高中物理万有引力定律及其应用单元测试新人教版必修2

3 万有引力定律及其应用 一 万有引力定律一 万有引力定律 1687 年 2 21 r mm GF 适用于两个质点或均匀球体 r 为两质点或球心间的距离 G 为万有引力恒量 1798 年由英国物理学 家卡文迪许利用扭秤装置测出 2211 1067 6 kgmNG 二 万有引力定律的应用二 万有引力定律的应用 1 解题的相关知识 1 在高考试题中 应用万有引力定律解题的知识常集中于两点 一 天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力 即 2 2 2 r v m r Mm G r T m 2 2 4 rm 2 二 地球对物体的万有引力近似等于物体的重力 即 G 2 R mM mg 从而得出 GM R 2 g 2 圆周运动的有关公式 T 2 v r 讨论 1 由 2 2 2 r v m r Mm G 可得 r GM v r 越大 v 越小 2 由rm r Mm G 2 2 可得 3 r GM r 越大 越小 3 由r T m r Mm G 2 2 2 可得 GMrT 3 2 r 越大 T 越大 4 由 向 ma r Mm G 2 可得 2 r GM a 向 r 越大 a向越小 点评 需要说明的是 万有引力定律中两个物体的距离 对于相距很远因而可以看作质点的物体就 是指两质点的距离 对于未特别说明的天体 都可认为是均匀球体 则指的是两个球心的距离 人造卫 星及天体的运动都近似为匀速圆周运动 2 常见题型 常见题型 万有引力定律的应用主要涉及几个方面 1 测天体的质量及密度 测天体的质量及密度 万有引力全部提供向心力 由r T m r Mm G 2 2 2 得 2 32 4 GT r M 又 3 3 4 RM 得 32 3 3 RGT r 例 1 中子星是恒星演化过程的一种可能结果 它的密度很大 现有一中子星 观测到它的自转周 期为 T 30 1 s 问该中子星的最小密度应是多少才能维持该星的稳定 不致因自转而瓦解 计算时星体可 视为均匀球体 引力常数 G 6 67 10 11 m 3 kg s 2 解析 设想中子星赤道处一小块物质 只有当它受到的万有引力大于或等于它随星体所需的向心力 时 中子星才不会瓦解 设中子星的密度为 质量为 M 半径为 R 自转角速度为 位于赤道处的小物块质量为 m 则 有 Rm R GMm 2 2 T 2 3 3 4 RM 由以上各式得 2 3 GT 代入数据解得 314 1027 1 mkg 2 行星表面重力加速度 轨道重力加速度问题 行星表面重力加速度 轨道重力加速度问题 重力近似等于万有引力 表面重力加速度 2 00 2 R GM gmg R Mm G 轨道重力加速度 22 hR GM gmg hR GMm hh 例 2 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 解析 题中所列关于 g 的表达式并不是卫星表面的重力加速度 而是卫星绕行星做匀速圆周运动的 向心加速度 正确的解法是 卫星表面 2 R Gm g 行星表面 2 0 R GM g0 即 20 R R M m 0 g g 即 g 0 16g0 3 人造卫星 宇宙速度 人造卫星 宇宙速度 人造卫星分类 略 其中重点了解同步卫星 1 第一宇宙速度 第一宇宙速度 在山上平抛一个物体 若速度小一些 它将在离山底较近的地方落地 如果速度增大一些 它将落 得远一些 当物体所受的万有引力全部用来提供它做圆周运动的向心力时 它将围绕地球旋转 成为一 颗人造地球卫星 代入地球质量 M 6 1024kg 地球半径 R 6 4 106m 万有引力恒量 G 6 67 10 11N m2 kg2 可求得 v 7 9km s 这个速度为在地面上平抛一个物体使它能够成为一个人造地球卫星所需要的最小速度 又称第一宇 宙速度 2 运行速度 运行速度 卫星围绕地球做匀速圆周运动 它和地球之间的万有引力提供它所需的向心力 设其轨道半径为 r 则有 由此可知 卫星围绕地球的运行速度与卫星的质量无关 地球 质量一定 所以其速度只与轨道半径有关 轨道半径越小 运行速度越大 当轨道半径为最小值 R 6 4 106m 时 其速度 与第一宇宙速度相等 所以 7 9km s 又是所有围绕地球运行的卫星中速度的最大值 3 同步卫星 同步卫星 1 与地球的自转同步 所以其运行方向为自西向东旋转 运行周期为 24 小时 2 