【物理】万有引力与宇宙航行（课件）

第七单元

万有引力与宇宙航行

讲要点三：对天体运动的处理方法要点四：万有引力定律要点六：计算天体质量要点三：对天体运动的处理方法要点四：万有引力定律要点六：计算天体质量1.地心说:地球是宇宙的中心,并且静止不动,太阳、月亮以及其它行星围绕地球做圆周运动。

代表人物是古希腊科学家托勒密.2.日心说:太阳是宇宙的中心,并且静止不动,地球和其它行星都围绕太阳做圆周运动。日心说的代表人物是哥白尼.

1.定律内容：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.第二定律(面积定律)：从太阳到行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积.(1)行星和太阳的连线扫过的面积大的运动过程，运动时间长。

要点三：对天体运动的处理方法由于大多数行星绕太阳运动的轨道与圆十分接近，因此，可以按圆轨道处理，开普勒三定律就可以这样表述：1.行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心；2.对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速度(或线速度)不变，即行星做匀速圆周运动；

要点四：万有引力定律一、万有引力定律的概念

2.万有引力的特性

(2)相互性：两个物体间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.(3)宏观性：天体间万有引力很大，它是支配天体运动的原因.地面物体间、微观粒子间的万有引力很小，不足以影响物体的运动，故常忽略不计.3.万有引力公式的适用条件(1)两个质点间.(2)两个质量分布均匀的球体间，其中r为两个球心间的距离.(3)一个质量分布均匀的球体与球外一个质点间，r为球心到质点的距离.

(2)引力常量测定的意义卡文迪许利用扭秤装置通过改变小球的质量和距离，得到了G的数值及验证了万有引力定律的正确性.引力常量的确定使万有引力定律能够进行定量的计算，显示出真正的实用价值.二、万有引力和重力的关系

要点五：“称量”地球质量1.天体表面物体受引力问题①不考虑自转

要点六：计算天体质量

2.天体密度的计算方法

要点七：天体运动的分析与计算

要点八：宇宙航行一、人造地球卫星的运动特点1.所有卫星的轨道平面过地心.

二、同步卫星同步卫星的特点1.定轨道平面：所有地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面内.

三、宇宙速度宇宙速度是地球上满足不同要求的卫星发射速度.

(2)理解：第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度，也是卫星绕地球做匀速圆周运动的最大运行速度.

要点九：相对论时空观与牛顿力学的局限性一、相对论时空观1.19世纪,英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在,并证明了电磁波的速度等于光速C。

3.狭义相对论的两个基本假设①爱因斯坦相对性原理:在不同的参考系中,一切物理规律都是相同②)光速不变原理:真空中的光速在不同的参考系中都是相同的。

二、牛顿力学的成就和局限性1.成就:牛顿力学的基础是牛顿运动定律,牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域,包括天体力学的研究中接受了实践的检验,取得了巨大的成就。2.局限性:牛顿力学能够精确的描述宏观物体的运动规律,但对微观粒子的波粒二象性无能力,量子力学能够正确地描述微观粒子运动的规律性。3.经典力学适用范围只能用于宏观、低速(与光速相比)的情形,且只在惯性参考系中成立。【典例1】提出“日心说”的科学家是(

)A.第谷

B.牛顿

C.哥白尼【详解】提出“日心说”的科学家是哥白尼，C正确。故选C。√变式1-1、在物理学建立、发展的过程中，许多物理学家的科学发现推动了人类历史的进步。关于科学家和他们的贡献，下列说法中正确的是(

)

√

变式1-2、在万有引力定律理论建立的过程中，有许多伟大的科学家做出了贡献。关于科学家和他们的贡献，下列说法中正确的是(

)A.牛顿进行了“月一地检验”，从而测出了地球与月球中心的距离B.牛顿第一、第二、第三定律都可以用实验直接验证C.开普勒通过研究行星观测记录，得出在相等时间内，地球与太阳的连线和火星与太阳的连线扫过的面积相等的结论D.牛顿在万有引力定律的发现过程中，用到了“牛顿第二定律”、“力的作用是相互的"等理论作为推理依据√

