高中物理 3.2《万有引力定律的应用》学案 粤教版必修2

用心 爱心 专心 万有引力定律的应用万有引力定律的应用 学案学案 1 1 关于万有引力和重力的关系关于万有引力和重力的关系 地面上物体所受万有引力 F 可以分解为物体所受的重力 mg 和随地球自转而做圆周运动的 向心力 F 其中 2 R Mm GF 2 mrF 当物体在赤道上时 F mg F 三力同向 此时满足 F mg F 当物体在两极点时 F 0 F mg 2 R Mm G 当物体在地球的其他位置时 三力方向不同 例例 1 1 地球赤道上的物体由于地球自转产生的向心加速度 a 3 37 10 2 m s2 赤道上重力 加速度 g 取 10m s2试问 1 质量为 m kg 的物体在赤道上所受的引力为多少 2 要使 在赤道上的物体由于地球的自转而完全失重 地球自转的角速度应加快到实际角速度的多少 倍 解析 解析 1 物体所受地球的万有引力产生了两个效果 一是使物体竖直向下运动的重力 一是提供物体随地球自转所需的向心力 并且在赤道上这三个力的方向都相同 有 F引 mg F向 m g a m 9 77 3 37 10 2 9 804m N 2 设地球自转角速度为 半径为 R 则有 a R 欲使物体完全失重 即万有力完全 提供了物体随地球自转所需的向心力 即 m R F引 9 804m 解以上两式得 17 1 2 2 关于天体质量或密度的计算问题关于天体质量或密度的计算问题 解法一 解法一 利用天体表面的重力加速度 g 由mg R Mm G 2 得 M gR2 G 只需知道 g 和天体半 径 R 即可 密度 RG g R M 4 3 3 4 3 解法二 解法二 利用 卫星 的周期 T 和半径 r 由 2 32 2 2 2 44 GT r M T mr R Mm G 得 密度 32 3 3 3 3 4 RGT r R M V M R 为天体的半径 当卫星沿天体表面附近绕天体运动 时 r R 则 2 3 GT 例例 2 2 已知引力常量 G 6 67 10 11N m2 kg2 重力加速度 g 9 8m s2 地球半径 R 6 4 104m 可求得地球的质量为多少 结果保留一位有效数字 解析 解析 在地球表面质量为 m 的物体所受的重力等于地球对物体的引力 有 mg R Mm G 2 得kgkg G R gM 24 11 262 106 106 67 106 48 9 例例 3 3 一飞船在某行星表面附近沿圆轨道绕该行星飞行 认为行星是密度均匀的球体 要确 用心 爱心 专心 定该行星的密度 只需要测量 A 飞船的轨道半径 B 飞船的运行速度 C 飞船的运行周期 D 行星的质量 解析 解析 飞船在某行星表面附近沿圆轨道绕该行星飞行 可以认为飞船的轨道半径与行星 的半径相等 飞船做圆周运动的向心力由行星对它的万有引力提供 由万有引力定律和牛顿 第二定律 R T m R Mm G 2 2 2 由上式可知 2 2 3 3 4 4 3 4 GTR M 即行星的密度 2 3 GT 上式表明 只要测得卫星公转的周期 即可得到行星的密度 选项 C 正确 3 3 关于人造卫星和宇宙速度问题关于人造卫星和宇宙速度问题 1 卫星绕地球做圆周运动的向心力由万有引力提供 由此推出 卫星的绕行速度 角速度 周期与半径 r 的关系 由 r v m r Mm G 2 2 得 r GM v r 越大 v 越小 由 2 2 Mm Gmr r 得 3 r GM r 越大 越小 由 2 2 2 4 T mr r Mm G 得 GM r T 32 4 r 越大 T 越大 式中 r 是卫星运行轨道到地球球心的距离 2 要将人造卫星发射到预定的轨道上 就需要给卫星一个发射速度 发射速度随着 发射高度的增加而增大 最小的发射速度为skmgR R GM v 9 7 即第一宇宙速 度 它是人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度 也是卫星的最大 绕行速度 3 两类运动 稳定运行和变轨运行 卫星绕天体稳定运行时 万有引力提供了卫 星做圆周运动的向心力 由 r v m r GMm 2 2 得 r GM v 由此可知 轨道半径 r 越大 卫星的速度越小 当卫星由于某种原因 其速度 v 突然变化时 F引和 r v m 2 不再相等 因此 就不能再根据 r GM v 来确定 r 的大小 当 F引 r v m 2 时 卫星做近心运动 当 F引 r v m 2 时 卫星做离心运动 用心 爱心 专心 例 例 2003 年 10 月 15 日 我国成功发射航天飞船 神舟 号 绕地球飞行 14 圈安全返回 地面 这一科技成就预示我国航天技术取得最新突破 据报道飞船质量约为 10t 绕地球一 周的时间约为 90min 