高考物理复习 第4章第四节万有引力定律与航天课件 沪科版.ppt

第四节万有引力定律与航天 课堂互动讲练 经典题型探究 知能优化演练 第四节万有引力定律与航天 基础知识梳理 基础知识梳理 一 开普勒运动定律1 开普勒第一定律 所有的行星围绕太阳运动的轨道都是 太阳处在所有椭圆的一个 上 2 开普勒第二定律 对于每一个行星而言 太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的 椭圆 焦点 面积 3 开普勒第三定律 所有行星的轨道的半长轴的三次方跟 的二次方的比值都相等 表达式 二 万有引力定律1 内容 自然界中任何两个物体都相互吸引 引力的大小跟物体的质量m1和m2的 成正比 跟它们之间距离r的 成反比 公转周期 乘积 二次方 2 公式 f g 其中g 叫引力常量 3 适用条件万有引力定律只适用于 的相互作用 4 特殊情况 1 两质量分布均匀的球体间的相互作用 也可用本公式来计算 其中r为 2 计算一个质量分布均匀的球体和球外一个质点间的万有引力也适用 其中r为 6 67 10 11n m2 kg2 质点间 两球心间的距离 质点到球心间的距离 三 万有引力定律在天体运动中的应用1 天体质量m 密度 的估算 2 卫星的绕行速度 角速度 周期与半径r的关系 四 三种宇宙速度1 第一宇宙速度 环绕速度 v1 是人造地球卫星的最小 速度 也是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大速度 7 9km s 发射 2 第二宇宙速度 脱离速度 v2 是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 是使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度 五 同步卫星与近地卫星1 地球同步卫星只能在赤道 与地球自转具有相同的 相对地面静止 其环绕的高度是 的 2 近地卫星是指卫星轨道距地面高度很小其轨道半径可近似认为 11 2km s 正上空 周期和角速度 一定 地球半径 思考感悟你知道近地卫星的周期是多少吗 提示 近地卫星的周期大约为85分钟 六 经典时空观和相对论时空观1 经典时空观 1 在经典力学中 物体的质量是不随 而改变的 2 在经典力学中 同一物理过程发生的位移和对应时间的测量结果在不同的参考系中是 运动状态 相同的 增大的 不同的 课堂互动讲练 一 重力和万有引力1 重力是地面附近的物体受到地球的万有引力而产生的 万有引力是物体随地球自转所需向心力和重力的合力 图4 4 1 如图4 4 1所示 f引产生两个效果 一是提供物体随地球自转所需的向心力 二是产生物体的重力 由于f向 m 2r 随纬度的增大而减小 所以物体的重力随纬度的增大而增大 即重力加速度从赤道到两极逐渐增大 在赤道处 物体的f引分解的两个分力f向和mg刚好在一条直线上 则有f引 f向 mg f向一般很小 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 有一星球的密度跟地球密度相同 但它表面处的重力加速度是地球表面上重力加速度的4倍 则该星球的质量将是地球质量的 a 1 4倍b 4倍c 16倍d 64倍 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 2010年高考安徽卷 为了对火星及其周围的空间环境进行探测 我国预计于2011年10月发射第一颗火星探测器 萤火一号 假设探测器在离火星表面高度分别为h1和h2的圆轨道上运动时 周期分别为t1和t2 火星可视为质量分布均匀的球体 且忽略火星的自转影响 万有引力常量为g 仅利用以上数据 可以计算出 a 火星的密度和火星表面的重力加速度b 火星的质量和火星对 萤火一号 的引力c 火星的半径和 萤火一号 的质量d 火星表面的重力加速度和火星对 萤火一号 的引力 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 2010年高考江苏卷 2009年5月 航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后 