高一物理课件 3.2 《万有引力定律的应用》 （粤教必修2）

欢迎进入物理课堂 一 天体质量和密度的计算 1 求天体质量的思路绕中心天体运动的其他天体或卫星做匀速圆周运动 做圆周运动的天体 或卫星 的向心力由中心天体对它的万有引力提供 利用此关系建立方程求中心天体的质量 2 计算天体的质量下面以地球质量的计算为例 介绍几种计算天体质量的方法 1 若已知地球的半径R和地球表面的重力加速度g 根据物体的重力近似等于地球对物体的引力 得解得地球质量为 2 质量为m的卫星绕地球做匀速圆周运动 3 计算天体的密度若天体的半径为R 则天体的密度将代入上式得 当卫星环绕天体表面附近运动时 其轨道半径r近似等于天体半径R 则 1 计算天体的质量的方法不仅适用于地球 也适用于其他任何星体 注意方法的拓展应用 明确计算出的是中心天体的质量 2 要注意R r的区分 R指中心天体的半径 r指行星或卫星的轨道半径 若绕近地轨道运行 则有R r 典例1 2011 安徽高考 1 开普勒行星运动第三定律指出 行星绕太阳运动的椭圆轨道的半长轴a的三次方与它的公转周期T的二次方成正比 即k是一个对所有行星都相同的常量 将行星绕太阳的运动按圆周运动处理 请你推导出太阳系中该常量k的表达式 已知引力常量为G 太阳的质量为M太 2 开普勒定律不仅适用于太阳系 它对一切具有中心天体的引力系统 如地月系统 都成立 经测定月地距离为3 84 108m 月球绕地球运动的周期为2 36 106s 试计算地球的质量M地 G 6 67 10 11N m2 kg2 结果保留一位有效数字 解题指导 标准解答 1 因行星绕太阳做匀速圆周运动 于是轨道半长轴a即为轨道半径r 根据万有引力定律和牛顿第二定律有于是有即 2 在地月系统中 得解得M地 6 1024kg答案 1 2 6 1024kg 规律方法 天体质量的求解方法应用万有引力计算某个天体的质量 有两种方法 一种是知道这个天体的表面的重力加速度和半径 根据公式求解 另一种方法是若知道某个天体的一颗行星 或卫星 运动的周期T和轨道半径r 利用公式求解 变式训练 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的球体体积公式则可估算月球的 A 密度B 质量C 半径D 自转周期 解析 选A 由万有引力提供向心力有在月球表面轨道有r R 由球体体积公式联立解得月球的密度故选A 二 应用万有引力定律分析计算天体运动的问题 1 解决天体运动问题的两条思路 1 所有做圆周运动的天体 所需要的向心力都由万有引力提供 因此 向心力的大小等于万有引力的大小是我们研究天体运动建立方程的基本关系式 即 2 物体在地球 天体 表面时受到的引力等于物体的重力 即 式中的R为地球 天体 的半径 g为地球 天体 表面的重力加速度 2 解决天体问题时应注意的问题 1 在用万有引力等于向心力列式求天体的质量时 只能测出中心天体的质量 而环绕天体的质量在方程式中被消掉了 2 应用万有引力定律求解时还要注意挖掘题目中的隐含条件 如地球公转一周时间是365天 自转一周是24小时 其表面的重力加速度约为9 8m s2等 3 由可以得到 GM gR2 由于G和M 地球质量 这两个参数往往不易记住 而g和R容易记住 所以粗略计算时 一般都采用上述代换 这就避开了万有引力常量G值和地球的质量M值 方便多了 绕同一中心天体做匀速圆周运动的星体 距离中心天体越远 星体运行速度越小 运行周期越长 运行角速度越小 典例2 海王星的发现是万有引力定律应用的一个非常成功的范例 但是 在发现海王星后 人们又发现海王星的轨道与理论计算值有较大的差异 于是沿用发现海王星的方法经过多年的努力 美国的洛维尔天文台才在理论计算出的轨道附近天区内找到了质量比理论值小得多的冥王星 冥王星绕太阳运行的半径是40个天文单位 地球和太阳之间的距离为一个天文单位 求冥王星与地球绕太阳运行的线速度之比 解题指导 解答本题可按以下思路进行解答 标准解答 设太阳的质量为M 行星运行的线速度为v 行星的质量为m 行星到太阳的距离为R 根据F引 F向得有对于这两个星体GM是一样的 规律方法 应用万有引力定律解题的两个重要关系 1 基本关系 F万 F向 即 2 黄金代换 即GM gR2 互动探究 求冥王星绕太阳转动一圈大约多少年 解析 由得冥王星的公转周期答案 253年 变式备选 双选 一颗质量为m的卫星绕质量为M的行星做匀速圆周运动 则卫星的周期 A 与卫星的质量无关B 与卫星的运行角速度成正比C 与行星质量M的平方根成正比D 与卫星轨道半径的次方有关 解析 选A D 