万有引力定律及其应用复习教案.doc

学员 物理 科目第 次个性化教案学员年级 高一课题名称万有引力定律及其应用教学目标同步教学知识内容万有引力定律的应用,开普勒三大定律教学重点万有引力定律教学难点利用万有引力定律计算天体质量通过万有引力定律和向心力公式计算环绕速度教学过程教师活动一、作业检查及评讲二、回顾及复习三、新内容讲解一、万有引力定律及其应用1内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小及物体的质量m1和m2的乘积成正比、及它们之间距离r的二次方成反比2表达式：F，G为引力常量：G6.67×1011 N·m2/kg2.3适用条件(1)公式适用于质点间的相互作用当两物体间的距离远远大于物体本身的大小时，物体可视为质点(2)质量分布均匀的球体可视为质点，r是两球心间的距离二、环绕速度1第一宇宙速度又叫环绕速度推导过程为：由mg得：v1 7.9 km/s.2第一宇宙速度是人造地球卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动时具有的速度3第一宇宙速度是人造卫星的最大环绕速度，也是人造地球卫星的最小发射速度特别提醒1.两种周期自转周期和公转周期的不同2两种速度环绕速度及发射速度的不同，最大环绕速度等于最小发射速度3两个半径天体半径R和卫星轨道半径r的不同三、第二宇宙速度和第三宇宙速度1第二宇宙速度(脱离速度)：v211.2 km/s，使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度2第三宇宙速度(逃逸速度)：v316.7 km/s，使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度.考点一天体质量和密度的计算1解决天体(卫星)运动问题的基本思路(1)天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力，即Gmanmm2rm(2)在中心天体表面或附近运动时，万有引力近似等于重力，即Gmg(g表示天体表面的重力加速度)2天体质量和密度的计算(1)利用天体表面的重力加速度g和天体半径R.由于Gmg，故天体质量M，天体密度.(2)通过观察卫星绕天体做匀速圆周运动的周期T和轨道半径r.由万有引力等于向心力，即Gmr，得出中心天体质量M；若已知天体半径R，则天体的平均密度；若天体的卫星在天体表面附近环绕天体运动，可认为其轨道半径r等于天体半径R，则天体密度.可见，只要测出卫星环绕天体表面运动的周期T，就可估算出中心天体的密度例11798年，英国物理学家卡文迪许测出万有引力常量G，因此卡文迪许被人们称为能称出地球质量的人若已知万有引力常量G，地球表面处的重力加速度g，地球半径R，地球上一个昼夜的时间T1(地球自转周期)，一年的时间T2(地球公转周期)，地球中心到月球中心的距离L1，地球中心到太阳中心的距离L2.你能计算出()A地球的质量m地B太阳的质量m太C月球的质量m月D可求月球、地球及太阳的密度解析对地球表面的一个物体m0来说，应有m0g，所以地球质量m地，选项A正确对地球绕太阳运动来说，有m地L2，则m太，B项正确对月球绕地球运动来说，能求地球质量，不知道月球的相关参量及月球的卫星运动参量，无法求出它的质量和密度，C、D项错误答案AB突破训练1一卫星绕某一行星表面附近做匀速圆周运动，其线速度大小为v.假设宇航员在该行星表面上用弹簧测力计测量一质量为m的物体重力，物体静止时，弹簧测力计的示数为N.已知引力常量为G，则这颗行星的质量为()A. B. C. D.答案B解析设卫星的质量为m由万有引力提供向心力，得Gmmmg由已知条件：m的重力为N得Nmg由得g，代入得：R代入得M，故B项正确考点二卫星运行参量的比较及运算1卫星的各物理量随轨道半径变化的规律2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，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深化拓展(1)卫星的a、v、T是相互联系的，如果一个量发生变化，其他量也随之发生变化；这些量及卫星的质量无关，它们由轨道半径和中心天体的质量共同决定(2)卫星的能量及轨道半径的关系：同一颗卫星，轨道半径越大，动能越小，势能越大，机械能越大例2“嫦娥四号”，专家称“四号星”，计划在2017年发射升空，它是嫦娥探月工程计划中嫦娥系列的第四颗人造探月卫星，主要任务是更深层次、更加全面的科学探测月球地貌、资源等方面的信息，完善月球档案资料已知月球的半径为R，月球表面的重力加速度为g，月球的平均密度为，“嫦娥四号”离月球中心的距离为r，绕月周期为T.