由于卫星做匀速圆周运动的向心力由地球对它的万有引力提供 所以这种卫星的轨道平面与赤 道平面平行 由牛顿第二定律可得 代入地球质量 M 6 1024kg 万有引力恒量 G 6 67 10 11N m2kg2 地球自转的周期 T 24 3600 86400s 可求得其轨道半径为 r 4 2 107m 由于地球半径 R 6 4 106m 可知同步卫星距离地面的高度 h r R 3 6 107m 其运动速率 宇宙速度 弄清第一宇宙速度与发卫星发射速度的区别 例 3 我国自行研制的 风云一号 风云二号 气象卫星运行的轨道是不同的 一号 是极地 圆形轨道卫星 其轨道平面与赤道平面垂直 周期是 12h 二号 是地球同步卫星 两颗卫星相比 号离地面较高 号观察范围较大 号运行速度较大 若某天上午 8 点 风云一号 正好通过 某城市的上空 那么下一次它通过该城市上空的时刻将是 解析 根据周期公式 T GM r3 2 知 高度越大 周期越大 则 风云二号 气象卫星离地面较高 根据运行轨道的特点知 风云一号 观察范围较大 根据运行速度公式 V r GM 知 高度越小 速度 越大 则 风云一号 运行速度较大 由于 风云一号 卫星的周期是 12h 每天能对同一地区进行两 次观测 在这种轨道上运动的卫星通过任意纬度的地方时时间保持不变 则下一次它通过该城市上空的 时刻将是第二天上午 8 点 例 4 可发射一颗人造卫星 使其圆轨道满足下列条件 A 与地球表面上某一纬度线 非赤道 是共面的同心圆 B 与地球表面上某一经度线是共面的同心圆 C 与地球表面上的赤道线是共面同心圆 且卫星相对地面是运动的 D 与地球表面上的赤道线是共面同心圆 且卫星相对地面是静止的 解析 卫星绕地球运动的向心力由万有引力提供 且万有引力始终指向地心 因此卫星的轨道不可能 与地球表面上某一纬度线 非赤道 是共面的同心圆 故 A 是错误的 由于地球在不停的自转 即使是 极地卫星的轨道也不可能与任一条经度线是共面的同心圆 故 B 是错误的 赤道上的卫星除通信卫星采 用地球静止轨道外 其它卫星相对地球表面都是运动的 故 C D 是正确的 例 5 在地球 看作质量均匀分布的球体 上空有许多同步卫星 下面说法中正确的是 A 它们的质量可能不同B 它们的速率可能不同 C 它们的向心加速度可能不同D 它们离地心的距离可能不同 4 双星问题 双星问题 例 6 两个星球组成双星 它们在相互之间的万有引力作用下 绕连线上某点做周期相同的匀速圆 周运动 现测得两星中心距离为 R 其运动周期为 T 求两星的总质量 解析 设两星质量分别为 M1和 M2 都绕连线上 O 点作周期为 T 的圆周运动 星球 1 和星球 2 到 O 的距离分别为 l1和 l2 由万有引力定律和牛顿第二定律及几何条件可得 M1 G 2 21 R MM M1 T 2 2 l1 M2 2 1 22 4 GT lR 对 M2 G 2 21 R MM M2 T 2 2 l2 M1 2 2 22 4 GT lR 两式相加得 M1 M2 2 22 4 GT R l1 l2 2 32 4 GT R 5 有关航天问题的分析 有关航天问题的分析 例 7 无人飞船 神州二号 曾在离地高度为 H 3 4 105m 的圆轨道上运行了 47 小时 求在这段 时间内它绕行地球多少圈 地球半径 R 6 37 106m 重力加速度 g 9 8m s2 解析 用 r 表示飞船圆轨道半径 r H R 6 71 106m M 表示地球质量 m 表示飞船质量 表示飞船绕地球运行的角速度 G 表示万有引力常数 由万 有引力定律和牛顿定律得rm r GMm 2 2 利用 G 2 R M g 得 3 2 r gR 2由于 T 2 T 表示周期 解得 T R r 2 g r 又 n T t 代入数值解得绕行圈数为 n 31 三 科技前沿信息型三 科技前沿信息型 例 8 1997 年 8 月 26 日在日本举行的国际学术大会上 德国 Max Plank 学会的一个研究组宣布 了他们的研究结果 银河系的中心可能存在一个大 黑洞 黑洞 是某些天体的最后演变结果 1 根据长期观测发现 距离某 黑洞 6 0 1012m 的另一个星体 设其质量为 m2 以 2 106m s 的 速度绕 黑洞 旋转 求该 黑洞 的质量 m1 结果要求两位有效数字 2 根据天体物理学知识 物体从某天体上的逃逸速度公式为 R Gm v 1 2 其中引力常量 G 6 67 10 11N m2 kg 2 M 为天体质量 R 