2022年万有引力与航天重点知识归纳及经典例题练习2 .pdf
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1、第五讲万有引力定律重点归纳讲练知识梳理考点一、万有引力定律1. 开普勒行星运动定律(1) 第一定律(轨道定律):所有得行星围绕太阳运动得轨道都就是椭圆,太阳处在椭圆得一个焦点上. (2) 第二定律 (面积定律 ):对任意一个行星来说,它与太阳得连线在相等时间内扫过相等得面积。(3) 第三定律 (周期定律):所有行星得轨道得半长轴得三次方跟公转周期二次方得比值都相等,表达式:。其中值与太阳有关,与行星无关。(4) 推广:开普勒行星运动定律不仅适用于行星绕太阳运转,也适用于卫星绕地球运转。当卫星绕行星旋转时,但 k 值不同 ,k 与行星有关 ,与卫星无关。(5) 中学阶段对天体运动得处理办法:把椭
2、圆近似为园 ,太阳在圆心 ;认为 v 与不变,行星或卫星做匀速圆周运动; ,R-轨道半径 . 2. 万有引力定律(1) 内容:万有引力与m1m2成正比 ,与成反比。(2) 公式: ,G 叫万有引力常量, . (3) 适用条件:严格条件为两个质点;两个质量分布均匀得球体,r 指两球心间得距离; 一个均匀球体与球外一个质点,r 指质点到球心间得距离. 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页,共 17 页 - - - - - - - - - - (4) 两个物体间得万有引力也遵循牛顿第三定律。3
3、. 万有引力与重力得关系(1) 万有引力对物体得作用效果可以等效为两个力得作用,一个就是重力m,另一个就是物体随地球自转所需得向心力f,如图所示。在赤道上, =向m,即;在两极 mg,即;故纬度越大,重力加速度越大。由以上分析可知 ,重力与重力加速度都随纬度得增加而增大。(2) 物体受到得重力随地面高度得变化而变化.在地面上, ;在地球表面高度为 h 处: ,所以,随高度得增加,重力加速度减小。考点二、万有引力定律得应用求天体质量及密度1。T、法: ,再根据 ,当 r=R 时,2。g、R 法:,再根据3v、r 法: .v、T 法:考点三、星体表面及某高度处得重力加速度1、星球表面处得重力加速度
4、:在忽略星球自转时,万有引力近似等于重力,则。注意: R 指星球半径。2、距星球表面某高度处得重力加速度:,或。注意:卫星绕星球做匀速圆周运动,此时得向心加速度,即向心加速度与重力加速度相等。考点四、天体或卫星得运动参数我们把卫星(天体)绕同一中心天体所做得运动瞧成匀速圆周运动,所需精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页,共 17 页 - - - - - - - - - - 要得向心力由万有引力提供,,就可以求出卫星(天体)圆周运动得有关参数: 1、线速度 : 、角速度:3 周期: 4、向
5、心加速度:规律:当变大时 ,“三小” (v 变小,变小, a变小 )“一大 (T 变大)。考点五、地球同步卫星对于地球同步卫星,要理解其特点 ,记住一些重要数据。总结同步卫星得以下“七个一定” 。1、轨道平面一定:与赤道共面。2、周期一定 :T=24,与地球自转周期相同。3、角速度一定:与地球自转角速度相同。4、绕行方向一定 :与地球自转方向一致。5、高度一定 :由27322222226106 . 34,4)()(RmRTgRhgRGMThRmhRMmG。6、线速度大小一定 :smhRgRhRGMvgRGMhRvmhRMmG/101 . 3,)()(32222。7、向心加速度一定:222222
6、/23. 0)()(,)(smhRgRhRGMagRGMmahRMmGnn。考点六、宇宙速度1、对三种宇宙速度得认识: 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页,共 17 页 - - - - - - - - - - 第一宇宙速度 -人造卫星近地环绕速度。大小v1、 9km/。第一宇宙速度得算法:法一:由, r=R+h,而近地卫星 =0,r=R,则,代入数据可算得: v17、k/s。法二:忽略地球自转时,万有引力近似等于重力,则,同理r=Rh,而近地卫星 h0,=R,,代入数据可算得 :v1=
7、7、9km/。对于其她星球得第一宇宙速度可参照以上两法计算。计算重力加速度时一般与以下运动结合:自由落体运动;竖直上抛运动;平抛运动 ;单摆(2)第二宇宙速度脱离速度。大小 v211、k/s,就是使物体脱离地球吸引,成为绕太阳运行得行星得最小发射速度。(3)第三宇宙速度 -逃逸速度。大小 v36、7km/,就是使物体脱离逃逸引力吸引束缚得最小发射速度. 2、环绕(运行)速度与发射速度得区别:三种宇宙速度都就是发射速度,环绕速度就是指卫星绕地球做匀速圆周运动时得线速度大小;轨道越高,环绕速度越小,所需得发射速度越大 ,所以第一宇宙速度时指最大环绕速度,最小发射速度 . 考点七卫星变轨问题人造卫星
8、发射过程要经过多次变轨,如图所示 ,我们从以下几个方面讨论 : 一、变轨原理及过程B A 1 2 3 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页,共 17 页 - - - - - - - - - - 1、为了节约能量,卫星在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆形轨道1上。2、在 A 点点火加速 ,由于速度变大,万有引力不足以提供轨道上做圆周运动得向心力,卫星做离心运动进入轨道2. 3、在 B 点(远地点 )再次点火进入轨道3. 二、一些物理量得定性分析1、速度:设卫星在园轨道1 与运行时速率为v