根据以上信息下列说法正确的是()A月球的第一宇宙速度为B“嫦娥四号”绕月运行的速度为 C万有引力常量可表示为D“嫦娥四号”必须减速运动才能返回地球解析根据第一宇宙速度的定义有：mgm，v，A错误；根据Gm和Gmg可以得到“嫦娥四号”绕月运行的速度为v ，B错误；根据Gmr和MR3可以知道万有引力常量可表示为，C正确；“嫦娥四号”必须先加速离开月球，再减速运动才能返回地球，D错误答案C突破训练22013年6月13日，神州十号及天宫一号成功实现自动交会对接对接前神州十号及天宫一号都在各自的轨道上做匀速圆周运动已知引力常量为G，下列说法正确的是()A由神州十号运行的周期和轨道半径可以求出地球的质量B由神州十号运行的周期可以求出它离地面的高度C若神州十号的轨道半径比天宫一号大，则神州十号的周期比天宫一号小D漂浮在天宫一号内的宇航员处于平衡状态答案A同步卫星的六个“一定”突破训练3已知地球质量为M，半径为R，自转周期为T，地球同步卫星质量为m，引力常量为G.有关同步卫星，下列表述正确的是()A卫星距地面的高度为 B卫星的运行速度小于第一宇宙速度C卫星运行时受到的向心力大小为GD卫星运行的向心加速度小于地球表面的重力加速度答案BD解析天体运动的基本原理为万有引力提供向心力，地球的引力使卫星绕地球做匀速圆周运动，即F万F向m.当卫星在地表运行时，F万mg(R为地球半径)，设同步卫星离地面高度为h，则F万F向ma向<mg，所以C错误，D正确由得，v < ，B正确由，得Rh ，即h R，A错误考点三卫星变轨问题分析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，卫星将变轨运行：(1)当卫星的速度突然增大时，G<m，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v 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，G>m，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稳定运行时由v 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例4“嫦娥一号”探月卫星绕地运行一段时间后，离开地球飞向月球如图3所示是绕地飞行的三条轨道，1轨道是近地圆形轨道，2和3是变轨后的椭圆轨道A点是2轨道的近地点，B点是2轨道的远地点，卫星在轨道1的运行速率为7.7 km/s，则下列说法中正确的是()图3A卫星在2轨道经过A点时的速率一定大于7.7 km/sB卫星在2轨道经过B点时的速率一定小于7.7 km/sC卫星在3轨道所具有的机械能小于在2轨道所具有的机械能D卫星在3轨道所具有的最大速率小于在2轨道所具有的最大速率解析卫星在1轨道做匀速圆周运动，由万有引力定律和牛顿第二定律得Gm，卫星在2轨道A点做离心运动，则有G<m，故v1<v2A，选项A正确；卫星在2轨道B点做近心运动，则有G>m，若卫星在经过B点的圆轨道上运动，则Gm，由于r<rB，所以v1>vB，故v2B<vB<v17.7 km/s，选项B正确；3轨道的高度大于2轨道的高度，故卫星在3轨道所具有的机械能大于在2轨道所具有的机械能，选项C错误；卫星在各个轨道上运动时，只有万有引力做功，机械能守恒，在A点时重力势能最小，动能最大，速率最大，故卫星在3轨道所具有的最大速率大于在2 轨道所具有的最大速率，选项D错误答案AB突破训练42013年2月15日中午12时30分左右，俄罗斯车里雅宾斯克州发生天体坠落事件如图4所示，一块陨石从外太空飞向地球，到A点刚好进入大气层，之后由于受地球引力和大气层空气阻力的作用，轨道半径渐渐变小，则下列说法中正确的是()图4A陨石正减速飞向A处B陨石绕地球运转时角速度渐渐变小C陨石绕地球运转时速度渐渐变大D进入大气层后，陨石的机械能渐渐变大答案C解析由于万有引力做功，陨石正加速飞向A处，选项A错误陨石绕地球运转时，因轨道半径渐渐变小，则角速度渐渐变大，速度渐渐变大，选项B错误，C正确进入大气层后，由于受到空气阻力的作用，陨石的机械能渐渐变小，选项D错误考点四重力加速度和宇宙速度的求解1第一宇宙速度v17.9 km/s，既是发射卫星的最小发射速度，也是卫星绕地球运行的最大环绕速度2第一宇宙速度的求法：(1)m，所以v1 .