已知地球的质量 M 6 1024kg 万有引力常量 G 6 67 10 11N m2 kg 2 设飞船绕地球做匀速圆周运动 由以上提供的信息 解答下列 问题 1 神舟 号离地面的高度为多少 km 2 神舟 号绕地球飞行的速度是多大 3 载人舱在将要着陆之前 由于空气阻力作用有一段匀速下落过程 若空气阻力与速度 平方成正比 比例系数为 k 载人舱的质量为 m 则此匀速下落过程中载人舱的速度多大 解析 解析 1 由牛顿第二定律知 2 2 2 4 T hRm hR mM G 得离地高度kmR GMT h264 4 3 2 2 2 绕行速度smhR T v 1075 7 2 3 3 由平衡条件知 kv2 mg 则速度 k mg v 基础训练 基础训练 同步卫星离地心距离为 r 运行速率为 v1 加速度为 a1 地球赤道上物体随地球自转 的向心加速度为 a2 第一宇宙速度为 v2 地球半径为 R 则 A a1 a2 r R B a1 a2 R2 r2 C v1 v2 R2 r2 D v1 v2 rR 若航天飞机在一段时间内保持绕地球地心做匀速圆周运动则 A 它的速度大小不变 B 它不断地克服地球对它的万有引力做功 C 它的动能不变 重力势能也不变 D 它的速度大小不变 加速度等于零 探路者 号宇宙飞船在宇宙深处飞行过程中 发现A B两颗天体各有一颗靠近表 面飞行的卫星 并测得两颗卫星的周期相等 以下判断错误的是 A 天体A B表面的重力加速度与它们的半径成正比 B 两颗卫星的线速度一定相等 C 天体A B的质量可能相等 D 天体A B的密度一定相等 将卫星发射至近地圆轨道 1 如图所示 然后再次点 火 将卫星送入同步轨道 3 轨道 1 2 相切于 Q 点 2 3 相 切于 P 点 则当卫星分别在 1 2 3 轨道上正常运行时 以下 说法正确的是 A 卫星在轨道 3 上的速率大于轨道 1 上的速率 1 2 3 用心 爱心 专心 B 卫星在轨道 3 上的角速度大于在轨道 1 上的角速度 C 卫星在轨道 1 上经过 Q 点时的加速度大于它在轨道 2 上经过 Q 点时的加速度 D 卫星在轨道 2 上经过 P 点的加速度等于它在轨道 3 上经过 P 点时的加速度 太阳光从太阳射到地球需 8 分 20 秒 地球公转轨道可近似看作圆形 地球半径约 6 4 106m 估算太阳质量 M 与地球质量 m 之比为 两颗人造卫星A B的质量之比mA mB 1 2 轨道半径之比rA rB 1 3 某一时刻 它们的连线通过地心 则此时它们的线速度之比vA vB 向心加速度之比aA aB 向心力之比FA FB 侦察卫星在通过地球两极上空的圆轨道上运行 它的运行轨道距地面高度为 h 要 使卫星在一天的时间内将地面上赤道各处的日照条件下的情况全部拍摄下来 卫星在通过赤 道上空时 卫星上的摄像机至少能拍摄地面上赤道圆周的弧长是多少 设地球半径为 R 地 面重力加速度为 g 地球自转周期为 T 一卫星绕某行星做匀速圆周运动 已知行星表面的重力加速度为g0 行星的质量M 与卫星的质量m之比M m 81 行星的半径R0与卫星的半径R之比R0 R 3 6 行星与卫星之 间的距离r与行星的半径R0之比r R0 60 设卫星表面的重力加速度为g 则在卫星表面有 mg r GMm 2 经过计算得出 卫星表面的重力加速度为行星表面的重力加速度的 1 3600 上述结果是 否正确 若正确 列式证明 若有错误 求出正确结果 参考答案参考答案 题号题号 1 12 23 34 45 5 答案答案 AD 5 103 题号题号 6 6 答案答案 1 3 9 1 9 2 g Rh T s 32 4 详解 详解 用心 爱心 专心 分析 分析 航天飞机绕地心做匀速圆周运动 速度大小不变 动能不变 离地心距离不 变 重力势能不变 引力不做功 解 由 2 2 Mmmv G rr 得 GM v r 而 3 vGM rr 轨道 3 的半径比 1 的大 故 A 错 B 对 相切 隐含着切点弯曲程度相同 即卫星在切 点时两轨道瞬时运行半径相同 又 2 GM a r 故 C 错 D 对 分析 分析 太阳到地球距离 r ct 3 108 500m 1 5 1011m 设地球绕太阳做圆周运动 则由牛顿定律 r T m r mM G 2 2 2 4 地 地太 所以 2 32 4 GT r M 太 地球上物体随地球运动时 mg R mGm 地 2 所以 G gR m 2 地 所以 5 262 3112 22 32 103 106 410360024365 101 544 地 太 gRT r m M 解析 解析 设侦察卫星绕地球做匀速圆周运动的周期为 T1 有 4 2 1 2 2 Rh T m Rh GMm 地面处重力加速度为 g 则有mg R Mm G 2 由