2018-2019学年高中物理第六章万有引力与航天4万有引力理论的成就学案新人教版必修.docx

4万有引力理论的成就学习目标1.了解万有引力定律在天文学上的重要应用.2.了解“称量地球质量”“计算太阳质量”的基本思路，会用万有引力定律计算天体的质量.3.理解运用万有引力定律处理天体运动问题的思路和方法.一、计算天体的质量1.称量地球的质量(1)思路：地球表面的物体，若不考虑地球自转，物体的重力等于地球对物体的万有引力.(2)关系式：mgG.(3)结果：M，只要知道g、R、G的值，就可计算出地球的质量.2.太阳质量的计算(1)思路：质量为m的行星绕太阳做匀速圆周运动时，行星与太阳间的万有引力充当向心力.(2)关系式：mr.(3)结论：M，只要知道行星绕太阳运动的周期T和半径r就可以计算出太阳的质量.(4)推广：若已知卫星绕行星运动的周期T和卫星与行星之间的距离r，可计算行星的质量M.二、发现未知天体1.海王星的发现：英国剑桥大学的学生亚当斯和法国年轻的天文学家勒维耶根据天王星的观测资料，利用万有引力定律计算出天王星外“新”行星的轨道.1846年9月23日，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星海王星.2.其他天体的发现：近100年来，人们在海王星的轨道之外又发现了冥王星、阋神星等几个较大的天体.1.判断下列说法的正误.(1)地球表面的物体的重力必然等于地球对它的万有引力.()(2)若只知道某行星的自转周期和行星绕太阳做圆周运动的半径，则可以求出太阳的质量.()(3)已知地球绕太阳转动的周期和轨道半径，可以求出地球的质量.()(4)海王星是依据万有引力定律计算的轨道而发现的.()(5)牛顿根据万有引力定律计算出了海王星的轨道.()(6)海王星的发现表明了万有引力理论在太阳系内的正确性.()2.已知引力常量G6.671011Nm2/kg2，重力加速度g9.8 m/s2，地球半径R6.4106m，则可知地球的质量约为()A.21018kgB.21020kgC.61022kgD.61024kg答案D【考点】计算天体的质量【题点】已知重力加速度求质量一、天体质量和密度的计算1.卡文迪许在实验室测出了引力常量G的值，他称自己是“可以称量地球质量的人”.(1)他“称量”的依据是什么？(2)若还已知地球表面重力加速度g，地球半径R，求地球的质量和密度.答案(1)若忽略地球自转的影响，在地球表面上物体受到的重力等于地球对物体的万有引力.(2)由mgG得，M.2.如果知道地球绕太阳的公转周期T和它与太阳的距离r，能求出太阳的质量吗？若要求太阳的密度，还需要哪些量？答案由m地r知M太，可以求出太阳的质量.由密度公式可知，若要求太阳的密度还需要知道太阳的半径.天体质量和密度的计算方法重力加速度法环绕法情景已知天体(如地球)的半径R和天体(如地球)表面的重力加速度g行星或卫星绕中心天体做匀速圆周运动思路物体在表面的重力近似等于天体(如地球)与物体间的万有引力：mgG行星或卫星受到的万有引力充当向心力：Gm()2r(Gm或Gm2r)天体质量天体(如地球)质量：M中心天体质量：M(M或M)天体密度(以T为例)说明利用mg求M是忽略了天体自转，且g为天体表面的重力加速度由F引F向求M，求得的是中心天体的质量，而不是做圆周运动的天体质量例1假设在半径为R的某天体上发射一颗该天体的卫星.若它贴近该天体的表面做匀速圆周运动的周期为T1，已知引力常量为G，忽略该天体的自转.(1)则该天体的密度是多少？(2)若这颗卫星距该天体表面的高度为h，测得卫星在该处做圆周运动的周期为T2，则该天体的密度又是多少？答案(1)(2)解析设卫星的质量为m，天体的质量为M.(1)卫星贴近天体表面运动时有GmR，M根据几何知识可知天体的体积为VR3故该天体的密度为.(2)卫星距天体表面的高度为h时，忽略自转有Gm(Rh)M【考点】天体密度的计算【题点】已知周期、半径求密度求解天体质量和密度时的两种常见错误1.