【全程复习】(广西专用)(广西专用)2014年高考物理一轮复习 4.3万有引力 人造卫星课件 新人教版.ppt

1、第3讲 万有引力 人造卫星,1.内容：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小 跟这两个物体的质量的乘积成_，跟它们的距离的二次方 _ 2.公式：F=_，其中G为引力常量，G=6.6710-11 Nm2/kg2， 由卡文迪许扭秤实验测定,考点1 万有引力定律,正比,成反比,3.适用条件：两个_的相互作用 （1）质量分布均匀的球体间的相互作用，也可用本定律来计 算，其中r为_. （2）一个质量分布均匀的球体和球外一个质点之间的万有引力 也适用，其中r为_.,质点之间,两球心间的距离,质点到球心间的距离,1.解决天体圆周运动问题的两条思路 （1）在中心天体表面或附近而又不涉及中心天体的自转运

2、动 时，万有引力等于重力，即 整理得Gm=gR2，称为 黄金代换. （g表示天体表面的重力加速度） （2）天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力，即,2.天体质量和密度的计算 （1）估算中心天体的质量. 从环绕天体出发:通过观测环绕天体运动的周期T和轨道半径r，就可以求出中心天体的质量m. 从中心天体本身出发:只要知道中心天体表面的重力加速度g和半径R，就可以求出中心天体的质量m.,（2）估算中心天体的密度. 测出卫星绕天体做匀速圆周运动的半径r和周期T，由 得 （R0为天体的半径） 若卫星绕中心天体表面运行时，轨道半径r=R0，则有,有一宇宙飞船到了某行星的表面附近（该行星没有自转运动），

3、 以速度v接近行星表面匀速飞行，测出运动的周期为T，已知引力 常量为G，则可得（ ） A.该行星的半径为 B.该行星的平均密度为 C.无法测出该行星的质量 D.该行星表面的重力加速度为,【解析】选A、B、D.由 可得： A正确；由 可得： C错误；由 得： B正 确；由 得： D正确.,考点2 人造卫星与宇宙速度,数值(km/s),7.9,宇宙速度,第一宇宙速度(环绕速度),第二宇宙速度(脱离速度),11.2,意义,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_速度.,使物体挣脱_引力束缚的最小发射速度.,第三宇宙速度(逃逸速度),16.7,使物体挣脱_引力束缚的最小发射速度

4、.,太阳,地球,最大环绕,发射,1.卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系 做匀速圆周运动的卫星所受万有引力完全提供所需向心力， 即由 可推导出：,2.卫星的变轨问题 当卫星由于某种原因速度突然改变时（开启或关闭发动机或空 气阻力作用），万有引力不再等于向心力，卫星将做变轨运行: （1）当卫星的速度突然增加时， 即万有引力不足 以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道 半径变大，当卫星进入新的轨道稳定运行时由 可知其 运行速度比原轨道时减小;,（2）当卫星的速度突然减小时， 即万有引力大于所 需要的向心力，卫星将做近心运动，脱离原来的圆轨道，轨道 半径变小，当卫星进入新的轨道

5、稳定运行时由 可知其 运行速度比原轨道时增大;卫星的发射和回收就是利用这一原理.,3.地球同步卫星的特点 （1）轨道平面一定：轨道平面和赤道平面重合. （2）周期一定：与地球自转周期相同，即T24 h86 400 s. （3）角速度一定：与地球自转的角速度相同. （4）高度一定：据 得 =4.23104 km，卫星离地面高度hrR6R（为恒量）. （5）绕行方向一定：与地球自转的方向一致.,4.极地卫星和近地卫星 （1）极地卫星运行时每圈都经过南北两极，由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖. （2）近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星，其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径

6、，其运行线速度约为7.9 km/s. （3）两种卫星的轨道平面一定通过地球的球心.,我国数据中继卫星“天链一号01星”在西昌卫星发射中心发射升空，经过4次变轨控制后，成功定点在东经77赤道上空的同步轨道.关于成功定点后的“天链一号01星”，下列说法正确的是（ ） A.运行速度大于7.9 km/s B.离地面高度一定，相对地面静止 C.绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大 D.向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小相等,【解析】选B、C.由万有引力提供向心力得： 即线速度v随轨道半径r的增大而减小，v=7.9 km/s为 第一宇宙速度即围绕地球表面运行的速度；因同步卫星轨道半 径比

