浙江省杭州市西湖高级中学高中物理 6.3 万有引力定律应用课件 新人教版必修2.ppt

万有引力及其应用 基础知识回顾 一 万有引力定律1 万有引力定律的内容和公式 宇宙间的一切物体都是互相吸引的 两个物体间的引力的大小 跟它们的质量的乘积成正比 跟它们的距离的平方成反比 公式 f gm1m2 r2 其中g 6 67 11n m kg 叫引力常量 公式适用于质点间的相互作用 当两个物体间的距离远远大于物体本身的大小时 物体可视为质点 均匀的球体也可以视为质点 r是两球心间的距离 2 适用条件 3 重力是物体在地球表面附近所受到的地球对它的引力 由gmm地 r地2 mg gm地 r2 g 例1 关于万有引力定律和引力常量的发现 下面说法中哪个是正确的 a 万有引力定律是由开普勒发现的 而引力常量是由伽利略测定的b 万有引力定律是由开普勒发现的 而引力常量是由卡文迪许测定的c 万有引力定律是由牛顿发现的 而引力常量是由胡克测定的d 万有引力定律是由牛顿发现的 而引力常量是由卡文迪许测定的 d 练习1 对于万有引力定律的表达式f gm1m2 r 下列说法正确的是 a 公式中g为引力常量 它是由实验测得的 而不是人为规定的b 当r趋近于0时 万有引力趋近于无穷大c m1 m2受到的引力总是大小相等 方向相反 是一对平衡力d 公式中的f应理解为m1 m2所受引力之和 a 练习2 对于引力常量g 下列说法中错误的是 a 其大小与物体的质量的乘积成正比 与距离的平方成反比b 是适用于任何两物体间的普适恒量 且其大小与单位制有关c 在国际单位制中 g的单位是n m kg d 在数值上等于两个质量都是1kg的物体相距1m时的相互作用力 bcd 二 万有引力定律在天体运动中的应用 1 天体运动的特点 1 开普勒的三定律 第一定律 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 对于每一个行星而言太阳与行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积 第三定律 所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值是一个都相等 2 处理方法 把天体的运动当作匀速圆周运动 而万有引力提供向心力 例2 如果发现一颗小行星 它离太阳的距离是地球离太阳距离的8倍 那么它绕太阳一周的时间应是年 一 天体质量m 密度 的估算 2 基本题型 由 gmm r2 mg mv2 r m 2r m 4 2 r t2 可知 m gr2 g rv2 g 2r3 g 4 2r3 t2 要点 要想求m 就必须知道r及g v t中的某一值 m v m 4 3 r0 例3 若已知某行星绕太阳公转的半径为r 公转的周期为t 万有引力常量为g 则由此可求出 a 某行星的质量b 太阳的质量c 某行星的密度d 太阳的密度 b 例7 某行星上一昼夜的时间为t 6h 在该行星赤道处用弹簧秤测得一物体的重力大小比在该行星两极处小10 则该行星的平均密度是多大 g取6 67 10 11n m2 kg2 解 由题意可知赤道处所需的向心力为重力的10 二 卫星的绕行速度 角速度 周期与半径r的关系 1 v与r的关系 由gmm r mv r 得v2 gm r 所以r越大 v越小 2 角速度与半径的关系 由gmm r m r 得 gm r 所以r越大 越小 3 周期与半径r的关系 由gmm r m 2 t r 得t2 4 2r3 gm 所以r越大 t越大 例8 假如一做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍 仍做圆周运动 则 根据公式v r 可知卫星的线速度将增大到原来的2倍根据公式f mv2 r 可知卫星所需的向心力将减少到原来的1 2根据公式f gmm r2 可知地球提供的向心力将减少到原来的1 4根据上述b和c中给出的公式 可知卫星运动的线速度将减少到原来的 cd 04年江苏高考4 若人造卫星绕地球作匀速圆周运动 则下列说法正确的是 a 卫星的轨道半径越大 它的运行速度越大b 卫星的轨道半径越大 它的运行速度越小c 卫星的质量一定时 轨道半径越大 它需要的向心力越大d 卫星的质量一定时 轨道半径越大 它需要的向心力越小 bd 三 三种宇宙速度 1 第一宇宙速度 环绕速度 v1 7 9km s 是人造地球卫星的最小发射速度 是绕地球做匀速圆周运动中的最大速度 会推导 2 第二宇宙速度 脱离速度 v2 11 2km s 使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度 3 第三宇宙速度 逃逸速度 v3 16 7km s 使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度 注 1 人造卫星的最小周期为84分钟 会证明 2 明确人造卫星发射的过程 例9 关于第一宇宙速度 下面说法正确的有 a 它是人造卫星绕地球飞行的最小速度b 它是发射人造卫星进入近地圆轨道的最小速度c 