根据轨道半径r和运行周期T，求得M是中心天体的质量，而不是行星(或卫星)的质量.2.混淆或乱用天体半径与轨道半径，为了正确并清楚地运用，应一开始就养成良好的习惯，比如通常情况下天体半径用R表示，轨道半径用r表示，这样就可以避免如误约分；只有卫星在天体表面做匀速圆周运动时，如近地卫星，轨道半径r才可以认为等于天体半径R.针对训练1过去几千年来，人类对行星的认识与研究仅限于太阳系内，行星“51pegb”的发现拉开了研究太阳系外行星的序幕.“51pegb”绕其中心恒星做匀速圆周运动，周期约为4天，轨道半径约为地球绕太阳运动半径的.该中心恒星与太阳的质量的比值约为()A.B.1C.5D.10答案B解析由Gmr得M已知，则()3()21，B项正确.【考点】计算天体的质量【题点】已知周期、半径求质量例2有一星球的密度与地球相同，但它表面处的重力加速度是地球表面重力加速度的4倍，求：(1)星球半径与地球半径之比；(2)星球质量与地球质量之比.答案(1)41(2)641解析(1)由mg得M，所以，R，4.(2)由(1)可知该星球半径是地球半径的4倍.根据M得64.【考点】计算天体的质量【题点】已知重力加速度求质量二、天体运动的分析与计算1.基本思路：一般行星(或卫星)的运动可看做匀速圆周运动，所需向心力由中心天体对它的万有引力提供，即F引F向.2.常用关系：(1)Gmanmm2rmr.(2)忽略自转时，mgG(物体在天体表面时受到的万有引力等于物体重力)，整理可得：gR2GM，该公式通常被称为“黄金代换式”.3.天体运动的物理量与轨道半径的关系(1)由Gm得v，r越大，v越小.(2)由Gm2r得，r越大，越小.(3)由Gm2r得T2，r越大，T越大.(4)由Gman得an，r越大，an越小.例32009年2月11日，俄罗斯的“宇宙2251”卫星和美国的“铱33”卫星在西伯利亚上空约805km处发生碰撞，这是历史上首次发生的完整在轨卫星碰撞事件.碰撞过程中产生的大量碎片可能会影响太空环境.假定有甲、乙两块碎片绕地球运动的轨道都是圆，甲的运行速率比乙的大，则下列说法中正确的是()A.甲的运行周期一定比乙的长B.甲距地面的高度一定比乙的高C.甲的向心力一定比乙的小D.甲的向心加速度一定比乙的大答案D解析甲的运行速率大，由Gm，得v，由此可知，甲碎片的轨道半径小，故B错；由Gmr，得T，可知甲的周期小，故A错；由于未知两碎片的质量，无法判断向心力的大小，故C错；由man得an，可知甲的向心加速度比乙的大，故D对.【考点】人造卫星各物理量与半径的关系【题点】人造卫星各物理量与半径的关系针对训练2如图1所示，a、b是两颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星，它们距地面的高度分别是R和2R(R为地球半径).下列说法中正确的是()图1A.a、b的线速度大小之比是1B.a、b的周期之比是12C.a、b的角速度大小之比是34D.a、b的向心加速度大小之比是92答案C解析两卫星均做匀速圆周运动，F万F向.由m得，故A错误.由mr2得，故B错误.由mr2得，故C正确.由man得，故D错误.【考点】人造卫星各物理量与半径的关系【题点】人造卫星各物理量与半径的关系1.(天体质量的估算)土星最大的卫星叫“泰坦”(如图2所示)，每16天绕土星一周，其公转轨道半径约为1.2106km，已知引力常量G6.671011Nm2/kg2，则土星的质量约为()图2A.51017kgB.51026kgC.71033kgD.41036kg答案B解析“泰坦”围绕土星做匀速圆周运动，万有引力提供向心力.Gmr，其中T16243600s1.4106s代入数据解得M51026kg.【考点】计算天体的质量【题点】天体质量的综合问题2.(天体密度的计算)一艘宇宙飞船绕一个不知名的行星表面飞行，要测定该行星的密度，仅仅需要()A.测定飞船的运行周期B.测定飞船的环绕半径C.测定行星的体积D.测定飞船的运行速度答案A解析取飞船为研究对象，由GmR及MR3，知，故选A.