7、地球半径大很多，因此其线速度应小于7.9 km/s，故A错； 因同步卫星与地球自转同步，即T、相同，故其相对地面静 止，由公式 得 因G、m、 R均为定值，故h一定为定值，B对；因同步卫星周期T同=24小时，,月球绕地球转动周期T月30天，即T同月，故C对；同步卫星与静止在赤道上的物体具有共同 的角速度，由公式a向=r2，可得： 因轨道半径不 同，故其向心加速度不同，D错误.,天体质量和密度的估算 【例证1】（2011福建高考）“嫦娥二号”是我国月球探测第 二期工程的先导星.若测得“嫦娥二号”在月球（可视为密度均 匀的球体）表面附近圆形轨道运行的周期T，已知引力常量为 G，半径为R的球体体积公

8、式 则可估算月球的（ ） A.密度B.质量 C.半径D.自转周期,【解题指南】解答本题时可按以下思路分析： （1）利用万有引力提供向心力列式. （2）结合隐含条件r=R和球体体积公式联立求解. 【自主解答】选A.由万有引力提供向心力有 在月球表面轨道有r=R，由球体体积公式 联立解得月球 的密度 故选A.,【总结提升】中心天体的质量和密度的估算方法 （1）测出中心天体表面的重力加速度g，估算天体质量： 进而求得 （2）利用环绕天体的轨道半径r、周期T，估算天体质量： 即 即 若环绕天体绕中心天体表面做匀速圆周运动时，轨道半径r=R， 则,【变式训练】（2011江苏高考）一行星绕恒星做圆周运动.

9、 由天文观测可得，其运行周期为T，速度为v，引力常量为G， 则（ ） A.恒星的质量为 B.行星的质量为 C.行星运动的轨道半径为 D.行星运动的加速度为,【解析】选A、C、D.根据周期公式 可得 C对；根据 向心加速度公式 D对；根据万有引力提供向心力 可得 A对，B错.,人造卫星问题的规范求解 【例证2】（2012南宁模拟）（12分）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.,【解题指南】解答本题时应注意理解以下两点： （1）“第一宇宙速度”的含义即

10、轨道半径r与地球半径R相等. （2）地球卫星的周期、线速度、向心加速度均由轨道半径决定.,【规范解答】（1）设卫星的质量为m，地球的质量为M 在地球表面附近满足 （2分） 卫星做圆周运动的向心力等于它受到的万有引力 （2分） 解得 （2分）,（2）考虑式，卫星受到的万有引力为 （2分） 由牛顿第二定律（2分） 联立式解得 （2分） 答案：（1） （2）,【互动探究】在【例证2】中，若题干中再加上“已知月球的半径为R0,月球表面重力加速度为g0，不考虑月球自转的影响.”则月球的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度之比为多少？ 【解析】设卫星的质量为m，月球的质量为M0 在月球表面附近，由牛顿第二定律

11、有 得,卫星做圆周运动，由牛顿第二定律有 联立式得到 同理可得 故 答案：,【总结提升】人造卫星问题的解题技巧 （1）利用万有引力提供向心力的不同表述形式： （2）解决力与运动关系的思想还是动力学思想，解决力与运动的关系的桥梁还是牛顿第二定律.,卫星的a、v、T是相互联系的，其中一个量发生变化，其他各量也随之发生变化. a、v、T均与卫星的质量无关，只由轨道半径r和中心天体质量共同决定,【变式备选】（2011天津高考）质量为m的探月航天器在接近 月球表面的轨道上飞行，其运动视为匀速圆周运动.已知月球质 量为M，月球半径为R，月球表面重力加速度为g，引力常量为 G，不考虑月球自转的影响，则航天器

12、的（ ） A.线速度 B.角速度 C.运行周期 D.向心加速度,【解析】选A、C月球对探月航天器的万有引力提供探月航天 器在月球附近做匀速圆周运动所需要的向心力，根据牛顿第二 定律列方程得 则探月航天器的线速度 为 选项A正确.其加速度 选项D错误.又知，在 月球附近满足 因此探月航天器的角速度 其周 期为 选项B错误，而选项C正确.,卫星变轨问题 【例证3】（2012汕头模拟）北京航天飞行控制中心对“嫦娥一号”卫星实施多次变轨控制并获得成功.首次变轨是在卫星运行到远地点时实施的，紧随其后进行的3次变轨均在近地点实施.“嫦娥一号”卫星的首次变轨之所以选择在远地点实施，是为了抬高卫星近地点的轨道

13、高度.同样的道理，要抬高远地点的高度就需要在近地点实施变轨.如图为“嫦娥一号”某次在近地点A由轨道1变轨为轨道2的示意图，下列说法中正确的是（ ）,A.“嫦娥一号”在轨道1的A点处应点火加速 B.“嫦娥一号”在轨道1的A点处的速度比轨道2的A点处的速度大 C.“嫦娥一号”在轨道1的A点处的加速度比在轨道2的A点处的加速度大 D.“嫦娥一号”在轨道1的B点处的机械能比在轨道2的C点处的机械能大,【解题指南】解答本题可按以下思路进行分析和判断： （1）要增大卫星的轨道半径时必须加速. （2）卫星的机械能随轨道半径的增大而增大.,【自主解答】选A.卫星要由轨道1变轨为轨道2在A处需做离心运 动，应加