(2)mg，所以v1.3第二、第三宇宙速度也都是指发射速度例5“伽利略”木星探测器，从1989年10月进入太空起，历经6年，行程37亿千米，终于到达木星周围此后在t秒内绕木星运行N圈后，对木星及其卫星进行考察，最后坠入木星大气层烧毁设这N圈都是绕木星在同一个圆周上运行，其运行速率为v，探测器上的照相机正对木星拍摄整个木星时的视角为(如图5所示)，设木星为一球体求：图5(1)木星探测器在上述圆形轨道上运行时的轨道半径；(2)木星的第一宇宙速度解析(1)设木星探测器在题述圆形轨道运行时，轨道半径为r，由v可得：r由题意，T联立解得r(2)探测器在圆形轨道上运行时，万有引力提供向心力，Gm.设木星的第一宇宙速度为v0，有，Gm联立解得：v0 v由题意可知Rrsin ，解得：v0.答案(1)(2)突破训练5随着我国登月计划的实施，我国宇航员登上月球已不是梦想假如我国宇航员登上月球并在月球表面附近以初速度v0竖直向上抛出一个小球，经时间t后回到出发点已知月球的半径为R，万有引力常量为G，则下列说法正确的是()A月球表面的重力加速度为B月球的质量为C宇航员在月球表面获得 的速度就可能离开月球表面围绕月球做圆周运动D宇航员在月球表面附近绕月球做匀速圆周运动的绕行周期为 答案B解析根据竖直上抛运动可得t，g，A项错误；由mgmm()2R可得：M，v ，T2 ，故B项正确，C、D项错误20双星系统模型问题的分析及计算绕公共圆心转动的两个星体组成的系统，我们称之为双星系统，如图6所示，双星系统模型有以下特点：图6(1)各自需要的向心力由彼此间的万有引力相互提供，即m1r1，m2r2(2)两颗星的周期及角速度都相同，即T1T2，12(3)两颗星的半径及它们之间的距离关系为：r1r2L(4)两颗星到圆心的距离r1、r2及星体质量成反比，即(5)双星的运动周期T2 (6)双星的总质量公式m1m2例6冥王星及其附近的星体卡戎可视为双星系统，它们的质量比约为71，同时绕它们连线上某点O做匀速圆周运动由此可知卡戎绕O点运动的()A角速度大小约为冥王星的7倍B向心力大小约为冥王星的1/7C轨道半径约为冥王星的7倍D周期及冥王星周期相同答案CD解析对于双星系统，任意时刻均在同一条直线上，故转动的周期、角速度都相同彼此给对方的万有引力提供向心力，故向心力大小相同，由m12r1m22r2，得7，故C、D项正确.巩固练习11对开普勒三定律的理解火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行，根据开普勒行星运动定律可知()A太阳位于木星运行轨道的中心B火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等C火星及木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方D相同时间内，火星及太阳连线扫过的面积等于木星及太阳连线扫过的面积答案C解析火星和木星在各自的椭圆轨道上绕太阳运动，速度的大小不可能始终相等，因此B错；太阳在这些椭圆的一个焦点上，因此A错； 在相同时间内，某个确定的行星及太阳连线在相同时间内扫过的面积相等，因此D错，本题答案为C.2对万有引力定律的理解关于万有引力公式FG，以下说法中正确的是()A公式只适用于星球之间的引力计算，不适用于质量较小的物体B当两物体间的距离趋近于0时，万有引力趋近于无穷大C两物体间的万有引力也符合牛顿第三定律D公式中引力常量G的值是牛顿规定的答案C解析万有引力公式FG，虽然是牛顿由天体的运动规律得出的，但牛顿又将它推广到了宇宙中的任何物体，适用于计算任何两个质点间的引力当两个物体间的距离趋近于0时，两个物体就不能视为质点了，万有引力公式不再适用两物体间的万有引力也符合牛顿第三定律公式中引力常量G的值是卡文迪许在实验室里用实验测定的，而不是人为规定的故正确答案为C.3第一宇宙速度的计算美国宇航局2011年12月5日宣布，他们发现了太阳系外第一颗类似地球的、可适合居住的行星“开普勒22b”，其直径约为地球的2.4倍至今其确切质量和表面成分仍不清楚，假设该行星的密度和地球相当，根据以上信息，估算该行星的第一宇宙速度等于()A3.3×103 m/s B7.9×103 m/sC1.2×104 m/s D1.9×104 m/s答案D解析由该行星的密度和地球相当可得，地球第一宇宙速度v1 ，该行星的第一宇宙速度v2 ，联立解得v22.4v11.9×104 