万有引力与宇宙航行复习课课件 2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册.pptx

高中物高中物理理一、开普勒的行星运动规律开普勒第一定律：所有的行星围绕太阳运动的轨道都是 椭圆，太阳处在所有椭圆一个焦点上。开普勒第二定律：对于每一个行星而言，太阳和行星的 连线在相等的时间内扫过相等的面积。开普勒第三定律：所有行量轨道半长轴的三次方跟公转 周期的二次方的比值都相等。kT 2a3比值k是一个与太阳质量 有关,与行星无关的常量R3T 2 k12R 3R 3T 2T 2 1222RTRT(1)3(1)2高中物高中物理理二、万有引力定律宇宙间的一切物体都是相互吸引的，两个物体间的引 力大小与它们的质量的乘积成正比，跟它们距离的平方r 2成反比。m mF G 12卡文迪什扭秤实验G 6.67 1011 N m2/kg2万 有 引 力 定 律 的 应 用思路一：天体表面重力 近似等于万有引力思路二：天体运动中，万有引力提供物体圆 周运动向心力高中物高中物理理解决天体问题的两条基本思路T 242MmGr 2v2r mn)r ma m2r m(由环绕天体v、r中任意 两个量可求解中心天体质量G Mm mgR2MmR 2F G引nF m2 rMRFn mmg1 1、引力和重、引力和重力力rF引高中物高中物理理三、万有引力在天文学上的应用(1)当物体在赤道上:F引、G、Fn三力同向此时向心力达到最大值，重力达到最小值(2)当物体在两极时:Fn=0，F引=G此时重力等于万有引力，重力达到最大值F引Fn mg高中物高中物理理对万有引力和重力的关系要注意以下几点：(1)在地面上，忽略地球自转时，认为物体的向心力为零，各位置均有N向N2在地球上所有只在重力作用下的运动形式，如自由落体运动、竖直上 抛运动、平抛运动、斜抛运动等，其运动规律和研究方法同样适用于在 其他星球表面的同类运动的分析，只是当地重力加速度取值不同而已。G Mm mg；R2R2(2)若考虑地球自转，对在赤道上的物体，有G Mm F F，其中F 大小等于mg，对处于南北两极的物体，则有 R 2 mg。G Mm高中物高中物理理R 2g GMMm(R h)2GM(R h)2G mg g GM gR22 2、重力加速、重力加速度度g g(1)天体表面的重力加速度为(2)离表面某一高度的物体的重力加速度(轨道重力加速度)星球半径运行轨道注意：Rrh离地面的高度(到地心的距离)rgR2r(R h)2G Mm mgR2高中物高中物理理3 3、由、由环绕环绕天体求解中心天体的天体求解中心天体的质质量及密量及密度度GT 242 r 3TMmGr2)2 rM 2 m(VGT 23当环绕天体在中心 天体的表面运行时GT 2 R33r 3M gR2GM 3g4RGr为环绕半径R为中心天体的半径r=RV 4 R3 3RG Mm mg2Mmv2rrG mGMrv r 2GMr3G Mm m2 r高中物高中物理理4 4、环绕环绕天体的天体的绕绕行速度、角速度、周期与半径的关行速度、角速度、周期与半径的关系系r 越大,v越小Gr 2Mm42 mrT 2GM42r3T r 2nG Mm mar 2a GMr 越大,越小r 越大,T越大r 越大,a越小高中物高中物理理卫星的环绕速度、角速度、周期与其质量无关，仅由轨道半径决定。离地面越高的卫星，运行速度(v,)越小，向心加 速度越小，周期越长。向高轨道发射卫星所需要较大的发射速度，但高 轨道的运行速度反而小。轨道越高，动能越小，势能越大，机械能越大第一宇宙速度发射卫星的最小发射速度卫星绕地球做圆周运动最大环绕速度近地卫星环绕速度5、宇宙速、宇宙速度度（1）第一宇宙速度:v=7.9km/s，是物体在地球表面做匀速 圆周运动的速度,又叫环绕速度。（2）第二宇宙速度：v=11.2km/s，是物体克服地球引力，永远离开地球的最小发射速度，也称为脱离速度。（3）第三宇宙速度：v=16.7km/s，是物体挣脱太阳引力 束缚，飞到太阳系外的最小发射速度。也成为逃逸速度。