高考总复习万有引力与航天改版.ppt

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1、 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，引力的大小与物体的质量的连线上，引力的大小与物体的质量 m1和和 m2的的乘积乘积成正比，与它们之成正比，与它们之间距离间距离 r 的的二次方二次方成反比成反比 2 公式： 公式： FGm1m2r2， 其中， 其中 G6.671011_Nm2/kg2， 叫引力常量， 叫引力常量 3公式适用条件：此公式适用于公式适用条件：此公式适用于质点质点间的相互作用当两物体间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，物体可视为质点均匀的球体可视的

2、距离远远大于物体本身的大小时，物体可视为质点均匀的球体可视为质点，为质点，r是是两球心两球心间的距离一个均匀球体与球外一个质点间的万有间的距离一个均匀球体与球外一个质点间的万有引力也适用，其中引力也适用，其中r为球心到为球心到质点质点间的距离间的距离问题探究问题探究1如何理解万有引力定律中的如何理解万有引力定律中的“r”及及“F”？提示提示(1)对万有引力定律公式中各量的意义一定要准确理解，对万有引力定律公式中各量的意义一定要准确理解，尤其是距离尤其是距离r的取值，一定要搞清它是两质点之间的距离的取值，一定要搞清它是两质点之间的距离. 质量分布均匀质量分布均匀的球体间的相互作用力，用万有引力公

3、式计算，式中的的球体间的相互作用力，用万有引力公式计算，式中的r是两个球体球是两个球体球心间的距离心间的距离问题探究问题探究2不同星球的第一宇宙速度由什么决定？不同星球的第一宇宙速度由什么决定？提示提示由第一宇宙速度的两种表达式可以看出：第一宇宙速度由第一宇宙速度的两种表达式可以看出：第一宇宙速度由中心天体决定，具体来说由中心天体的质量和半径或由天体表面的重由中心天体决定，具体来说由中心天体的质量和半径或由天体表面的重力加速度和天体的半径决定力加速度和天体的半径决定三、第二宇宙速度和第三宇宙速度三、第二宇宙速度和第三宇宙速度()1第二宇宙速度：第二宇宙速度：v211.2 km/s，使物体挣脱，

4、使物体挣脱地球地球引力束缚的最引力束缚的最小发射速度小发射速度2第三宇宙速度：第三宇宙速度：v316.7 km/s，使物体挣脱，使物体挣脱太阳太阳引力束缚的最引力束缚的最小发射速度小发射速度问题探究问题探究3如果人造卫星的发射速度为如果人造卫星的发射速度为11.2 km/sv16.7 km/s，则人造卫星将做什么运动？则人造卫星将做什么运动？提示提示人造卫星将围绕太阳做椭圆运动人造卫星将围绕太阳做椭圆运动四、经典时空观和相对论时空观四、经典时空观和相对论时空观()1经典时空观经典时空观(1)在经典力学中，物体的质量是不随在经典力学中，物体的质量是不随运动状态运动状态而改变的而改变的(2)在经典

5、力学中，同一物理过程发生的位移和对应时间的测量结在经典力学中，同一物理过程发生的位移和对应时间的测量结果在不同的参考系中是果在不同的参考系中是相同相同的的问题探究问题探究4在日常生活中，我们为什么没有发现物体的质量随物在日常生活中，我们为什么没有发现物体的质量随物体运动状态的变化而变化？体运动状态的变化而变化？提示提示通常情况下我们在日常生活中所观察到的物体的速度通常情况下我们在日常生活中所观察到的物体的速度vc，所以质量随速度的变化非常微小，所以质量随速度的变化非常微小 要点一要点一 万有引力与重力的关系万有引力与重力的关系 1.处于地球表面上的物体要受到地球的万有引力，其方向指向地心处于地

6、球表面上的物体要受到地球的万有引力，其方向指向地心. 这一引力会产生两种效果，其一是使物体压紧地面，这就是重力，大小这一引力会产生两种效果，其一是使物体压紧地面，这就是重力，大小等于地面对物体的支持力等于地面对物体的支持力 FNmg. 方向跟支持力方向相反，垂直该处方向跟支持力方向相反，垂直该处的水平面竖直向下；其二是为物体随地球自转提供向心力的水平面竖直向下；其二是为物体随地球自转提供向心力 F向向m2自自r，从合力与分力的关系来看，重力从合力与分力的关系来看，重力 mg 和向心力和向心力 F向向是万有引力的两个效是万有引力的两个效果力，即分力果力，即分力. 答案答案BD星球表面答案答案AC