它是人造卫星绕地球飞行的最大速度d 它是发射人造卫星进入近地圆轨道的最大速度 bc 提示 注意发射速度和环绕速度的区别 练习 已知金星绕太阳公转的周期小于地球绕太阳公转的周期 它们绕太阳的公转均可看做匀速圆周运动 则可判定 a 金星到太阳的距离大于地球到太阳的距离b 金星运动的速度小于地球运动的速度c 金星的向心加速度大于地球的向心加速度d 金星的质量大于地球的质量 c 例11 若某行星半径是r 平均密度是 已知引力常量是g 那么在该行星表面附近运动的人造卫星的线速度大小是 abd 练习 人造地球卫星在绕地球运行的过程中 由于高空稀薄空气的阻力影响 将很缓慢地逐渐向地球靠近 在这个过程 卫星的 a 机械能逐渐减小 b 动能逐渐减小 c 运行周期逐渐减小 d 加速度逐渐减小 ac 四 地球同步卫星所谓地球同步卫星 是相对于地面静止的 和地球自转具有相同周期的卫星 t 24h 同步卫星必须位于赤道正上方距地面高度h 3 6 104km 怎么计算 特点 1 在赤道的正上方 相对地面静止 2 周期为24小时 轨道半径确定 例13 用m表示地球通讯卫星 同步卫星 的质量 h表示它离地面的高度 r0表示地球的半径 g0表示地球表面处的重力加速度 0表示地球自转的角速度 则通讯卫星所受的地球对它的万有引力的大小为 a 等于0b 等于mr0 g0 r0 h 2c 等于d 以上结果都不对 bc 1 地球的质量约为月球的81倍 一飞行器在地球与月球之间 当地球对它的引力和月球对它的引力大小相等时 这飞行器距地心的距离与距月心的距离之比为 9 1 补充练习 3 地球绕太阳公转周期为t1 轨道半径为r1 月球绕地球公转的周期为t2 轨道半径为r2 则太阳的质量是地球质量的多少倍 解 4 地核的体积约为整个地球体积的16 地核的质量约为地球质量的34 地核的平均密度为kg m3 g取6 67 10 11n m2 kg2 地球半径r 6 4 106m 结果取两位有效数字 解 gmm球 r球2 mg m球 gr球2 g 球 m球 v球 3m球 4 r球3 3g 4 r球g 30 4 6 4 106 6 67 10 11 5 6 103kg m3 核 m核 v核 0 34m球 0 16v球 17 8 球 1 2 104kg m3 1 2 104 12分 据美联社2002年10月7日报道 天文学家在太阳系的9大行星之外 又发现了一颗比地球小得多的新行星 而且还测得它绕太阳公转的周期约为288年 若把它和地球绕太阳公转的轨道都看作圆 问它与太阳的距离约是地球与太阳距离的多少倍 最后结果可用根式表示 解 设太阳的质量为m 地球的质量为m0 绕太阳公转的周期为t0 太阳的距离为r0 公转角速度为 0 新行星的质量为m 绕太阳公转的周期为t 与太阳的距离为r 公转角速度为 根据万有引力定律和牛顿定律 得 由以上各式得 已知t 288年 t0 1年得 1990年5月 紫金山天文台将他们发现的第2752号小行星命名为吴键雄星 该小行星的半径为16km 若将此小行星和地球均看成质量分布均匀的球体 小行星密度与地球相同 已知地球半径r 6400km 地球表面重力加速度为g 这个小行星表面的重力加速度为 a 400gb g 400c 20gd g 20 解 设小行星和地球的质量 半径分别为m吴 m地 r吴 r地 密度相同 吴 地m吴 r吴3 m地 r地3 由万有引力定律g吴 gm吴 r吴2g地 gm地 r地2 g吴 g地 m吴r地2 m地r吴2 r吴 r地 1 400 b 解析 根据题意 星体能绕其旋转 它绕 黑洞 作圆周运动的向心力 显然是万有引力提供的 据万有引力定律 可知 黑洞 是一个有质量的天体 6天文学家根据天文观察宣布了下列研究成果 银河系中可能存在一个大 黑洞 距 黑洞 60亿千米的星体以2000km s的速度绕其旋转 接近 黑洞 的所有物质即使速度等于光速也被 黑洞 吸人 试计算 黑洞 的最大半径 设黑洞和转动星体的质量分别为m和m 两者距离为r 利用万有引力定律和向心力公式列式 gmm r2 mv2 r 得到gm v2r 题中还告诉一个信息 即使是等于光速的物体也被 黑洞 吸入 据此信息 可以设想速度等于光速的物体恰好未被 黑洞 吸入 可类比近地卫星绕地球作圆周运动 设 黑洞 半径为r 用类比方法得到 g m c2 r c为光速 所以r v2 r c2 2 7 108m 答案 2 7x108m 01年上海4 组成星球的物质是靠引力吸引在一起的 这样的星球有一个最大的自转速率 如果超过了该速率 星球的万有引力将不足以维持其赤道附近的物体做圆周运动 由此能得到半径为r 密度为 质量为m且均匀分布的星球的最小自转周期t 下列表达式中正确的是 ad 7 人造卫星以地心为圆心 做匀速圆周运动 它的速率 周期与它的轨道半径的关系是 c a 半径越大 速率越大 周期越大b 半径越大 速率越小 周期越小c 半径越大 速率越小 周期越大d 半径越大 速率越大 周期越小 8 地球和月球中心的距离大约是4 108m 估算地球的质量为6 1024kg 结果保留一位有效数字 9