【考点】天体密度的计算【题点】已知周期、半径求密度3.(卫星各运动参量与轨道半径的关系)我国高分系列卫星的高分辨对地观察能力不断提高.2018年5月9日发射的“高分五号”轨道高度约为705km，之前已运行的“高分四号”轨道高度约为36000km，它们都绕地球做圆周运动.与“高分四号”相比，下列物理量中“高分五号”较小的是()A.周期B.角速度C.线速度D.向心加速度答案A解析“高分五号”的运动半径小于“高分四号”的运动半径，即r五r四.由万有引力提供向心力得mrmr2mman.T，T五四，故B错；v，v五v四，故C错；an，an五an四，故D错.【考点】天体运动规律分析【题点】应用万有引力提供向心力分析天体运动规律4.(天体运动各参量的比较)如图3所示，甲、乙两颗卫星以相同的轨道半径分别绕质量为M和2M的行星做匀速圆周运动，下列说法正确的是()图3A.甲的向心加速度比乙的小B.甲的运行周期比乙的小C.甲的角速度比乙的大D.甲的线速度比乙的大答案A解析甲、乙两卫星分别绕质量为M和2M的行星做匀速圆周运动，万有引力提供各自做匀速圆周运动的向心力.由牛顿第二定律Gmanmrm2rm，可得an，T2，v.由已知条件可得a甲a乙，T甲T乙，甲乙，v甲v乙，故正确选项为A.【考点】天体运动规律分析【题点】应用万有引力提供向心力分析天体运动规律5.(天体运动的分析与计算)如图4所示，A、B为地球周围的两颗卫星，它们离地面的高度分别为h1、h2，已知地球半径为R，地球表面重力加速度为g，求：图4(1)A的线速度大小v1；(2)A、B的角速度大小之比12.答案(1)(2)解析(1)设地球质量为M，A卫星质量为m1，由万有引力提供向心力，对A有：m1在地球表面对质量为m的物体有：mgG由得v1(2)由Gm2(Rh)得，所以A、B的角速度大小之比.【考点】天体运动规律分析【题点】应用万有引力提供向心力分析天体运动规律一、选择题考点一天体质量和密度的计算1.已知引力常量G、月球中心到地球中心的距离R和月球绕地球运行的周期T，仅利用这三个数据，可以估算出的物理量有()A.月球的质量B.地球的质量C.地球的半径D.地球的密度答案B解析由天体运动规律知GmR可得，地球质量M，由于不知地球的半径，无法求地球的密度，故选项B正确.【考点】计算天体的质量【题点】已知周期、半径求质量2.若地球绕太阳的公转周期及公转轨道半径分别为T和R，月球绕地球的公转周期和公转轨道半径分别为t和r，则太阳质量与地球质量之比为()A.B.C.D.答案A解析由万有引力提供向心力得m，即M，所以.【考点】计算天体的质量【题点】已知周期、半径求质量3.如图1所示是美国的“卡西尼”号探测器经过长达7年的“艰苦”旅行，进入绕土星飞行的轨道.若“卡西尼”号探测器在半径为R的土星上空离土星表面高h的圆形轨道上绕土星飞行，环绕n周飞行时间为t，已知引力常量为G，则下列关于土星质量M和平均密度的表达式正确的是()图1A.M，B.M，C.M，D.M，答案D解析设“卡西尼”号的质量为m，它围绕土星的中心做匀速圆周运动，其向心力由万有引力提供，Gm(Rh)()2，其中T，解得M.又土星体积VR3，所以.【考点】天体密度的计算【题点】已知周期、半径求密度4.2015年7月23日，美国宇航局通过开普勒太空望远镜发现了迄今“最接近另一个地球”的系外行星开普勒452b，开普勒452b围绕一颗类似太阳的恒星做匀速圆周运动，公转周期约为385天(约3.3107s)，轨道半径约为1.51011m，已知引力常量G6.671011Nm2/kg2，利用以上数据可以估算出类似太阳的恒星的质量约为()A.1.81030kgB.1.81027kgC.1.81024kgD.1.81021kg答案A解析根据万有引力充当向心力，有Gmr，则中心天体的质量M kg1.81030 kg，故A正确.【考点】计算天体的质量【题点】已知周期、半径求质量5.2018年2月，我国500m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J03180253”，其自转周期T5.19ms.