高中物理4.4《万有引力与航天》课件（教科版必修1）

欢迎进入物理课堂 第4讲万有引力与航天 考点1万有引力定律 1 内容 任何两个物体之间都存在相互作用的引力 引力的大小与这两个物体的质量的乘积 与这两个物体之间的距离的平方 2 公式 F 其中G为引力常量 G 6 67 10 11N m2 kg2 由卡文迪许扭秤实验测定 成正比 成反比 3 适用条件 两个 的相互作用 1 质量分布均匀的球体间的相互作用 也可用本定律来计算 其中r为 2 一个质量分布均匀的球体和球外一个质点之间的万有引力也适用 其中r为 质点之间 两球心间的距离 质点到球心间的距离 1 解决天体圆周运动问题的两条思路 1 在中心天体表面或附近而又不涉及中心天体自转运动时 万有引力等于重力 即 mg 整理得GM gR2 称为黄金代换 g表示天体表面的重力加速度 2 天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力 即 2 天体质量和密度的计算 1 估算中心天体的质量 从环绕天体出发 通过观测环绕天体运动的周期T和轨道半径r 就可以求出中心天体的质量M 从中心天体本身出发 只要知道中心天体表面的重力加速度g和半径R 就可以求出中心天体的质量M 2 估算中心天体的密度 测出卫星绕天体做匀速圆周运动的半径r和周期T 由得 R0为天体的半径 若卫星绕中心天体表面运行时 轨道半径r R0 则有 有一宇宙飞船到了某行星的表面附近 该行星没有自转运动 以速度v绕行星表面匀速飞行 测出运动的周期为T 已知引力常量为G 则可得 A 该行星的半径为B 该行星的平均密度为C 无法测出该行星的质量D 该行星表面的重力加速度为 解析 选A B D 由T 可得 R A正确 由可得 M C错误 由M R3 得 B正确 由 mg得 g D正确 考点2三种宇宙速度 宇宙速度 数值 km s 1 意义 第一宇宙速度 环绕速度 第二宇宙速度 脱离速度 第三宇宙速度 逃逸速度 7 9 11 2 16 7 是人造地球卫星的最小 速度 也是人造地球卫星绕地球做圆周运动的 速度 使物体挣脱 引力束缚的最小发射速度 使物体挣脱 引力束缚的最小发射速度 发射 最大环绕 地球 太阳 1 卫星的线速度 角速度 周期与轨道半径的关系做匀速圆周运动的卫星所受万有引力完全提供所需向心力 即由可推导出 当r增大时 2 卫星的变轨问题当卫星由于某种原因速度突然改变时 开启或关闭发动机或空气阻力作用 万有引力不再等于向心力 卫星将做变轨运行 1 当卫星的速度突然增加时 即万有引力不足以提供向心力 卫星将做离心运动 脱离原来的圆轨道 轨道半径变大 当卫星进入新的轨道稳定运行时由v 可知其运行速度比原轨道时减小 2 当卫星的速度突然减小时 即万有引力大于所需要的向心力 卫星将做近心运动 脱离原来的圆轨道 轨道半径变小 当卫星进入新的轨道稳定运行时由v 可知其运行速度比原轨道时增大 卫星的发射和回收就是利用这一原理 3 地球同步卫星的特点 1 轨道平面一定 轨道平面和赤道平面重合 2 周期一定 与地球自转周期相同 即T 24h 86400s 3 角速度一定 与地球自转的角速度相同 4 高度一定 据卫星离地面高度h r R 6R 为恒量 5 绕行方向一定 与地球自转的方向一致 4 极地卫星和近地卫星 1 极地卫星运行时每圈都经过南北两极 由于地球自转 极地卫星可以实现全球覆盖 2 近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星 其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径 其运行线速度约为7 9km s 3 两种卫星的轨道平面一定通过地球的球心 我国数据中继卫星 天链一号01星 在西昌卫星发射中心发射升空 经过4次变轨控制后 成功定点在东经77 赤道上空的同步轨道 关于成功定点后的 天链一号01星 下列说法正确的是 A 运行速度大于7 9km sB 离地面高度一定 相对地面静止C 绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大D 向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等 解析 选B C 由万有引力提供向心力得 即线速度v随轨道半径r的增大而减小 v 7 9km s为第一宇宙速度即围绕地球表面运行的速度 