2021-2022年新教材高中物理第4章万有引力定律及航天1天地力的综合：万有引力定律课件鲁科必修2

1、第4章万有引力定律及航天第1节天地力的综合：万有引力定律第4章万有引力定律及航天2021_2022年新教材高中物理第4章万有引力定律及航天1天地力的综合：万有引力定律课件鲁科必修2必备知识自主学习一、行星的运动规律【情境思考】在浩瀚的星空中，存在无数的星体，这些星体都在运动，但是却没有碰撞，彼此都在按着自己的运行规律在运动。请思考，这些星体运行过程中存在什么规律？提示：每个星体都在绕着自己的中心天体在特定的轨道上运动。必备知识自主学习一、行星的运动规律开普勒三定律： (1)轨道定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是_，太阳位于椭圆的一个_上。(2)面积定律：任何一个行星与太阳的连线在相等的_内扫过

2、的_相等。椭圆焦点时间面积开普勒三定律： 椭圆焦点时间面积(3)周期定律：行星绕太阳运行轨道_与其_成正比，公式：_=k。半长轴a的立方公转周期T的平方(3)周期定律：行星绕太阳运行轨道_二、万有引力定律【情境思考】地球是有质量的，人是有质量的，地球上的其他物体也是有质量的。请思考：人和地球之间是有吸引力的，那么任意两个物体之间是否都存在引力呢？ 提示：任何两个物体间都存在引力。二、万有引力定律1.内容：自然界中任何两个物体都是相互_的，引力的方向沿_，引力的大小F与这两个物体质量的_成正比，与这两个物体间的_成反比。2.表达式：F=_。(1)r是_的距离(若为匀质球体，则是_的距离)。(2)

3、G为万有引力常量，G=_ Nm2/kg2。吸引两物体的连线乘积m1m2距离r的平方两质点间两球心6.6710-111.内容：吸引两物体的连线乘积m1m2距离r的平方两质点间两【易错辨析】(1)行星绕太阳运动的轨道是椭圆形的，太阳位于椭圆的中心。( )(2)相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的面积。( )(3)开普勒定律不仅适用于行星绕太阳的运动，也适用于卫星绕行星的运动。( )(4)据公式F= 得：r0时，F。( )(5)引力常量G只是一个比例系数，没有单位。( )【易错辨析】关键能力合作学习知识点一开普勒三定律的认识和应用(1)开普勒行星运动定律是根据行星运动的观察结

4、果归纳总结出来的，它们都是经验定律，且开普勒行星运动定律只涉及运动学等方面的内容。(2)圆周运动可看成椭圆运动的特例，所以在一般情况下，可把行星的运动当作圆周运动来处理，此时，r为圆周运动的轨道半径，T为圆周运动的周期。(3)表达式 =k中的k仅由中心天体决定，与周围绕行的星体无关。关键能力合作学习知识点一开普勒三定律的认识和应用【问题探究】地球是绕太阳运行的一颗行星，如图所示为地球绕太阳运动的示意图。其中A、B、C、D分别表示春分、夏至、秋分、冬至时地球所在的位置，根据开普勒关于行星的运动规律，请回答：1年之内秋冬两季比春夏两季为什么要少几天？ 提示：根据开普勒第二定律，地球在秋冬两季比在春

5、夏两季离太阳距离近，线速度大，所以秋冬两季比春夏两季要少几天。【问题探究】【典例示范】【典例】开普勒分别于1609年和1619年发表了他发现的行星运动规律，后人称之为开普勒行星运动定律。火星和地球沿各自的椭圆轨道绕太阳运行，且火星的半长轴大于地球的半长轴。根据开普勒行星运动定律可知()A.太阳位于火星和地球运行轨道的中心B.火星绕太阳运动的周期大于地球绕太阳运动的周期C.对于火星或地球，离太阳越远，运动速率就越大D.相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积等于地球与太阳连线扫过的面积【典例示范】【解析】选B。开普勒第一定律指出，行星绕太阳运动的轨道都是椭圆形，太阳位于椭圆的一个焦点上，故A错误；根

6、据开普勒第三定律 =k可知，半长轴a越大，周期T越大，火星的半长轴大于地球的半长轴，因此火星绕太阳运动的周期大于地球绕太阳运动的周期，所以B正确；由开普第二定律可知，行星在近日点速度最大，远日点速度最小，故C错误；开普勒第二定律是对同一行星而言，故D错误。【解析】选B。开普勒第一定律指出，行星绕太阳运动的轨道都是椭【规律方法】开普勒定律的应用技巧(1)适用对象：开普勒定律不仅适用于行星，也适用于卫星，只不过此时 =k，比值k是由中心天体所决定的另一恒量，与环绕天体无关。(2)定律的性质：开普勒定律是总结行星运动的观察结果而总结出来的规律。它们每一条都是经验定律，都是从观察行星运动所取得的资料中