假设星体为质量均匀分布的球体，已知引力常量为6.671011Nm2/kg2.以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为()A.5109 kg/m3B.51012 kg/m3C.51015 kg/m3D.51018 kg/m3答案C解析脉冲星自转，边缘物体m恰对星体无压力时万有引力提供向心力，则有Gmr，又知Mr3整理得密度kg/m351015 kg/m3.【考点】天体密度的计算【题点】已知周期、半径求密度6.已知地球半径为R，地球质量为m，太阳与地球中心间距为r，地球表面的重力加速度为g，地球绕太阳公转的周期为T，则太阳的质量为()A.B.C.D.答案B解析对地球绕太阳的圆周运动有mr对地球表面的物体有mg联立两式可得太阳质量M，B正确.考点二天体的运动规律7.(多选)如图2所示，飞船从轨道1变轨至轨道2.若飞船在两轨道上都做匀速圆周运动，不考虑质量变化，相对于在轨道1上，飞船在轨道2上的()图2A.速度大B.向心加速度大C.运行周期长D.角速度小答案CD解析飞船绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，即F引Fn，所以Gmanmr2，即an，v，T，.因为r1v2，an1an2，T12，选项C、D正确.【考点】人造卫星各物理量与半径的关系【题点】人造卫星各物理量与半径的关系8.a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星.其中a、c的轨道相交于P，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上.某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图3所示，下列说法中正确的是()图3A.a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度B.b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度C.a、c的线速度大小相等，且小于d的线速度D.a、c存在在P点相撞的危险答案A解析由Gmm2rmrman可知，选项B、C错误，A正确；因a、c轨道半径相同，周期相同，由题图可知当C运动到P点不相撞，以后就不可能相撞了，选项D错误.【考点】人造卫星各物理量与半径的关系【题点】人造卫星各物理量与半径的关系9.伽利略用他自制的望远镜发现了围绕木星的四颗卫星，假定四颗卫星均绕木星做匀速圆周运动，它们的转动周期如表所示，关于这四颗卫星，下列说法中正确的是()名称周期/天木卫一1.77木卫二3.65木卫三7.16木卫四16.7A.木卫一角速度最小B.木卫四线速度最大C.木卫四轨道半径最大D.木卫一受到的木星的万有引力最大答案C10.(多选)地球半径为R0，地面重力加速度为g，若卫星在距地面R0处做匀速圆周运动，则()A.卫星的线速度为B.卫星的角速度为C.卫星的加速度为D.卫星的加速度为答案ABD解析由manmm2(2R0)及GMgR，可得卫星的向心加速度an，角速度，线速度v，所以A、B、D正确，C错误.【考点】天体运动规律分析【题点】应用重力等于万有引力分析天体运动规律11.两颗行星A和B各有一颗卫星a和b，卫星轨道接近各自行星的表面，如果两行星的质量之比为p，两行星的半径之比为q，则两个卫星的周期之比为()A.B.qC.pD.q答案D解析卫星做匀速圆周运动时，万有引力提供做匀速圆周运动的向心力，则有：GmR()2，得T，解得：q，故D正确，A、B、C错误.【考点】天体运动规律分析【题点】应用万有引力提供向心力分析天体运动规律二、非选择题12.(天体质量、密度的计算)若宇航员登上月球后，在月球表面做了一个实验：将一片羽毛和一个铁锤从同一高度由静止同时释放，二者几乎同时落地.