因同步卫星轨道半径比地球半径大很多 因此其线速度应小于7 9km s 故A错 因同步卫星与地球自转同步 即T 相同 故其相对地面静止 由公式因G M R均为 定值 故h一定为定值 B对 因同步卫星周期T同 24小时 月球绕地球转动周期T月 30天 即T同 月 故C对 同步卫星与静止在赤道上的物体具有共同的角速度 由公式a向 r 2 可得 因轨道半径不同 故其向心加速度不同 D错误 天体质量和密度的估算 例证1 2011 福建高考 嫦娥二号 是我国月球探测第二期工程的先导星 若测得 嫦娥二号 在月球 可视为密度均匀的球体 表面附近圆形轨道运行的周期T 已知引力常量为G 半径为R的球体体积公式V 则可估算月球的 A 密度B 质量C 半径D 自转周期 解题指南 解答本题时可按以下思路分析 1 利用万有引力提供向心力列式 2 结合隐含条件r R和球体体积公式联立求解 自主解答 选A 由万有引力提供向心力有在月球表面轨道有r R 由球体体积公式V 联立解得月球的密度 故选A 总结提升 中心天体的质量和密度的估算方法 1 测出中心天体表面的重力加速度g 估算天体质量 mg进而求得 2 利用环绕天体的轨道半径r 周期T 估算天体质量 若环绕天体绕中心天体表面做匀速圆周运动时 轨道半径r R 则 变式训练 2011 江苏高考 一行星绕恒星做圆周运动 由天文观测可得 其运行周期为T 速度为v 引力常量为G 则 A 恒星的质量为B 行星的质量为C 行星运动的轨道半径为D 行星运动的加速度为 解析 选A C D 根据周期公式T 可得r C对 根据向心加速度公式a v D对 根据万有引力提供向心力可得M A对 B错 人造卫星问题的规范求解 例证2 12分 已知地球半径为R 地球表面重力加速度为g 不考虑地球自转的影响 1 推导第一宇宙速度v1的表达式 2 若卫星绕地球做匀速圆周运动 运行轨道距离地面高度为h 求卫星的运行周期T 解题指南 解答本题时应注意理解以下两点 1 第一宇宙速度 的含义即轨道半径r与地球半径R相等 2 地球卫星的周期 线速度 向心加速度均由轨道半径决定 规范解答 1 设卫星的质量为m 地球的质量为M在地球表面附近满足 mg 2分 卫星做圆周运动的向心力等于它受到的万有引力 2分 联立 式解得v1 2分 2 考虑 式 卫星受到的万有引力为F 2分 由牛顿第二定律F 2分 联立 式解得T 2分 答案 1 2 互动探究 在 例证2 中 若题干中再加上 已知月球的半径为R0 月球表面重力加速度为g0 不考虑月球自转的影响 则月球的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度之比为多少 解析 设卫星的质量为m 月球的质量为M0在月球表面附近 由牛顿第二定律有得GM0 R02g0 卫星做圆周运动 由牛顿第二定律有 联立 式得到v月 同理可得v地 故答案 总结提升 人造卫星问题的解题技巧 1 利用万有引力提供向心力的不同表述形式 2 解决力与运动关系的思想还是动力学思想 解决力与运动的关系的桥梁还是牛顿第二定律 卫星的a v T是相互联系的 其中一个量发生变化 其他各量也随之发生变化 a v T均与卫星的质量无关 只由轨道半径r和中心天体质量共同决定 变式备选 2011 天津高考 质量为m的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行 其运动视为匀速圆周运动 已知月球质量为M 月球半径为R 月球表面重力加速度为g 引力常量为G 不考虑月球自转的影响 则航天器的 A 线速度v B 角速度 C 运行周期T D 向心加速度a 解析 选A C 月球对探月航天器的万有引力提供探月航天器在月球附近做匀速圆周运动所需要的向心力 根据牛顿第二定律列方程得 mR 2 ma 则探月航天器的线速度为v 选项A正确 其加速度a 选项D错误 又知 在月球附近满足 mg 因此探月航天器的角速度 其周期为T 选项B错误 而选项C正确 卫星变轨问题 例证3 北京航天飞行控制中心对 嫦娥一号 卫星实施多次变轨控制并获得成功 首次变轨是在卫星运行到远地点时实施的 紧随其后进行的3次变轨均在近地点实施 嫦娥一号 卫星的首次变轨之所以选择在远地点实施 是为了抬高卫星近地点的轨道高度 同样的道理 要抬高远地点的高度就需要在近地点实施变轨 如图为 嫦娥一号 某次在近地点A由轨道1变轨为轨道2的示意图 下列说法中正确的是 A 嫦娥一号 在轨道1的A点处应点火加速B 嫦娥一号 