万有引力定律专题分析.doc

万有引力定律专题分析何玉鸿 阳山中学 万有引力定律与牛顿三定律，并称经典力学四大定律，可见万有引力定律的重要性。就万有引力定律的内容而言，应该是属于对牛顿三定律的应用和延伸，且万有引力定律开拓了人们对天文学的研究，所以，其在物理学上的重要性就变得不言而喻了。随着我们航天事业的发展，万有引力定律定律已成为高考和各地模拟试卷命题的热点。此部分内容在考纲中列为级要求。有关题目立意越来越新，但解题涉及的知识，难度不大，规律性较强。一、对万有定律的理解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）物体在地面上所受的引力与重力的区别和联系地球对物体的引力是物体具有重力的根本原因但重力又不完全等于引力这是因为地球在不停地自转，地球上的一切物体都随着地球自转而绕地轴做匀速圆周运动，这就需要向心力这个向心力的方向是垂直指向地轴的，它的大小是，式中的r是物体与地轴的距离，是地球自转的角速度这个向心力来自哪里?只能来自地球对物体的引力F，它是引力F的一个分力如右图，引力F的另一个分力才是物体的重力mg在不同纬度的地方，物体做匀速圆周运动的角速度相同，而圆周的半径r不同，这个半径在赤道处最大，在两极最小(等于零)纬度为处的物体随地球自转所需的向心力 (R为地球半径)，由公式可见，随着纬度升高，向心力将减小，在两极处Rcos0，f0作为引力的另一个分量，即重力则随纬度升高而增大在赤道上，物体的重力等于引力与向心力之差即在两极，引力就是重力但由于地球的角速度很小，仅为105rads数量级，所以mg与F的差别并不很大在不考虑地球自转的条件下，地球表面物体的重力这是一个很有用的结论从图中还可以看出重力mg一般并不指向地心，只有在南北两极和赤道上重力mg才能向地心同样，根据万有引力定律知道，在同一纬度，物体的重力和重力加速度g的数值，还随着物体离地面高度的增加而减小若不考虑地球自转，地球表面处有，可以得出地球表面处的重力加速度在距地表高度为h的高空处，万有引力引起的重力加速度为g，由牛顿第二定律可得：即如果在h处，则gg4在月球轨道处，由于r60，所以重力加速度g g3600重力加速度随高度增加而减小这一结论对其他星球也适用例1、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G6.671011Nm2kg2，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 在赤道 依题意mg=O.9mg 由式和球体积公式联立解得二、万有引力定律在天文学上的应用1 万有引力定律提供天体做圆周运动的向心力（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：一是天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力，即；二是地球对物体的万有引力近似等于物体的重力，即G mg从而得出GMRg。（2）圆周运动的有关公式：，v=r。讨论：1）由可得： r越大，v越小。2）由可得： r越大，越小。3）由可得： r越大，T越大。4）由可得： 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。例2、土星外层上有一个环。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a与该l层到土星中心的距离R之间的关系来判断： ( )A若vR，则该层是土星的一部分；B若v2R，则该层是土星的卫星群C若vR，则该层是土星的一部分 D若v2R，则该层是土星的卫星群例3、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/R3.6，行星与卫星之间的距离r与行星的半径R0之比r/R060。设卫星表面的重力加速度为g，则在卫星表面有 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g 行星表面=g0 即=即g =0.16g0。例4、侦察卫星在通过地球两极上的圆轨道上运行，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在日照条件的情况下全都拍摄下来，卫星在通过赤道上空时，卫星上的摄像机至少应拍摄地面上赤道圆周的弧长是多少？设地球半径为R，地面处的重力加速度为g，地球自转的周期为T。解析：如果周期是12小时，每天能对同一地区进行两次观测。如果周期是6小时，每天能对同一纬度的地方进行四次观测。如果周期是小时，每天能对同一纬度的地方进行n次观测。设上星运行周期为T1，则有物体处在地面上时有 解得：在一天内卫星绕地球转过的圈数为，即在日照条件下有次经过赤道上空，所以每次摄像机拍摄的赤道弧长为，将T1结果代入得 2 求天体质量、密度由 即可求得。（注意天体半径与卫星轨迹半径区别）例5、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=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=6.6710m/kg.s)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 由以上各式得，代入数据解得：。点评：在应用万有引力定律解题时，经常需要像本题一样先假设某处存在一个物体再分析求解是应用万有引力定律解题惯用的一种方法。 人造地球卫星的离心向心问题例3、人造卫星沿圆轨道环绕地球运动，因为大气阻力的作用，其运动的高度将逐渐变化.下列关于卫星运动的一些物理量的变化情况正