7、要点三要点三 对三种宇宙速度的理解对三种宇宙速度的理解 第一宇宙速度是卫星在星球表面附近做匀速圆周运动时必须具有第一宇宙速度是卫星在星球表面附近做匀速圆周运动时必须具有的线速度，是所有围绕星球做圆周运动的卫星所具有的最大的线速的线速度，是所有围绕星球做圆周运动的卫星所具有的最大的线速度理解第一宇宙速度，要抓住两个要点：一是度理解第一宇宙速度，要抓住两个要点：一是“在星球表面附近在星球表面附近”，卫星的轨道半径卫星的轨道半径 r 与星球的半径与星球的半径 R 相等；二是相等；二是“匀速圆周运动匀速圆周运动”，卫星，卫星所受的向心力由万有引力提供，即所受的向心力由万有引力提供，即 GMmR2mv2

8、1r，故，故 v1GMR，又由，又由于星球表面万有引力约等于重力，即于星球表面万有引力约等于重力，即 GMmR2mg，故，故 v1 gR.地球的第地球的第一宇宙速度约为一宇宙速度约为 v17.9 km/s，月球的第一宇宙速度约为，月球的第一宇宙速度约为 1.8 km/s. 三种宇宙速度的对比三种宇宙速度的对比以地球为例，三种宇宙速度和相应轨道间的关系如图所示当卫以地球为例，三种宇宙速度和相应轨道间的关系如图所示当卫星在地面附近做圆周运动时，其运行速度即为第一宇宙速度星在地面附近做圆周运动时，其运行速度即为第一宇宙速度7.9 km/s；当卫星到达地面附近时，其速度介于当卫星到达地面附近时，其速度

9、介于7.911.2 km/s之间，则卫星沿椭之间，则卫星沿椭圆轨道绕地球运动；当卫星到达地面附近时，其速度介于圆轨道绕地球运动；当卫星到达地面附近时，其速度介于11.216.7 km/s之间，则卫星沿椭圆轨道飞离地球，成为绕太阳运动的卫星；当卫星之间，则卫星沿椭圆轨道飞离地球，成为绕太阳运动的卫星；当卫星到达地面附近时，其速度超过到达地面附近时，其速度超过16.7 km/s，则卫星能飞出太阳系成为太阳，则卫星能飞出太阳系成为太阳系外的卫星三种宇宙速度是指卫星发射的速度，而不是在轨道上的运系外的卫星三种宇宙速度是指卫星发射的速度，而不是在轨道上的运行速度行速度(2011菏泽统测菏泽统测)“嫦娥二

10、号嫦娥二号”卫星已成功发射，这次发射后卫星卫星已成功发射，这次发射后卫星直接进入近地点高度直接进入近地点高度200公里、远地点高度约公里、远地点高度约38万公里的地月转移轨道万公里的地月转移轨道直接奔月，当卫星到达月球附近的特定位置时，卫星就必须直接奔月，当卫星到达月球附近的特定位置时，卫星就必须“急刹车急刹车”，也就是近月制动，以确保卫星既能被月球准确捕获，又不会撞上月球，也就是近月制动，以确保卫星既能被月球准确捕获，又不会撞上月球，并由此进入近月点并由此进入近月点100公里、周期公里、周期12小时的椭圆轨道小时的椭圆轨道a.再经过两次轨道再经过两次轨道调整，进入调整，进入100公里的近月圆

11、轨道公里的近月圆轨道b，轨道，轨道a和和b相切于相切于P点，如图所示，点，如图所示，下列说法正确的是下列说法正确的是()A“嫦娥二号嫦娥二号”卫星的发射速度大于卫星的发射速度大于7.9 km/s，小于，小于11.2 km/sB“嫦娥二号嫦娥二号”卫星的发射速度大于卫星的发射速度大于11.2 km/sC“嫦娥二号嫦娥二号”卫星在轨道卫星在轨道a、b上经过上经过P点的速度点的速度vavbD“嫦娥二号嫦娥二号”卫星在轨道卫星在轨道a、b上经过上经过P点的加速度分别为点的加速度分别为aa、ab，则，则aaab答案答案AD要点四要点四同步卫星、近地卫星及赤道上物体的区别同步卫星、近地卫星及赤道上物体的区