m/s，选项D正确4对人造卫星及卫星轨道的考查a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星其中a、c的轨道相交于P，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图1所示下列说法中正确的是()图1Aa、c的加速度大小相等，且大于b的加速度Bb、c的角速度大小相等，且小于a的角速度Ca、c的线速度大小相等，且小于d的线速度Da、c存在在P点相撞的危险答案A解析由Gmmr2mrma，可知B、C、D错误，A正确巩固练习21双星系统由两颗恒星组成，两恒星在相互引力的作用下，分别围绕其连线上的某一点做周期相同的匀速圆周运动研究发现，双星系统演化过程中，两星的总质量、距离和周期均可能发生变化若某双星系统中两星做圆周运动的周期为T，经过一段时间演化后，两星总质量变为原来的k倍，两星之间的距离变为原来的n倍，则此时圆周运动的周期为()A.T B.T C. T D.T答案B解析双星靠彼此的万有引力提供向心力，则有Gm1r1Gm2r2并且r1r2L解得T2当双星总质量变为原来的k倍，两星之间距离变为原来的n倍时T2·T故选项B正确22012年6月18日，神州九号飞船及天宫一号目标飞行器在离地面343 km的近圆形轨道上成功进行了我国首次载人空间交会对接对接轨道所处的空间存在极其稀薄的大气，下面说法正确的是()A为实现对接，两者运行速度的大小都应介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间B如不加干预，在运行一段时间后，天宫一号的动能可能会增加C如不加干预，天宫一号的轨道高度将缓慢降低D航天员在天宫一号中处于失重状态，说明航天员不受地球引力作用答案BC解析地球所有卫星的运行速度都小于第一宇宙速度，故A错误轨道处的稀薄大气会对天宫一号产生阻力，不加干预其轨道会缓慢降低，同时由于降低轨道，天宫一号的重力势能一部分转化为动能，故天宫一号的动能可能会增加，B、C正确；航天员受到地球引力作用，此时引力充当向心力，产生向心加速度，航天员处于失重状态，D错误3目前，在地球周围有许多人造地球卫星绕着它转，其中一些卫星的轨道可近似为圆，且轨道半径逐渐变小若卫星在轨道半径逐渐变小的过程中，只受到地球引力和稀薄气体阻力的作用，则下列判断正确的是()A卫星的动能逐渐减小B由于地球引力做正功，引力势能一定减小C由于气体阻力做负功，地球引力做正功，机械能保持不变D卫星克服气体阻力做的功小于引力势能的减小答案BD解析在卫星轨道半径逐渐变小的过程中，地球引力做正功，引力势能减小；气体阻力做负功，机械能逐渐转化为内能，机械能减小，选项B正确，C错误卫星的运动近似看作是匀速圆周运动，根据Gm得v ，所以卫星的速度逐渐增大，动能增大，选项A错误减小的引力势能一部分用来克服气体阻力做功，一部分用来增加动能，故D正确6据报道，嫦娥三号将于近期发射嫦娥三号接近月球表面的过程可简化为三个阶段：距离月球表面15 km时打开反推发动机减速，下降到距月球表面H100 m高度时悬停，寻找合适落月点；找到落月点后继续下降，距月球表面h4 m时速度再次减为0；此后，关闭所有发动机，使它做自由落体运动落到月球表面已知嫦娥三号质量为140 kg，月球表面重力加速度g约为1.6 m/s2，月球半径为R，引力常量G.求：(1)月球的质量；(用题给字母表示)(2)嫦娥三号悬停在离月球表面100 m处时发动机对嫦娥三号的作用力；(3)嫦娥三号从悬停在100 m处到落至月球表面，发动机对嫦娥三号做的功答案(1)(2)224 N(3)21 504 J解析(1)在月球表面Gmg解得：M(2)因受力平衡，有Fmg解得：F224 N(3)从悬停在高100 m处到达高4 m处过程由动能定理mg(Hh)W10从高4 m处释放后嫦娥三号机械能守恒，发动机不做功W20解得：WW1W221 504 J作业题组1万有引力定律及应用1假设地球是一半径为R、质量分布均匀的球体一矿井深度为d.已知质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零矿井底部和地面处的重力加速度大小之比为()A1 B1 C()2 D()22如图1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()图1A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题组2天体质量和密度的计算3有一宇宙飞船到了某行星上(该行星没有自转运动)，以速度v贴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无法求出该行星的质量D该行星表面的重力加速度为题组3卫星运行参量的分析及计算4已知金星绕太阳公转的周期小于木星绕太阳公转的周期，它们绕太阳的公转均可看做匀速圆周运动，则可判定()A金星到太阳的距离大于木星到太阳的距离B金星运动的速度小于木星运动的速度C金星的向心加速度大于木星的向心加速度D金星的角速度小于木星的角速度5我国研制并成功发射的“嫦娥二号”探测卫星，在距月球表面高度为h的轨道上做匀速圆周运动，运行的周期为T.