高中物高中物理理发发射速度射速度v运运动动情情况况v7.9km/s物体落回地面v=7.9km/s物体在地面附近绕地做匀速圆周运动7.9km/sv11.2km/s物体绕地球运转，运动轨迹是椭圆11.2km/s v16.7km/s物体绕太阳运动v16.7km/s物体飞出太阳系Mmv2G mg m R2Rv gRRGMv Mmv2G m R2R第一宇宙速度GM gR2高中物高中物理理6、卫星的运行轨道赤道轨道：卫星轨道在赤道平 面，卫星始终处于赤道上方极地轨道：卫星轨道平面与赤 道平面垂直，卫星通过两极上空一般轨道：卫星轨道和赤道成 某一定角度。平面过球心同步卫星同周期、同角速度、同频率、同转速、同高度、同线 速度大小、同向心加速度大小、同绕行方向，同在赤道的 正上方。质量不同，向心力不同高中物高中物理理r 2)rTG Mm m(2 2h 3.6 104 kmMmv2Gr 2 mr环绕方向与地球自转方向相同7、地球同步卫星所谓同步卫星，即与地球保持同步，周期同地球自转 周期相同(角速度相同)，且轨道面必须在赤道平面T 24hr R hGM gR2v=3.1km/s高中物高中物理理8、赤道上物体、近地卫星、同步卫星RABCB、C:a近a同A、C:a近 a同 a赤综上所述：v近 v同 v赤均为卫星，同步卫星轨道半径大v近 v同近同角速度相同a同 a赤v同 v赤赤=同近同=赤a近 a赤v近 v赤A、B:半径相同近赤高高中中物物内内理理容容赤赤道道近近地地同同步步线线速速度度v1 1Rv GM2Rv GM(R h)3R h3v1 v3 v2第一宇宙速度角速角速度度1 地 GM2R3 GM3地(R h)31 3 2向心向心加加 速速度度a 2 R11a 2 R22 GMR2a 2(R h)33GM(R h)2a1 a3 a2高中物高中物理理地球9、卫星变轨轨道越高，速度越小 轨道越低，速度越大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：不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨Mmv2(1)当卫星的速度突然增大时，Gr 2r m，即万有引力GMr道，轨道半径变大，当卫星进入新的轨道稳定时由v 可知其运行速度比原轨道时减小。高中物高中物理理Mmv2(2)当卫星的速度突然减小时，Gr2 mr，即万有引力GMr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时由 v 可知其运行速度比原轨道时增大。（3）卫星变轨中物理量的比较a.速 度：v2Av1Av3Bv2B.b.加速度：a1Aa2Aa2Ba3B.c.周期：T1T2T3.d.能量：机械能E1E3，势能E1E3高中物高中物理理10、双星运动的特点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，“双星”是由两颗绕着共同的 中心旋转的恒星组成。对于其中一颗来说，另一 颗就是其“伴星”。1、两颗恒星均围绕共同的旋转中 心做匀速圆周运动。2、两恒星之间万有引力分别提供 了两恒星的向心力，即两颗恒星受到的向心力大小相等。m 2 r m 2 r1122r2m1r1 m2m1m2G(r r)212高中物高中物理理11、天体的追及相遇、天体的追及相遇问问题题r 2（2）两星追上或相距最近）两星追上或相距最近时时，两星运行的角度之差等于，两星运行的角度之差等于2的的整整数数倍倍；相相距距最最远远时时，两两星星运运行行的的角角度度之之差差等等于于的的奇奇数数倍倍。卫卫星星 与与地地面面上上物物体体追追及及(卫卫星星在在地地面面上上物物体体的的正正上上方方)时时，要要根根据据地地面面 上物体与同步上物体与同步卫卫星角速度相同的特点星角速度相同的特点进进行判断行判断。（1）根）根据据 G Mmmr2，可判断出可判断出谁谁的角速度大的角速度大；高中物高中物理理AB卫星“追击”问题 某时刻两卫星相距最近(两卫星与地心 共线)，经过多长时间两卫星再次相距最近或最远？BAA B 2ABA B TATB22t t 2At Bt 2At Bt TATB22t t