7、总结出来的。(3)对速度的认识：当行星在近日点时，速度最大。由近日点向远日点运动的过程中，速度逐渐减小，在远日点时速度最小。【规律方法】开普勒定律的应用技巧【素养训练】1.(母题追问)在【典例】所处物理情境中，火星绕太阳运行的半长轴大约是地球绕太阳运行半长轴的1.5倍，那么火星的公转周期是()A.1.5年 B. 年 C. 年 D. 年【解析】选D。开普勒第三定律中 =k(k只与太阳质量有关)，所以 ，得T火=T地 ，故D正确，A、B、C错误。【素养训练】2.在天文学上，春分、夏至、秋分、冬至将一年分为春、夏、秋、冬四季。如图所示，从地球绕太阳的运动规律入手，下列判断正确的是() A.在冬至日前

8、后，地球绕太阳的运行速率较小B.在夏至日前后，地球绕太阳的运行速率较大C.春夏两季与秋冬两季时间相等D.春夏两季比秋冬两季时间长2.在天文学上，春分、夏至、秋分、冬至将一年分为春、夏、秋、【解析】选D。由开普勒第二定律可知，冬至日地球在轨道的近日点，运行速率最大，夏至日地球在轨道的远日点，运行速率最小，故A、B错误；春夏两季的运行速度比秋冬两季的运行速度小，所以春夏两季比秋冬两季时间长，故C错误，D正确。【解析】选D。由开普勒第二定律可知，冬至日地球在轨道的近日点【加固训练】某人造地球卫星运行时，其轨道半径为月球轨道半径的 ，则此卫星运行周期大约是()A.35天B.57天C.79天D.大于9天

9、【解析】选B。月球绕地球运行的周期约为27天，根据开普勒第三定律 =k，得 ，则T= 27 (天)5.2(天)。【加固训练】知识点二万有引力定律及其应用1.万有引力定律公式的适用条件：严格地说，万有引力定律公式F=G 只适用于计算两个质点间的相互作用，但对于下述两类情况，也可用该公式计算：(1)两个质量分布均匀的球体间的相互作用，可用该公式计算，其中r是两个球体球心间的距离。(2)一个均匀球体与球外一个质点间的万有引力，可用公式计算，其中r为球心到质点间的距离。知识点二万有引力定律及其应用2.万有引力的“四性”：2.万有引力的“四性”：【问题探究】李华认为两个人距离非常近时，根据公式F= ，可

10、得：r0时，F。李华同学的想法正确吗？为什么？ 提示：不正确，因为两个人距离非常近时，不能视为质点，此公式不成立。【问题探究】【典例示范】【典例】如图所示，2019年1月3日，“嫦娥四号”飞船完成人类航天史上的一项壮举成功软着陆在月球背面。已知“嫦娥四号”飞船的质量是m=1 000 kg,月球的质量是M=71022 kg,月球半径R=1 700 km,引力常量为G=6.6710-11 Nm2/kg2,求:月球对在月球表面“嫦娥四号”飞船的引力大小(计算结果保留两位有效数字)。 【典例示范】【审题关键】【审题关键】【解析】根据万有引力定律可得，月球对飞船的引力为：F万= 1.6103 N答案：1

11、.6103 N【解析】根据万有引力定律可得，月球对飞船的引力为：【规律方法】万有引力定律的解题步骤(1)分析能否满足用F=G 公式求解万有引力的条件。(2)明确公式中各物理量的大小。(3)利用万有引力公式求解引力的大小及方向。【规律方法】万有引力定律的解题步骤【素养训练】1.(母题追问)在【典例】所处物理情境中，如果地球质量M地=6.01024 kg，月地平均距离为r=3.8108 m，试求：(1)地球对在月球表面“嫦娥四号”飞船的引力大小。(2)地球对月球的万有引力大小。(计算结果保留两位有效数字)【素养训练】【解析】(1)根据万有引力定律可得，地球对月球表面“嫦娥四号”飞船的引力为：F万=

12、 2.8 N(2)根据万有引力定律可得，地球对月球的引力为：F万= 1.91020 N答案：(1)2.8 N(2)1.91020 N【解析】(1)根据万有引力定律可得，地球对月球表面“嫦娥四号2.我国“嫦娥四号”探测器成功在月球背面软着陆。在探测器“奔向”月球的过程中，用h表示探测器与地球表面的距离，F表示它所受的地球引力，能够描述F随h变化关系的图像是() 【解析】选D。设地球的质量为M，半径为R。探测器的质量为m。根据万有引力定律得：F= 可知，F与h是非线性关系，F-h图像是曲线，且随着h的增大，F减小，故A、B、C错误，D正确。2.我国“嫦娥四号”探测器成功在月球背面软着陆。在探测器“

13、奔【加固训练】1.(多选)如图所示，三颗质量均为m的地球同步卫星等间隔分布在半径为r的圆轨道上，设地球质量为M，半径为R。下列说法正确的是()A.地球对一颗卫星的引力大小为 B.一颗卫星对地球的引力大小为 C.两颗卫星之间的引力大小为 D.三颗卫星对地球引力的合力大小为 【加固训练】【解析】选B、C。地球对一颗卫星的引力，利用万有引力公式计算，卫星与地球间的距离为r，地球与一颗卫星间的引力大小为 ，A项错误，B项正确；由几何知识可得，两颗卫星之间的距离为 r，两颗卫星之间利用万有引力定律可得引力大小为 ，C项正确；三颗卫星对地球的引力大小相等，方向在同一平面内，相邻两个力夹角为120，所以三颗