【典例2】下列表述符合开普勒行星运动定律的是(

)A.地球是宇宙的中心

B.行星绕太阳运动的轨道是圆C.行星绕太阳运动的轨道是椭圆

D.行星与太阳间距离保持不变【详解】根据开普勒第一定律，所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上，所以行星与太阳的距离会改变。故选C。√变式2-1、如图为北半球二十四个节气时地球在公转轨道上位置的示意图，其中冬至时地球离太阳最近。地球公转线速度最大的节气是(

)A.春分

B.夏至

C.秋分

D.冬至【详解】根据开普勒第二定律，地球在近日点运动速度最大，故地球公转线速度最大的节气是冬至。故选D。√

√

【典例3】下列万有引力公式中，正确的是(

)

√

√

√

√

√

√

√

√

变式5-2、中子星是一种密度很大的特殊天体。若某中子星恰好能维持不解体，其自转的周期为T，已知引力常量为G，则中子星的平均密度为(

)

√

√

√

变式6-2、2022年3月24日，国家航天局发布了由“天问一号”环绕器近期拍摄到的巡视区高分辨率影像，以及“祝融号”火星车自拍照等多张最新火星影像图，如图所示。假设地球和火星均为质量分布均

√

【典例7】载人飞船的发射速度需大于地球的(

)A.第一宇宙速度

B.第二宇宙速度

C.第三宇宙速度【详解】载人飞船没有脱离地球的束缚，发射后成为地球的卫星，可知，载人飞船的发射速度需大于地球的第一宇宙速度。故选A。√变式7-1、美国历史上最大、最先进的火星探测器毅力号于2021年2月19日在火星着陆，随即送回火星地表的照片，迈出了人类探寻火星上是否存在过生命的任务的第一步。关于火星探测卫星的发射速度，下列说法正确的是(

)

√变式7-2、关于宇宙速度，下列说法正确的是(

)A.同步卫星绕地球运行的速度小于第一宇宙速度B.中国空间站绕地球运行的速度大于第一宇宙速度C.第二宇宙速度是指飞行器脱离太阳的束缚，飞出太阳系的速度D.第三宇宙速度是指飞行器脱离地球的束缚，绕太阳运行的速度√

√

√

√

【典例9】关于近地卫星、同步卫星、赤道上的物体，以下说法正确的是(

)A.都是万有引力等于向心力B.赤道上的物体和同步卫星的周期、线速度大小、角速度都相等C.赤道上的物体和近地卫星的线速度大小、周期都不相同D.同步卫星的周期等于近地卫星的周期√

√

本题选错误的，故选D。

√

√

√

变式10-2、2023年1月9日天文学家发现有史以来距离最近的两个黑洞，相距750光年，设质量大的为A，质量小的为B，它们在彼此之间的引力作用下互相环绕，周期相等，如图所示，不考虑其它力对它们的作用，下列说法正确的是(

)A.A、B圆周运动半径之比等于它们质量之比B.A、B的速度之比等于它们质量之比C.若A、B的间距增大，则周期减小D.若A、B因吞噬物质质量都增大而其中心间距不变，则它们的角速度增大√

【典例11】在狭义相对论中，下列说法中正确的是(

)A.经典物理学可视为相对论在低速运动时的特例B.真空中光速在不同的惯性参考系中是不相同的C.在高速运动情况下，惯性参考系中的物理规律不一定相同D.狭义相对论全面否定了经典物理学√

变式11-1、下列物理情景中，

经典的牛顿力学不再适用的是(

)A.电子以接近光的速度运动B.射击场上，从枪膛射出的子弹C.在武汉大学校园观赏樱花的游客D.体育课上，

被小明同学抛出的篮球【详解】经典的牛顿力学适用于宏观、低速(远小于光速)运动的物体，可知经典的牛顿力学不再适用的是：电子以接近光