若以R表示月球的半径，则()A卫星运行时的线速度为B卫星运行时的向心加速度为C月球的第一宇宙速度为D物体在月球表面自由下落的加速度为 题组4卫星变轨问题的分析6如图4所示，“嫦娥二号”卫星由地面发射后，进入地月转移轨道，经多次变轨最终进入半径为100 km、周期为118 min的工作轨道，开始对月球进行探测，则()图4A卫星在轨道上的运动速度比月球的第一宇宙速度小B卫星在轨道上经过P点的速度比在轨道上经过P点时大C卫星在轨道上运动的周期比在轨道上短D卫星在轨道上的机械能比在轨道上大题组5双星问题7天文学家如果观察到一个星球独自做圆周运动，那么就想到在这个星球附近存在着一个看不见的星体黑洞星球及黑洞通过万有引力的作用组成双星，以两者连线上某点为圆心做匀速圆周运动，那么()A它们做圆周运动的角速度及其质量成反比B它们做圆周运动的周期及其质量成反比C它们做圆周运动的半径及其质量成反比D它们所受的向心力及其质量成反比题组6万有引力及航天的综合计算题8有一探测卫星在地球赤道正上方绕地球做匀速圆周运动，已知地球质量为M，地球半径为R，万有引力常量为G，探测卫星绕地球运动的周期为T.求：(1)探测卫星绕地球做匀速圆周运动时的轨道半径；(2)探测卫星绕地球做匀速圆周运动时的速度大小；(3)在距地球表面高度恰好等于地球半径时，探测卫星上的观测仪器某一时刻能观测到的地球表面赤道的最大弧长(此探测器观测不受日照影响，不考虑大气对光的折射)课堂练习课后作业教学反思提交时间教研组长审批教研主任审批1答案A解析设地球的密度为，地球的质量为M，根据万有引力定律可知，地球表面的重力加速度g.地球质量可表示为MR3.因质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零，所以矿井下以(Rd)为半径的地球的质量为M(Rd)3，解得M()3M，则矿井底部的重力加速度g，则矿井底部的重力加速度和地面处的重力加速度大小之比为1，选项A正确2答案BC解析地球对一颗卫星的引力等于一颗卫星对地球的引力，由万有引力定律得其大小为，故A错误，B正确；任意两颗卫星之间的距离Lr，则两颗卫星之间的引力大小为，C正确；三颗卫星对地球的引力大小相等且三个引力互成120°，其合力为0，故D选项错误3答案AB解析由T可得：R，A正确；由m可得：M，C错误；由MR3得：，B正确；由mg得：g，D错误4答案C解析由Fmm2Rm得：R，所以周期大的轨道半径大，因此A错；v ，所以半径小的线速度大，因此B错；向心加速度a，半径小的向心加速度大，因此C正确；，周期小的角速度大，因此D错5答案BC解析卫星运行时的线速度为v，选项A错误；卫星运行时的向心加速度为a2(Rh)，选项B正确；由m2(Rh)，v1 ，联立解得月球的第一宇宙速度为v1，选项C正确；由mg，m2(Rh)，联立解得物体在月球表面自由下落的加速度为g，选项D错误6答案ACD解析由题图知，r>r>r>r月，由万有引力定律、牛顿第二定律得，v ，T ，卫星在轨道上的运动速度比月球的第一宇宙速度小，选项A正确；卫星在轨道上经过P点的速度比在轨道上经过P点时小，选项B错误；卫星在轨道上运动周期比在轨道上短，选项C正确；卫星从轨道运动到轨道要靠人为控制减速实现，故卫星在轨道上的机械能比在轨道上大，选项D正确7答案C解析星球及黑洞绕某点做匀速圆周运动，它们之间的万有引力提供向心力，则星球及黑洞的向心力相等，选项D错误；星球及黑洞和某点始终共线，说明它们有相同的角速度和周期，选项A、B错误；设星球及黑洞的质量、轨道半径分别为m1、m2和r1、r2，角速度为，则有m12r1m22r2，解得，选项C正确8答案(1) (2) (3)解析(1)设卫星质量为m，卫星绕地球运动的轨道半径为r，根据万有引力定律和牛顿第二定律得：Gm，解得r (2)设探测卫星绕地球做匀速圆周运动时的速度大小为v，v (3)设探测卫星在地球赤道上方A点处，距离地球中心为2R，探测卫星上的观测仪器最远能观测到地球赤道上的B点和C点，能观测到赤道上的最大弧长是lBC，如图所示，cos ，则：60°观测到的地球表面赤道的最大弧长lBC第 17 页