若羽毛和铁锤是从高度为h处下落，经时间t落到月球表面.已知引力常量为G，月球的半径为R.求：(不考虑月球自转的影响)(1)月球表面的自由落体加速度大小g月.(2)月球的质量M.(3)月球的密度.答案(1)(2)(3)解析(1)月球表面附近的物体做自由落体运动hg月t2，月球表面自由落体的加速度大小g月.(2)因不考虑月球自转的影响，则有Gmg月，月球的质量M.(3)月球的密度.【考点】万有引力定律和力学其他问题的综合应用【题点】重力加速度和抛体运动的综合问题13.(天体运动规律)我国在酒泉卫星发射中心用“长征二号丁”运载火箭，将“高分一号”卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，这是我国重大科技专项高分辨率对地观测系统的首发星.设“高分一号”轨道的离地高度为h，地球半径为R，地面重力加速度为g，求“高分一号”在时间t内，绕地球运转多少圈？(忽略地球的自转)答案解析在地球表面的物体mg“高分一号”在轨道上m(Rh)所以T22故n.【考点】天体运动规律分析【题点】应用万有引力提供向心力分析天体运动规律一、选择题考点一天体的运动规律1.把太阳系各行星的运动近似看成匀速圆周运动，则离太阳越远的行星()A.周期越大B.线速度越大C.角速度越大D.向心加速度越大答案A解析行星绕太阳做匀速圆周运动，所需的向心力由太阳对行星的引力提供，由Gm得v，可知r越大，线速度越小，B错误.由Gm2r得，可知r越大，角速度越小，C错误.由k知，r越大，周期越大，A对.由Gman得an，可知r越大，向心加速度越小，D错误.【考点】天体运动规律分析【题点】应用万有引力提供向心力分析天体运动规律2.据报道，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”绕月飞行的圆形工作轨道距月球表面分别约为200km和100km，运行速率分别为v1和v2.那么，v1和v2的比值为(月球半径取1700km)()A.B.C.D.答案C解析根据卫星运动的向心力由万有引力提供，有Gm，那么卫星的线速度跟其轨道半径的平方根成反比，则有.【考点】人造卫星各物理量与半径的关系【题点】人造卫星的线速度与半径的关系3.(多选)火星直径约为地球直径的一半，质量约为地球质量的十分之一，它绕太阳公转的轨道半径约为地球绕太阳公转的轨道半径的1.5倍.根据以上数据，下列说法中正确的是()A.火星表面重力加速度的数值比地球表面的小B.火星公转的周期比地球的长C.火星公转的线速度比地球的大D.火星公转的向心加速度比地球的大答案AB解析由Gmg得gG，计算得A对；由Gm()2r得T2，计算得B对；周期长的线速度小(或由v判断轨道半径大的线速度小)，C错；公转的向心加速度anG，计算得D错.【考点】天体运动规律分析【题点】应用万有引力提供向心力分析天体运动规律4.(多选)土星外层有一个环，为了判断它是土星的一部分还是土星的卫星群，可以测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系，则下列判断正确的是()A.若v2R，则该层是土星的卫星群B.若vR，则该层是土星的一部分C.若v，则该层是土星的一部分D.若v2，则该层是土星的卫星群答案BD解析若外层的环为土星的一部分，则它们各部分转动的角速度相等，由vR知vR，B正确，C错误；若是土星的卫星群，则由Gm，得v2，故A错误，D正确.【考点】天体运动规律分析【题点】应用万有引力提供向心力分析天体运动规律5.(多选)如图1所示，a、b、c是地球大气层外圈圆形轨道上运动的三颗卫星，a和b质量相等，且小于c的质量，则()图1A.b所需向心力最小B.b、c的周期相同且大于a的周期C.b、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度D.b、c的线速度大小相等，且小于a的线速度答案ABD解析因卫星运动的向心力是由它们所受的万有引力提供，由F向知b所受的引力最小，故A对.