在a点从圆形轨道 进入椭圆轨道 b为轨道 上的一点 如图4 4 2所示 关于航天飞机的运动 下列说法中正确的有 图4 4 2 a 在轨道 上经过a的速度小于经过b的速度b 在轨道 上经过a的动能小于在轨道 上经过a的动能c 在轨道 上运动的周期小于在轨道 上运动的周期d 在轨道 上经过a的加速度小于在轨道 上经过a的加速度 解析 选abc 在椭圆轨道上 近地点的速度最大 远地点的速度最小 a选项正确 由万有引力定律可知飞机在a点受到的引力是个定值 由此结合牛顿第二定律可知飞机在a点的加速度是个定值 故d项错误 飞机从a点进入轨道 相对于轨道 可看成近心运动 则可知飞机在轨道 上a点速度小于轨道 上a点速度 再结合动能定义式可知b选项正确 根据低轨道卫星的周期小 高轨道卫星周期大可知c选项正确 综上知正确答案为a b c 2 两种加速度的比较 3 卫星的超重与失重卫星在进入轨道的加速过程及返回前的减速阶段 由于具有向上的加速度而超重 卫星在进入轨道后的正常运转过程中 由于万有引力完全充当向心力 产生指向地心的向心加速度 卫星上的物体对支持面和悬绳无弹力作用 处于完全失重状态 平常由重力产生的物理现象都会消失 水银压强计失效 天平失效 但弹簧测力计不失效 只是不能测重力了 名师点睛 人造地球卫星绕地球运行时 处于失重状态 并不是不受重力作用 是因为重力完全用来提供向心力 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 2009年高考北京卷 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 答案 见解析 经典题型探究 一组太空人乘太空穿梭机 去修理位于离地球表面6 0 105m的圆形轨道上的哈勃太空望远镜h 机组人员驾驶穿梭机s进入与h相同的轨道并关闭推动火箭 而望远镜则在穿梭机前方数公里处 如图4 4 3所示 设g为万有引力常量 me为地球质量 已知地球半径为6 4 106m 地球表面的重力加速度g 9 8m s2 1 在穿梭机内 一个质量为70kg的太空人站在台秤上示数是多少 2 计算轨道上的重力加速度值 3 计算穿梭机在轨道上的速率和周期 思路点拨 解答此题应把握以下三点 1 穿梭机内的人处于完全失重状态 2 轨道上的重力加速度即穿梭机的向心加速度 3 利用f引 f向计算穿梭机的速率和周期 图4 4 3 答案 1 示数为零 2 8 2m s2 3 7 6 103m s5 8 103s 互动探究试说明以下仪器或实验在穿梭机中能使用或进行的是 a 水银温度计b 验证机械能守恒定律c 天平d 探究弹簧伸长与弹力的关系解析 选bc 因水银温度计是利用热胀冷缩原理测温的 所以能使用 而验证机械能守恒定律和天平都要利用重力 所以在完全失重的穿梭机内不能进行或使用 而弹簧伸长与弹力的关系与失重无关所以能进行 故选b c 满分样板10分 我国在2010年实现探月计划 嫦娥工程 同学们也对月球有了更多的关注 1 若已知地球半径为r 地球表面的重力加速度为g 月球绕地球运动的周期为t 月球绕地球的运动近似看做匀速圆周运动 试求出月球绕地球运动的轨道半径 2 若宇航员随登月飞船登陆月球后 在月球表面某处以速度v0竖直向上抛出一个小球 经过时间t小球落回抛出点 已知月球半径为r 万有引力常量为g 试求出月球的质量m月 思路点拨 1 月球绕地球做匀速圆周运动 由万有引力提供向心力列方程求解 由于地球的质量未知 但已知地球的半径及地球表面的重力加速度 如何进行处理 2 在月球表面竖直上抛小球 可求出月球表面的重力加速度 如何求出月球的质量 2010年高考大纲全国卷 如图4 4 4 质量分别为m和m的两个星球a和b在引力作用下都绕o点做匀速圆周运动 星球a和b两者中心之间的距离为l 已知a b的中心和o三点始终共线 a和b分别在o的两侧 引力常数为g 1 求两星球做圆周运动的周期 图4 4 4 2 在地月系统中 若忽略其他星球的影响 可以将月球和地球看成上述星球a和b 月球绕其轨道中心运行的周期记为t1 但在近似处理问题时 常常认为月球是绕地心做圆周运动的 这样算得的运行周期记为t2 已知地球和月球的质量分别为5 98 1024kg和7 35 1022kg 求t2与t1两者平方之比 结果保留3位小数