14、卫星对地球引力的合力等于零，D项错误。【解析】选B、C。地球对一颗卫星的引力，利用万有引力公式计算2.某物体在地面上受到地球对它的万有引力为F，为使此物体受到的引力减少到 ，此物体置于距地心的距离为(R指地球半径)()A.RB. RC.4RD.8R【解析】选B。根据万有引力定律表达式得：F=G ，其中r为物体到地球中心的距离。某物体在地球表面，受到地球的万有引力为F，此时r=R，若此物体受到的引力减小为 ，根据万有引力公式得出此时物体到地球中心的距离为：r= R，故B正确，A、C、D错误。2.某物体在地面上受到地球对它的万有引力为F，为使此物体受到【拓展例题】考查内容：割补法求解万有引力【典例

15、】如图所示，在距一质量为m0、半径为R、密度均匀的大球体R处有一质量为m的质点，此时大球体对质点的万有引力为F1，当从大球体中挖去一半径为 的小球体后(空腔的表面与大球体表面相切)，剩下部分对质点的万有引力为F2，求F1F2的值。【拓展例题】考查内容：割补法求解万有引力【解析】由于大球体被挖去一小球体后，不能看作质点，不能直接应用万有引力定律，因此设想将挖出的小球体放回大球体中，使之成为完整的均匀球体，则可应用万有引力定律算出完整球体与质点m之间的万有引力，再求出挖出的小球体对质点m的万有引力，将两个引力求差即可。实心大球体对质点m的万有引力F1，可以看成挖去的小球体对质点m的万有引力F和剩余

16、部分对质点m的万有引力F2之和，即F1=F2+F。根据万有引力定律，实心大球体对质点m的万有引力F1= 。【解析】由于大球体被挖去一小球体后，不能看作质点，不能直接应挖去的小球体的质量挖去的小球体对质点m的万有引力大球体剩余部分对质点m的万有引力F2为：F2=F1-F= 则 答案：97挖去的小球体的质量公式卡文迪什G=6.6710-11 Nm2/kg2特征普遍性 相互性 宏观性与重力的关系1.赤道上：2.地球两极：3.其他位置：公式卡文迪什G=6.6710-11 Nm2/kg2特征普【生活情境】2019年10月28日发生了天王星冲日现象，即太阳、地球、天王星处于同一直线上，此时是观察天王星的最

17、佳时间。如果已知日地距离为R0 ，天王星和地球的公转周期分别为T和T0 。 探究：你能通过上述情境，得出天王星与太阳间的距离吗？距离为多少？情境模型素养【生活情境】情境模型素养【解析】设天王星与太阳间的距离为Rx，根据开普勒第三定律，可知： 答案：能 【解析】设天王星与太阳间的距离为Rx，根据开普勒第三定律，【生产情境】2019年春节黄金档推出由刘慈欣同名小说改编的流浪地球，影片主要讲述了科学家突然发现太阳加速老化，未来几百年发生氦闪，从而造成体积膨胀，进而吞噬地球，面对危机，人们团结一致，建造行星发动机，借助于赤道发动机使地球停止自转，再利用木星的“引力弹弓”加速，离开太阳系，进入离太阳最近

18、的恒星“比邻星”。每个行星发动机地下5 000 m建造一个容纳30万人口的地底城，连接地底城电梯的加速度为5 m/s2，最大运行速度为100 m/s。(地球是一质量分布均匀的球体，密度均匀的球壳对球壳内物体引力为零)探究：生活在地底城的人们受到地球的引力比在地球表面大还是小，简述原因。【生产情境】【解析】小，密度均匀的球壳对球壳内物体引力为零，生活在地底城的人到地心的距离为r，地球的半径为R，设地球密度为，可得M= R3，地球表面对人的引力F= GRm，在地底城的人们受到的引力为F1= Grm，因为rR，所以F1vBB.vAvBC.vA=vBD.无法确定课堂检测素养达标1.如图所示为某行星绕太

19、阳运动的轨迹示意图【解析】选A。根据开普勒第二定律，也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。 由扇形面积S= lr知半径长的对应的弧长短，由v= 知行星离太阳较远时速度小，较近时速度大。即行星在近日点的速度大，远日点的速度小。故A正确，B、C、D错误。【解析】选A。根据开普勒第二定律，也称面积定律：在相等时间内2.“嫦娥五号”月球探测器在2019年年底发射，采集了月球样品并返回地球，全面实现了月球探测工程“三步走”战略目标。若“嫦娥五号”探测器在距月球表面H处的环月轨道上做匀速圆周运动，其运行的周期为T；随后“嫦娥五号”在该轨道上某点采取措施，使探测器降至椭圆轨道上，如图所示。若近月点接近月球表面，而H等于月球半径，忽略月球自转及地球对探测器的影响，则“嫦娥五号”在轨道上的运行周期为()2.“嫦娥五号”月球探测器在2019年年底发射，采集了月球样【解析】选C。设月球半径为R，根据题意可知，轨道上的轨