在轨道1的A点处的速度比轨道2的A点处的速度大C 嫦娥一号 在轨道1的A点处的加速度比在轨道2的A点处的加速度大D 嫦娥一号 在轨道1的B点处的机械能比在轨道2的C点处的机械能大 解题指南 解答本题可按以下思路进行分析和判断 1 要增大卫星的轨道半径时必须加速 2 卫星的机械能随轨道半径的增大而增大 自主解答 选A 卫星要由轨道1变轨为轨道2在A处需做离心运动 应加速使其做圆周运动所需向心力大于地球所能提供的万有引力 故A项正确 B项错误 由 ma可知 卫星在不同轨道同一点处的加速度大小相等 C项错误 卫星由轨道1变轨到轨道2 反冲发动机的推力对卫星做正功 卫星的机械能增加 所以卫星在轨道1的B点处的机械能比在轨道2的C点处的机械能小 D项错误 总结提升 卫星变轨时半径的变化 根据万有引力和所需向心力的大小关系判断 稳定在新轨道上的运行速度变化由v 判断 对易错选项及错误原因具体分析如下 变式训练 如图所示 是某次发射人造卫星的示意图 人造卫星先在近地圆周轨道1上运动 然后改在椭圆轨道2上运动 最后在圆周轨道3上运动 a点是轨道1 2的交点 b点是轨道2 3的交点 人造卫星在轨道1上的速度为v1 在轨道2上a点的速度为v2a 在轨道2上b点的速度为v2b 在轨道3上的速度为v3 则以上各速度的大小关系是 A v1 v2a v2b v3B v1 v2a v2b v3C v2a v1 v3 v2bD v2a v1 v2b v3 解析 选C 在a点 由轨道1变到轨道2 是离心运动 这说明F供 F需 而F需 因此是加速运动 故v2a v1 在b点 由轨道2变到轨道3 还是离心运动 同理 是加速运动 故v3 v2b 由v 知v1 v3 所以v2a v1 v3 v2b C正确 例证 两颗卫星在同一轨道平面内绕地球做匀速圆周运动 地球半径为R 地球的质量为M a卫星离地面的高度等于R b卫星离地面高度为3R 则 1 a b两卫星运行周期之比Ta Tb是多少 2 若某时刻两卫星正好同时通过地面同一点正上方 则a至少经过多少个周期与b相距最远 规范解答 1 对做匀速圆周运动的卫星使用向心力公式可得 T 所以Ta Tb 2 由 可知 a b 即a转动得更快 设经过时间t两卫星相距最远 则由图可得 a b 2n 1 n 1 2 3 其中n 1时对应的时间最短 而 t 所以得t 答案 1 1 2 2 1 火星的质量和半径分别约为地球的 地球表面的重力加速度为g地 则火星表面的重力加速度约为 A 0 2g地B 0 4g地C 2 5g地D 5g地 解析 选B 在星球表面有 mg 故火星表面的重力加速度与地球表面的重力加速度之比为 0 4 故B正确 2 关于地球的第一宇宙速度 下列表述正确的是 A 第一宇宙速度又叫环绕速度B 第一宇宙速度又叫脱离速度C 第一宇宙速度跟地球的质量无关D 第一宇宙速度跟地球的半径无关 解析 选A 第一宇宙速度又叫环绕速度 A对 B错 万有引力提供向心力 由可知第一宇宙速度与地球的质量和半径有关 C D错 3 2011 山东高考 甲 乙为两颗地球卫星 其中甲为地球同步卫星 乙的运行高度低于甲的运行高度 两卫星轨道均可视为圆轨道 以下判断正确的是 A 甲的周期大于乙的周期B 乙的速度大于第一宇宙速度C 甲的加速度小于乙的加速度D 甲在运行时能经过北极的正上方 解析 选A C 由题意知甲卫星的轨道半径比乙大 由万有引力提供向心力可得得出周期和轨道半径的关系T 轨道半径越大 卫星周期越长 可得出A选项正确 又由万有引力充当向心力的另一个表达式可得线速度和轨道半径的关系v 轨道半径越大 线速度越小 可得出B项错误 又由 ma 得a 故轨道半径越大 向心加速度越小 可得出C项正确 地球同步卫星的轨道应在赤道正上方 不可能经过北极 D项错误 4 宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一小球 经过时间t小球落回原处 若他在某星球表面以相同的初速度竖直上抛同一小球 需经过时间5t小球落回原地 取地球表面重力加速度g地 10m s2 阻力不计 1 求该星球表面附近的重力加速度g 2 已知该星球的半径与地球半径之比为R星 R地 1 4 求该星球的质量与地球质量之比M星 M地 解析 1 设竖直上抛初速度为v0 则v0 故g g地 2m s2 2 设小球质量为m 答案 1 2m s2 2 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