由mr2mr()2得T2，即r越大，T越大，所以b、c的周期相等且大于a的周期，B对.由man，得an，即an，所以b、c的向心加速度大小相等且小于a的向心加速度，C错.由，得v，即v，所以b、c的线速度大小相等且小于a的线速度，D对.【考点】人造卫星各物理量与半径的关系【题点】人造卫星各物理量与半径的关系6.(多选)如图2所示，2018年2月2日，我国成功将电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空，标志我国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一.通过观测可以得到卫星绕地球运动的周期，并已知地球的半径和地球表面处的重力加速度.若将卫星绕地球的运动看做是匀速圆周运动，且不考虑地球自转的影响，根据以上数据可以计算出卫星的()图2A.密度B.向心力的大小C.离地高度D.线速度的大小答案CD解析设卫星的周期为T，轨道半径为r，地球质量和半径分别为M、R，则在地球表面的物体：Gmg，GMgR2对卫星：根据万有引力提供向心力，有Gm2r联立式可求轨道半径r，而rRh，故可求得卫星离地高度.由vrr，从而可求得卫星的线速度.卫星的质量未知，故卫星的密度不能求出，万有引力即向心力FnG也不能求出.故选项C、D正确.7.(多选)科学探测表明，月球上至少存在丰富的氧、硅、铝、铁等资源，设想人类开发月球，不断把月球上的矿藏搬运到地球上，假定经长期的开采后月球与地球仍可看成均匀球体，月球仍沿开采前的轨道运动，则与开采前相比(提示：ab常量，则当ab时，ab乘积最大)()A.地球与月球间的万有引力将变大B.地球与月球间的万有引力将变小C.月球绕地球运行的周期将变大D.月球绕地球运行的周期将变小答案BD解析万有引力公式F中，G和r不变，因地球和月球的总质量不变，当M增大而m减小时，两者的乘积减小，万有引力减小，故选项A错误，B正确；又mr，T，M增大，则T减小，故选项C错误，D正确.【考点】天体运动规律分析【题点】应用万有引力提供向心力分析天体运动规律8.如图3所示，甲、乙两颗卫星在同一平面上绕地球做匀速圆周运动，公转方向相同.已知卫星甲的公转周期为T，每经过最短时间9T，卫星乙都要运动到与卫星甲在地球同一侧且三者共线的位置上，则卫星乙的公转周期为()图3A.TB.TC.TD.T答案A解析由题意得，()t2t9T联立得T乙T，选项A正确.【考点】卫星的“追赶”问题【题点】卫星的“追赶”问题考点二天体质量和密度的计算9.(多选)2016年10月19日凌晨，“神舟十一号”飞船与“天宫二号”成功实施自动交会对接.如图4所示，已知“神舟十一号”与“天宫二号”对接后，组合体在时间t内沿圆周轨道绕地球转过的角度为，组合体轨道半径为r，地球表面重力加速度为g，引力常量为G，不考虑地球自转.则()图4A.可求出地球的质量B.可求出地球的平均密度C.可求出组合体做圆周运动的线速度D.可求出组合体受到的地球的万有引力答案ABC解析组合体在时间t内沿圆周轨道绕地球转过的角度为，则角速度，万有引力提供组合体做圆周运动的向心力，则m2r，所以M，A正确.不考虑地球的自转时，组合体在地球表面的重力等于地球对组合体的万有引力，则mgG，解得R，地球的密度()，将式代入即可求出平均密度，B正确.根据线速度与角速度的关系vr可知v，C正确.由于不知道组合体的质量，所以不能求出组合体受到的万有引力，D错误.【考点】天体质量和密度的计算【题点】天体质量和密度的计算10.(多选)若宇航员在月球表面附近自高h处以初速度v0水平抛出一个小球，测出小球的水平射程为L.已知月球半径为R，引力常量为G.则下列说法中正确的是()A.月球表面的重力加速度g月B.月球的质量m月C.月球的自转周期TD.月球的平均密度答案AB解析根据平抛运动规律，Lv0t，hg月t2，联立解得g月，选项A正确；由mg月G解得m月，选项B正确；根据题目