14、速使其做圆周运动所需向心力 大于地球所能提供 的万有引力 故A项正确、B项错误；由 可知，卫 星在不同轨道同一点处的加速度大小相等，C项错误；卫星由轨 道1变轨到轨道2，反冲发动机的推力对卫星做正功，卫星的机 械能增加，所以卫星在轨道1的B点处的机械能比在轨道2的C点 处的机械能小，D项错误.,【总结提升】卫星变轨时半径的变化，根据万有引力和所需向心力的大小关系判断；稳定在新轨道上的运行速度变化由 判断.对易错选项及错误原因具体分析如下：,【变式训练】（2012南宁模拟）2011年11月1日清晨5时58分10秒，中国“长征二号”F遥八运载火箭在酒泉卫星发射中心载人航天发射场点火发射，火箭飞行5

15、83秒后，将“神舟八号”飞船成功送入预定椭圆轨道.11月3日凌晨由原来的椭圆轨道变为距离地面高度为h（为343 km）的“天宫一号”所在的圆形轨道.已知飞船质量为m,地球半径为R，地面的重力加速度为g,地球自转的角速度为,则下列说法正确的是（ ）,A.飞船由椭圆轨道变为圆形轨道时,需要在椭圆轨道的远地点使 飞船减速 B.飞船做匀速圆周运动时,运行速度大于7.9 km/s C.飞船在圆形轨道上运动时,宇航员将不受重力作用 D.飞船在圆形轨道上运动时的动能Ek满足 m（R+h）22Ek mg（R+h）,【解析】选D.飞船由椭圆轨道变为圆形轨道需要在远地点加 速,A错;飞船绕地球做匀速圆周运动时速度

16、的最大值为7.9 km/s, 轨道越高速度越小,B错;宇航员在飞船中处于完全失重状态,受 到的万有引力即为所受的重力,完全失重状态不是重力为零,C错; 飞船的运动周期小于地球的自转周期,故飞船的角速度大于地球 自转的角速度,飞船的线速度v（R+h）,飞船的向心加速 度小于地球表面的重力加速度g,根据向心加速度 可知飞船 线速度v2g（R+h）,故飞船在圆轨道上运动的动能满足 m（R+h）22Ek mg（R+h）,D正确.,【例证】两颗卫星在同一轨道平面内绕地球做匀速圆周运动，地球半径为R，地球的质量为M，a卫星离地面的高度等于R，b卫星离地面高度为3R，则： （1）a、b两卫星运行周期之比Ta

17、Tb是多少？ （2）若某时刻两卫星正好同时通过地面同一点正上方，则a至少经过多少个周期与b相距最远？,【规范解答】（1）对做匀速圆周运动的卫星使用向心力公式 可得： 所以,（2）由 可知：ab，即a转动得更快. 设经过时间t两卫星相距最远，则由图可得：,a-b=（2n-1）（n=1，2，3） 其中n=1时对应的时间最短.而=t， 所以 得 答案：（1）1 （2）,1.火星的质量和半径分别约为地球的 和 地球表面的重力加 速度为g地，则火星表面的重力加速度约为（ ） A.0.2g地B.0.4g地 C.2.5g地D.5g地 【解析】选B.在星球表面有 故火星表面的重力加速 度与地球表面的重力加速度

18、之比为： 故B正确.,2.关于地球的第一宇宙速度，下列表述正确的是（ ） A.第一宇宙速度又叫环绕速度 B.第一宇宙速度又叫脱离速度 C.第一宇宙速度跟地球的质量无关 D.第一宇宙速度跟地球的半径无关 【解析】选A.第一宇宙速度又叫环绕速度，A对，B错；万有引 力提供向心力，由 可知第一宇宙速度与地球的质量 和半径有关，C、D错.,3.（2011山东高考）甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道均可视为圆轨道.以下判断正确的是（ ） A.甲的周期大于乙的周期 B.乙的速度大于第一宇宙速度 C.甲的加速度小于乙的加速度 D.甲在运行时能经过北极的正上方,【解析】选A、C.由题意知甲卫星的轨道半径比乙大，由万有引 力提供向心力可得 得出周期和轨道半径的关系 轨道半径越大，卫星周期越长.可得出A选项正确. 又由万有引力充当向心力的另一个表达式 可得线速 度和轨道半径的关系 ，轨道半径越大，线速度越小.可得 出B项错误.又由 得 故轨道半