对卫星由牛顿第二定律得解得由此可知T与卫星的质量无关 与行星质量M的平方根成反比 与卫星轨道半径的次方成正比 故A D正确 C错误 由可知T与角速度成反比 B错误 三 人造卫星的特点 1 卫星绕地球的轨道 1 若是椭圆轨道 地心是椭圆的一个焦点 其运动遵循开普勒定律 2 若是圆轨道 卫星所需的向心力由地球对它的万有引力提供 由于万有引力指向地心 所以卫星圆轨道的圆心必然是地心 即卫星绕地心做匀速圆周运动 3 轨道平面 卫星的轨道平面可以跟赤道平面重合 也可以跟赤道平面垂直 也可以跟赤道平面成任意角度 轨道平面一定过地心 如图 2 人造卫星的线速度 角速度 周期 加速度与半径的关系 1 由得即v 说明卫星的运动轨道半径越大 其运行线速度就越小 2 由得即 说明卫星的运动轨道半径越大 角速度越小 3 由得即T 说明卫星运动的轨道半径越大 其运行周期越长 4 由得即a 说明卫星运动的轨道半径越大 其加速度越小 3 地球同步卫星 1 周期 角速度与地球自转周期 角速度相同 T 24h 2 轨道是确定的 地球同步卫星的运行轨道在赤道平面内 3 在赤道上空距地面高度有确定的值 由万有引力提供向心力得解得 无论哪种地球卫星 都遵守由万有引力定律决定的天体力学规律 所有人造地球卫星尽管轨道面不同 但都以地球的中心作为运动轨道的圆心 典例3 2011 北京高考 由于通讯和广播等方面的需要 许多国家发射了地球同步轨道卫星 这些卫星的 A 质量可以不同B 轨道半径可以不同C 轨道平面可以不同D 速率可以不同 解题指导 解答本题时可按以下思路分析 标准解答 选A 万有引力提供卫星的向心力解得周期环绕速度可见周期相同的情况下轨道半径必然相同 B错误 轨道半径相同必然其环绕速度相同 D错误 同步卫星相对于地面静止在赤道上空 所有的同步卫星的运行轨道都在赤道上空同一个圆轨道上 C错误 同步卫星的质量可以不同 A正确 规律方法 同步卫星及其特点相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星 同步卫星有如下特点 1 同步卫星的运行方向与地球自转方向一致 2 同步卫星的运行周期与地球自转周期相同 T 24h 3 同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度 4 要与地球同步 卫星的轨道平面必须与赤道平面平行 又由于向心力是万有引力提供的 万有引力必须在轨道平面上 所以同步卫星的轨道平面均在赤道平面上 即所有的同步卫星都在赤道的正上方 5 同步卫星高度固定不变由得也就是说 同步卫星必须定位于赤道的正上方 离地面的高度约为3 6 104km 6 同步卫星的环绕速度大小一定 设其运行速度为v 由于所以 3 1 103m s 变式训练 关于绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星 以下判断正确的是 A 同一轨道上 质量大的卫星线速度大B 同一轨道上 质量大的卫星向心加速度大C 离地面越近的卫星线速度越大D 离地面越远的卫星线速度越大 解析 选C 绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星的向心力由万有引力提供 由牛顿第二定律得 解得 故同一轨道上的卫星的线速度和向心加速度与卫星的质量无关 A B错误 由可知 离地面越近的卫星r越小 线速度越大 故C正确 D错误 四 发射速度 运行速度与宇宙速度的区别 1 发射速度 是指被发射物在离开发射装置时的初速度 要发射一颗人造地球卫星 发射速度不能小于第一宇宙速度 1 若发射速度大于7 9km s 而小于11 2km s 卫星将环绕地球做椭圆轨道运动 2 若发射速度大于等于11 2km s而小于16 7km s 卫星将环绕太阳运动 3 若发射速度大于等于16 7km s 卫星将飞出太阳系 2 运行速度 是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度 当卫星 贴着 地面运行时 运行速度等于第一宇宙速度 根据可知 人造卫星距地面越高 即r越大 运行速度越小 3 宇宙速度 三个宇宙速度分别是指发射的卫星成为近地卫星 脱离地球引力和脱离太阳引力所需要的最小地面发射速度 4 第一宇宙速度的推导设地球质量为M 卫星质量为m 卫星到地心的距离为r 卫星做匀速圆周运动的线速度为v 根据万有引力定律和牛顿第二定律得 应用近地条件r R R为地球半径 取R 6400km M 6 1024kg 则 第一宇宙速度的另一种推导 在地面附近 万有引力近似等于重力 