高考物理二轮复习 专题5 万有引力与航天课件.ppt

1 专题5万有引力与航天 考点19万有引力定律及其应用 考点20人造卫星 考点21卫星的变轨 对接与追赶问题 考点22宇宙中的双星系统 2 考点19万有引力定律及其应用 3 4 2 万有引力定律的延伸 挖补法有些时候 题目中给出的整体不是均匀球体 其中缺少了某一规则形状部分 这时可用 挖补法 构成均匀球体后再进行计算 如图 阴影区域是球体挖去一个小圆球后的剩余部分 求这部分对质点P的引力时 应用 挖补法 先将挖去的球补上 然后分别计算出补后的大球和挖去的小球对质点P的引力 最后再求二者之差就是阴影部分对质点P的引力 5 6 考点19万有引力定律及其应用 7 考点19万有引力定律及其应用 8 其中g星表示该星球表面处的重力加速度 G表示引力常量 M表示该星球的质量 R表示该星球的半径 将上面的表达式做一下变形 可得到黄金代换式GM g星R2 2 计算距星球表面h高度处的重力加速度g将随离地面高度的增加而减小 因为物体所受万有引力随物体离地面高度的增加而减小 在距地球表面h高度处 g 此式不仅适用于地球 也适用于其他星球 在星球表面附近 即h 0处 得g星 将表达式做一下变形 也就是常说的黄金代换式GM g星R2 考点19万有引力定律及其应用 9 3 计算星球地壳内一定深度处的重力加速度在星球地壳内一定深度处时 外部的均匀球壳对该处物体的万有引力可以看做零 解决此类问题 忽略球壳影响 解答步骤同 1 确定M和R 得出计算式 M表示该星球的有效质量 去掉球壳的质量 R表示有效质量星球中心到该物体几何中心的距离 2 计算星球质量首先要将天体看做质点 将环绕天体的运动看做匀速圆周运动 建立环绕天体围绕中心天体的模型 环绕天体所需要的向心力来自于中心天体和环绕天体之间的万有引力 然后结合向心力公式列方程 即求中心天体的质量分类讨论如下 考点19万有引力定律及其应用 10 1 环绕法此模型特征 未知质量的天体外有一颗环绕该天体的行星 或卫星 而且要知道环绕半径r和一个运动参量 如v T中的一个 当然环绕半径能根据已知求出也可以 如同时已知v和 可根据求出r 已知环绕天体的公转周期T和轨道半径r 已知环绕天体的线速度v和轨道半径r 已知环绕天体的角速度 和轨道半径r 已知环绕天体的线速度v和公转周期T 考点19万有引力定律及其应用 11 2 称量法此模型特征 自建一个行星表面物体受行星引力模型 取行星表面的任意一个物体m0 忽略行星M自转影响 认为万有引力等于物体所受重力 即可解出行星质量 考点19万有引力定律及其应用 12 3 计算星球密度无论哪种计算星球质量的方法 只要计算出星球质量 根据即可求得星球密度 1 若已知天体的半径R 则天体的密度 关键点拨 若天体的卫星环绕天体表面运动的轨道半径r等于天体半径R 则天体密度 2 若已知天体表面的重力加速度g及天体半径R 则天体的密度 考点19万有引力定律及其应用 返回专题首页 13 考点20人造卫星 14 15 考法3近地轨道卫星的相关物理量 1 人造卫星运动参量人造卫星的三个运动参量仅与轨道半径有关 在特定的轨道上 其运动时v T均为定值 而且这三个参量只要一个确定 其余两个也一定确定 一个发生变化 其余两个一定也发生变化 其制约关系为 考点20人造卫星 16 2 近地轨道卫星近地轨道卫星是卫星的一种 特殊的是轨道半径近似等于地球半径 也可推出卫星所受万有引力约等于物体的重力 即 忽略行星自转对重力的影响 所以近地卫星的线速度为 角速度为 加速度为a g 要比普通卫星的这些物理量的表达式简单 我们要注意对比和理解它们的相同之处和不同之处 考法4同步卫星的运行问题 所谓地球同步卫星 指与地球同步运转的卫星 从地面上看 它总在某地的正上方 好像静止地悬挂在空中 因此叫同步卫星 同步卫星有以下五个一定 1 轨道平面一定 轨道平面与赤道面共面 考点20人造卫星 2 周期一定 与地球自转周期相同 即T 24h 3 角速度一定 与地球自转的角速度相同 4 高度一定 离地面的高度 即h 35800km 5 速率一定 17 返回专题首页 考点20人造卫星 18 考点21卫星的变轨 对接与追赶问题 考法5卫星的变轨与对接 绕地球做匀速圆周运动的人造卫星所需向心力由万有引力提供 轨道半径r确定后 与之对应的卫星的线速度 周期 向心加速度也都是唯一确定的 如果卫星的质量是确定的 那么卫星的动能Ek 重力势能Ep和总机械能E机也是唯一确定的 一旦卫星的轨道半径r发生变化 上述所有物理量都将随之变化 这就是卫星变轨与对接问题 解决此类问题 一要清楚卫星的变轨过程 二要能应用万有引力知识分析出各物理量如何变化 19 考点21卫星的变轨 对接与追赶问题 20 在B点速度 动能 关系 由于点火 消耗了燃料的化学能 所以卫星在轨道2上过B点时的动能EkB2大于在轨道1上过B点时的动能EkB1 速度关系是vB2 vB1 B点加速度关系 卫星在不同轨道1 2上经过同一点B 由可知 所受的合外力是一样大的 由牛顿第二定律可知 加速度一样大 即aB2 aB1 机械能关系 在轨道2上 由近地点向远地点运动过程中 引力势能增大 动能减小 而全过程只有引力做功 所以机械能守恒 如果做匀速圆周运动的卫星由于受到宇宙尘埃阻碍 轨道半径缓慢变小 卫星每一周期的运动仍可看成匀速圆周运动 要明确 这种 变轨 实际还是近心运动 引力与阻力的合力做正功 卫星线速度增大 动能增大 势能减小 周期变小 向心加速度增大 尘埃阻力做负功 机械能减小 考点21卫星的变轨 对接与追赶问题 21 2 对接航天器与宇宙空间站的 对接 实际上就是两个做匀速圆周运动的物体追赶问题 本质仍然是卫星的变轨运行问题 要使航天飞机与宇宙空间站成功 对接 必须让航天飞机在较低轨道上加速 通过速度v的增大 所需向心力增大 卫星做离心运动 轨道半径r增大 升高轨道的系列变速 从而完成航天飞机与宇宙空间站的成功对接 发射同步卫星方法有点不同 如图所示 其过程为三步 先从近地轨道1上Q点点火加速 进入轨道2 再在P点再次点火加速 进入同步轨道3 考点21卫星的变轨 对接与追赶问题 22 返回专题首页 考点21卫星的变轨 对接与追赶问题 23 考点22宇宙中的双星系统 考法7宇宙中的双星系统问题 1 宇宙中的双星系统在宇宙中有这样的一些特殊现象 两颗靠得很近的天体一般指恒星 它们绕其连线上的某点做匀速圆周运动 把这样的两颗星称为双星系统 简称双星 在物理习题中 将由两个天体的万有引力提供向心力的天体系统视为双星系统 其特点是双星运动的周期和角速度相等 这两颗星必须各自以一定的速度绕某一中心转动 才不至于因万有引力作用吸在一起 24 考点22宇宙中的双星系统