为天体半径 且已知逃逸的速度大于真空中光速的天体叫 黑洞 请估算 1 中 黑洞 的可能最大半径 结果只要求一位有效数字 解 解 1 r v m r mGm 2 2 2 21 3 分 kg G rv m 35 2 1 106 3 4 分 2 C R Gm 1 2 3 分 2 1 2 C Gm R m C Gm Rm 8 2 1 105 2 4 分 例 9 某行星自转一周所需时间为地球上的 6h 在这行星上用弹簧秤测某物体的重量 在该行量 赤道上称得物重是两极时测得读数的 90 已知万有引力恒量 G 6 67 10 11N m2 kg2 若该行星能 看做球体 则它的平均密度为多少 解析 在两极 由万有引力定律得 2 R Mm Gmg 在赤道R T mgm R Mm G 2 2 2 4 依题意 mg O 9mg 由式 和球体积公式联立解得 33 2 1003 3 1 0 3 mkg GT 反馈训练 一 单项选择题 1 下列说法符合史实的是 A 牛顿发现了行星的运动规律 B 开普勒发现了万有引力定律 C 卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量 D 牛顿发现了海王星和冥王星 2 下列说法正确的是 A 第一宇宙速度是人造卫星环绕地球运动的速度 B 第一宇宙速度是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度 C 如果需要 地球同步通讯卫星可以定点在地球上空的任何一点 D 地球同步通讯卫星的轨道可以是圆的也可以是椭圆的 3 关于环绕地球运转的人造地球卫星 有如下几种说法 其中正确的是 A 轨道半径越大 速度越小 周期越长 B 轨道半径越大 速度越大 周期越短 C 轨道半径越大 速度越大 周期越长 D 轨道半径越小 速度越小 周期越长 4 同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星 A 它可以在地面上任一点的正上方 且离地心的距离可按需要选择不同值 B 它可以在地面上任一点的正上方 但离地心的距离是一定的 C 它只能在赤道的正上方 但离地心的距离可按需要选择不同值 D 它只能在赤道的正上方 且离地心的距离是一定的 5 科学家们推测 太阳系的第十颗行星就在地球的轨道上 从地球上看 它永远在太阳的背面 人类一 直未能发现它 可以说是 隐居 着的地球的 孪生兄弟 由以上信息可以确定 A 这颗行星的公转周期与地球相等 B 这颗行星的半径等于地球的半径 C 这颗行星的密度等于地球的密度 D 这颗行星上同样存在着生命 6 若已知行星绕太阳公转的半径为 r 公转的周期为 T 万有引力恒量为 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 7 2001 年 10 月 22 日 欧洲航天局由卫星观测发现银河系中心存在一个超大型黑洞 命名为 MCG6 30 15 由于黑洞的强大引力 周围物质大量掉入黑洞 假定银河系中心仅此一个黑洞 已知太 阳系绕银河系中心匀速运转 下列哪一组数据可估算该黑洞的质量 A 地球绕太阳公转的周期和速度 B 太阳的质量和运行速度 C 太阳质量和到 MCG6 30 15 的距离 D 太阳运行速度和到 MCG6 30 15 的距离 8 两行星 A B 各有一颗卫星 a 和 b 卫星的圆轨道接近各自行星表面 如果两行星质量之比 MA MB p 两行星半径之比 RA RB q 则两个卫星周期之比 Ta Tb为 A p q q B pq C p q p D qpq 9 一宇宙飞船绕地球做匀速圆周运动 飞船原来的线速度是 v1 周期是 T1 假设在某时刻它向后喷气做 加速运动后 进入新轨道做匀速圆周运动 运动的线速度是 v2 周期是 T2 则 A v1 v2 T1 T2B v1 v2 T1 T2 C v1 v2 T1 T2 D v1 v2 T1 T2 二 多项选择 10 如图 1 所示 a b c 是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星 a b 质量相同 且小于 c 的质量 则 A b 所需向心力最小 B b c 周期相等 且大于 a 的周期 C b c 的向心加速度相等 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 11 关于开普勒行星运动的公式 2 3 T R