此力提供卫星做匀速圆周运动的向心力 地球半径R 地面重力加速度g已知 由得 第一宇宙速度公式不仅适用于地球 也适用于其他任何天体 典例4 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 解题指导 解答本题时应把握以下三点 标准解答 1 设卫星的质量为m 地球的质量为M 地球表面处物体质量为m 在地球表面附近满足则GM R2g 卫星做圆周运动的向心力等于它受到的万有引力则 将 式代入 式 得到 2 结合 式卫星受到的万有引力为 由牛顿第二定律得 式联立解得答案 1 2 规律方法 计算第一宇宙速度的方法 1 应用公式计算 用于已知天体的质量M及天体的半径R的情况 2 应用公式计算 用于已知天体的半径R及天体表面的重力加速度g的情况 互动探究 1 已知地球的第一宇宙速度v1 7 9km s g 9 8m s2 则地球半径为多少 2 某卫星离地面的高度h R R为地球半径 则它的速度多大 解析 1 例题已求得第一宇宙速度的表达式求此得代入数据求得地球半径R 6 37 106m 6 37 103km 2 由得卫星的运行速度 7 9km s 5 6km s 答案 1 6 37 103km 2 5 6km s 典例 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 解题指导 解答本题应把握以下三点 标准解答 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 角速度分别是 1 2 根据题意有 1 2 r1 r2 r 根据万有引力定律和牛顿运动定律 有 联立以上各式解得 根据角速度与周期的关系知 联立 式解得答案 对物理概念理解不清导致错误 月球绕地球做匀速圆周运动 已知地球表面的重力加速度为g0 地球质量M与月球质量m之比M m 81 地球半径R0与月球半径R之比R0 R 3 6 地球与月球之间的距离r与地球的半径R0之比r R0 60 求月球表面的重力加速度g与地球表面的重力加速度g0的比值 正确解答 由得地球及月球表面的重力加速度分别为所以 易错分析 本题常见错误解法及分析如下 1 2011 宁波高一检测 双选 宇航员在围绕地球做匀速圆周运动的空间站中处于完全失重状态 下列说法正确的是 A 宇航员仍受重力的作用B 宇航员受力平衡C 宇航员所受重力等于所需的向心力D 宇航员不受重力的作用 解析 选A C 做匀速圆周运动的空间站中的宇航员 所受重力全部提供其做圆周运动的向心力 处于完全失重状态 并非宇航员不受重力作用 A C正确 B D错误 2 一名宇航员来到某一星球上 如果该星球的质量为地球的一半 它的直径也为地球的一半 那么这名宇航员在该星球上的重力是他在地球上的重力的 A 4倍B 0 5倍C 0 25倍D 2倍 解析 选D 在该星球或地球表面上万有引力约等于重力 即m相同 星球的M r均为地球的一半 他在该星球上的重力为地球上重力的2倍 D正确 3 2011 四川高考 据报道 天文学家近日发现了一颗距地球40光年的 超级地球 名为 55Cancrie 该行星绕母星 中心天体 运行的周期约为地球绕太阳运行周期的母星的体积约为太阳的60倍 假设母星与太阳密度相同 55Cancrie 与地球均做匀速圆周运动 则 55Cancrie 与地球的 A 轨道半径之比约为B 轨道半径之比约为C 向心加速度之比约为D 向心加速度之比约为 解析 选B 由公式可得通式从而判断A错B对 再由得通式可知C D错 4 双选 宇宙中两颗相距很近的恒星常常组成一个双星系统 它们以相互间的万有引力彼此提供向心力 从而使它们绕着某一共同的圆心做匀速圆周运动 若已知它们的运转周期为T 两星到某一共同圆心的距离分别为R1和R2 那么 该双星系统中两颗恒星的质量关系是 A 这两颗恒星的质量必定相等B 这两颗恒星的质量之和为C 这两颗恒星的质量之比为m1 m2 R1 R2D 必有一颗恒星的质量为 解析 选B D 对于两星有共同的周期T 由牛顿第二定律得所以两星的质量之比m1 m2 R2 R1 C错误 由上式可得D正确 A错误 B正确 故正确答案为B D 5 地球绕太阳公转的轨道半径为1 49 1011m 公转的周期是3 16 107s 太阳的质量是多少 解析 根据牛顿第二定律得 F向 ma向 m 2r 又因为F向是由万有引力提供的 所以F向 F万 由 式联立可得 1 96 1030kg 答案 1 96 1030kg Thankyou 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