9、1、v3,在 A 点、B 点速率为 v、v。在 A 点加速 ,则 vAv1,在点加速,则B,又因 v1v3,故有 vAvvB. 2、加速度:因为在A 点,卫星只受到万有引力作用,故不论从轨道1 还就是轨道 2 经过 A 点,卫星得加速度都相同,同理,经过 B 点加速度也相同。、周期:设卫星在1、2、3 轨道上运行周期分别为T1、2、T3。轨道半径分别为 r1、r(半长轴)、r3,由开普勒第三定律可知,T1TT3. 三、从能量角度分析变轨问题得方法把椭圆轨道按平均半径考虑,根据轨道半径越大,卫星得机械能越大,卫星在各轨道之间变轨得话,若从低轨道进入高轨道,则能量增加 ,需要加速 ;若从高轨道进入
10、低轨道,则能量减少,需要减速。四、从向心力得角度分析变轨问题得方法当万有引力恰好提供卫星所需向心力时,即时,卫星做匀速圆周运动。若速度突然增大时, ,万有引力小于向心力,做离心运动, 则卫星轨道半径变大. 若速度突然减小时,,万有引力大于向心力,做近心运动 ,则卫星轨道半径变小。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页,共 17 页 - - - - - - - - - - 考点八双星问题被相互引力系在一起,互相绕转得两颗星就叫物理双星。双星就是绕公共重心转动得一对恒星。如图所示双星系统具有以
11、下三个特点:1、各自需要得向心力由彼此间得万有引力相互提供,即:, ;、两颗星得周期及角速度都相同,即:T1T2,1=2; 3、两颗星得半径与它们之间距离关系为:r1r2=L. 补充一些需要用到得知识: 1、卫星得分类 : 卫星根据轨道平面分类可分为:赤道平面轨道(轨道在赤道平面内);极地轨道(卫星运行时每圈都经过南北两极);任意轨道 (与赤道平面得夹角在o90o之间) 。但轨道平面都经过地心。卫星根据离地高度分类可分为:近地卫星 (在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动得卫星,可认为h=0,=R) ;任意高度卫星(离开地面一定高度运行得卫星 ,轨道半径 r=R+h,R 指地球半径 ,h 指卫星离
12、地高度, 其中同步卫星就是一个它得一个特例) 。轨道平面都经过地心。2、人造卫星得机械能:E=+EP(机械能为动能与引力势能之与),动能,由运行速度决定;引力势能由轨道半径(离地高度)决定, r 增大,动能减小,引力势能增大,但,所以卫星得机械能随着轨道半径(离地高度 )增大而增大。3、人造卫星得两个速度:发射速度 :在地球表面将人造卫星送入预定轨道运行所必须具有得速度,发射时所具有得动能要包括送入预定轨道得动能与引力势能之与 ,即机械能,所以r 增大,发射速度增大; 环绕 (运行 )速度:卫星在轨道上绕地球做匀速圆周运动所具有得速度,r精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - -
13、- - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页,共 17 页 - - - - - - - - - - 增大时 ,环绕速度减小 . 4、推导并记住近地卫星得几个物理量得公式与数值: 近地卫星指在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动得卫星,可认为=0,r=。运行速度: ,它就是所有卫星得最大运行速度(因为h0,无需增大引力势能,故发射速度等于运行速度,所以这个速度又就是所有卫星得最小发射速度) ;角速度 :,=R, ,最小,它得角速度在所有卫星中最大.(无需记数值 ) 周期 :,r, 50s,r最小,它得周期在所有卫星中最小。向心加速度: ,r=R,,r 最
14、小,它得向心加速度在所有卫星中最大. 5、卫星得追击问题: 由知,同一轨道上得两颗卫星,周期 T 相同,后面得不可能追上前面得.卫星绕中心天体得半径越大,越大 .同一半径方向不同轨道得两颗卫星(设周期分别为 T1、T2 ,且 TT2)再次相遇得时间满足,或。6、万有引力与航天知识要注意模型:把天体都瞧成质点;把天体得运动在没有特殊说明时都瞧成匀速圆周运动;常见得匀速圆周运动模型分三种:核星模型(中心天体不动,行星或卫星绕中心天体运动);双星模型 (两颗星绕连线上某点做周期相同得匀速圆周运动);三星模型 (三颗星组成稳定得系统,做匀速圆周运动 ,三颗星一般组成正三角形或在一条直线上)。7、估算问
15、题得思维与解答方法: 估算问题首先要找到依据得物理概念或物理规律(这就是关键);运用精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页,共 17 页 - - - - - - - - - - 物理方法或近似计算方法,对物理量得数值或取值范围进行大致得推算;估算题常常要利用一些隐含条件或生活中得常识.如:在地球表面受到得万有引力等于重力;地球表面附近得重力加速度=9、 ms2;地球自转周期, 公转周期 T0=天; 月球绕地球公转周期约为27 天;近地卫星周期为85 分钟;日地距离约、 5 亿千米;月地距离
16、约亿千米;同步卫星、近地卫星得数据等. 8、物体随地球自转得向心加速度与环绕地球运行得公转向心加速度: 物体随地球自转得向心加速度由地球对物体得万有引力得一个分力提供,计算公式为: ,式中为地球自转周期,0为地表物体到地轴得距离; 卫星环绕地球运行得向心加速度所需得向心力由地球对它得全部万有引力提供,计算公式为:,式中 M 为地球质量 ,为卫星与地心得距离。例题讲解例 1、两颗人造卫星A、B 绕地球做圆周运动 ,周期之比为 ,则轨道半径之比与运动速率之比分别为( )、B、C、D、解析由可得卫星得运动周期与轨道半径得立方得平方根成正比,由可得轨道半径 ,然后再由得线速度 . 所以正确答案为项.
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