Gm1m2 r2 二 万有引力定律内容 4 万有引力的适用条件 3 若物体不能视为质点 则可把每一个物体视为若干个质点的集合 然后按定律求出各质点间的引力 再按矢量法求它们的合力 1 适用于质点 2 当两物体是质量分布均匀的球体时 式中r指两球心间的距离 5 万有引力的特征 1 普遍性 普遍存在于宇宙中的任何有质量的物体间的吸引力 是自然界的基本相互作用之一 5 万有引力的特征 2 相互性 两个物体相互作用的引力是一对作用力和反作用力 符合牛顿第三定律 5 万有引力的特征 3 宏观性 通常情况下 万有引力非常小 只有在质量巨大的天体间或天体与物体间它的存在才有宏观的实际意义 6 引力常量G的测定方法及意义 卡文迪许扭称实验 其意义是用实验证明了万有引力的存在 使得万有引力定律有了真正的使用价值 推动了天文学的发展 7 万有引力与重力 O O1 忽略地球自转可得 GMm R2 mg 例 设地球的质量为M 赤道半径R 自转周期T 则地球赤道上质量为m的物体所受重力的大小为 式中G为万有引力恒量 GMm R2 4 2mR T2 7 万有引力定律的应用 1 天上 万有引力提供向心力 2 地上 万有引力近似等于重力 应用 重要的近似 3 有用结论 注意 在本章的公式运用上 应特别注意字母的规范 大小写问题 应区分中心天体 环绕天体 球体半径 轨道半径等问题 4 估算天体的质量和密度 解题思路 1 一般只能求出中心天体质量及密度 2 应知道球体体积公式及密度公式 3 注意黄金代换式的运用 4 注意隐含条件的使用 比如近地飞行等 没有环绕天体可假设 例 安徽春招 地核的体积约为整个地球体积的16 地核的质量约为地球质量的34 经估算 地核的平均密度为 取两位有效数字 R地 6 4 106m G 6 7 10 11N m2 Kg2 例题 例 全国高考题 已知地球半径约为6 4 106m 又知月球绕地球的运动可近似看作匀速圆周运动 则可估算出月球到地心的距离约为 m 结果保留一位有效数字 提示 T月 30天 r 4 108m 例 北京春招 两个星球组成双星 它们在相互之间的万有引力作用下 绕连线上某点作周期相同的匀速圆周运动 现测得两星中心距离为R 其运动周期为T 求两星的总质量 例 全国理综 中子星是恒星演化过程的一种可能结果 它的密度很大 现有一中子星 观测到它的自转周期为T 1 30s 问该中子星的最小密度应是多少才能维持该星体的稳定 不致因自转而瓦解 计算时星体可视为均匀球体 G 6 67 10 11m3 Kg s2 例 宇航员站在一星球表面上的某高处 以初速度V0沿水平方向抛出一个小球 经过时间t 球落到星球表面 小球落地时的速度大小为V 已知该星球的半径为R 引力常量为G 求该星球的质量M 解 小球做平抛运动如图 则有 设该星球某近地卫星质量为m 其重力近似等于万有引力 由以上两式得该星球的质量 例 全国高考 宇航员站在一星球表面上的某高处 沿水平方向抛出一小球经时间t 小球落到星球表面 测得抛出点与落地点的距离为L 若抛出时的初速度增大到2倍 则抛出点与落地点之间的距离为 3L 已知两落地点在同一平面上 该星球的半径为R 万有引力常量为G 求该星球的质量M 人造卫星 三 人造卫星及宇宙速度 1 人造卫星 在地球上抛出的物体 当它的速度足够大时 物体就永远不会落到地面上 它将围绕地球旋转 成为一颗绕地球运动的人造地球卫星 简称人造卫星 三 人造卫星及宇宙速度 2 人造卫星的运动规律 人造卫星运动近似看做匀速圆周运动 卫星运动所需要的向心力就是它所受的万有引力 即 万有引力提供向心力 三 人造卫星及宇宙速度 3 人造卫星的运动规律推导 由 4 半径与线速度 角速度 周期 向心加速度的关系 例 两颗人造卫星A B绕地球作圆周运动 周期之比为TA TB 1 8 则轨道半径之比和运动速率之比分别为 RA RB 1 4 VA VB 2 1 5 宇宙速度 1 第一宇宙速度 V 7 9km s 2 推导 所以第一宇宙速度又叫最小发射速度 最大环绕速度 第一宇宙速度 V1 7 9km s 地面附近 匀速圆周运动 V1 7 9km s 如果人造地球卫星进入地面附近的轨道速度大于7 9km s 而小于11 2km s 它绕地球运动的轨迹是椭圆 3 第二宇宙速度 当物体的速度大于或等于11 2km s时 卫星就会脱离地球的引力 不在绕地球运行 我们把这个速度叫第二宇宙速度 达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力 4 第三宇宙速度 如果物体的速度等于或大于16 7km s 物体就摆脱了太阳引力的束缚 飞到太阳系以外的宇宙空间去 我们把这个速度叫第三宇宙速度 三 同步卫星 通讯卫星 1 特点 同步卫星 四 同步卫星 通讯卫星 定周期 频率 转速 与地球自转的周期相同 即T 24h 定高度 到地面的距离相同 即h 3 6 107m 1 特点 同步卫星 定在赤道的正上方某点 相对于地球静止 定线速度大小 即V 3 0 103m s 定角速度 与地球自转的角速度大小 定向心加速度大小 不同点 由于各国发射的同步卫星质量一般不同 所以它们受到的向心力的大小一般不同 卫星的几个疑难问题解析 1 卫星绕地球运动的向心加速度和物体随地球自转的向心加速度 2 环绕速度与发射速度 3 卫星的超重和失重 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全