12、别1.同步卫星同步卫星“同步同步”的含义是它绕地心匀速圆周运动的角速度跟的含义是它绕地心匀速圆周运动的角速度跟地球自转的角速度相同，且圆轨道平面跟赤道平面重合，即静止在赤道地球自转的角速度相同，且圆轨道平面跟赤道平面重合，即静止在赤道正上方正上方. 万有引力为它提供向心力，其向心加速度等于轨道处的重力加万有引力为它提供向心力，其向心加速度等于轨道处的重力加速度，比地面处的重力加速度小的多，运行周期速度，比地面处的重力加速度小的多，运行周期T24小时小时2近地卫星可看做绕地球表面运行的卫星近地卫星可看做绕地球表面运行的卫星近地卫星由于离开了地球，它只受到一个万有引力的作用，万有近地卫星由于离开了

13、地球，它只受到一个万有引力的作用，万有引力全部充当向心力，其向心加速度近似等于地面上的重力加速度，即引力全部充当向心力，其向心加速度近似等于地面上的重力加速度，即ag.通过以上讨论可以看出，放在赤道上的物体与近地卫星有着显著通过以上讨论可以看出，放在赤道上的物体与近地卫星有着显著的区别的区别. 首先两者的受力不同，前者受到的万有引力只有一小部分充当首先两者的受力不同，前者受到的万有引力只有一小部分充当向心力，绝大多数作为重力使得物体紧压地面；而后者受到的万有引力向心力，绝大多数作为重力使得物体紧压地面；而后者受到的万有引力全部充当向心力，它们的运动周期和速度也不同，并且有很大的差全部充当向心力

14、，它们的运动周期和速度也不同，并且有很大的差异赤道上的物体相对地球保持静止，而近地卫星相对于地球而言处于异赤道上的物体相对地球保持静止，而近地卫星相对于地球而言处于高速旋转状态高速旋转状态. 而同步卫星和近地卫星都只受万有引力，全部提供向心而同步卫星和近地卫星都只受万有引力，全部提供向心力，研究方法相同力，研究方法相同答案答案AB(对应学生用书对应学生用书P73)题型一题型一测量中心天体的质量和密度测量中心天体的质量和密度RJRJ版版 物理物理 新课标高考总复习新课标高考总复习答案答案A题型二题型二卫星的稳定运行与变轨运动分析卫星的稳定运行与变轨运动分析 例例2(2011苏锡常镇四市调研苏锡常

15、镇四市调研)2010年年10月月26日日21时时27分，北京分，北京航天飞行控制中心对航天飞行控制中心对“嫦娥二号嫦娥二号”卫星实施了降轨控制，卫星成功由轨卫星实施了降轨控制，卫星成功由轨道半径为道半径为a、周期为、周期为T1的极月圆轨道进入远月点距离为的极月圆轨道进入远月点距离为a、周期为、周期为T2的椭的椭圆轨道，为在月球虹湾区拍摄图象做好准备，轨道如图所示则圆轨道，为在月球虹湾区拍摄图象做好准备，轨道如图所示则“嫦娥嫦娥二号二号”()A在极月圆轨道上运行周期在极月圆轨道上运行周期T1小于它在椭圆轨道运行周期小于它在椭圆轨道运行周期T2B经过极月圆轨道上经过极月圆轨道上B点时的速率大于它经

16、过椭圆轨道上点时的速率大于它经过椭圆轨道上A点时点时的速率的速率C在极月圆轨道上经过在极月圆轨道上经过B点和在椭圆轨道上经过点和在椭圆轨道上经过A点时的加速度点时的加速度大小相等大小相等D在极月圆轨道上经过在极月圆轨道上经过B点和在椭圆轨道上经过点和在椭圆轨道上经过A点时的机械能点时的机械能相等相等尝试解答尝试解答由开普勒第三定律可知，从极月圆轨道到椭圆轨道由开普勒第三定律可知，从极月圆轨道到椭圆轨道周期变小，周期变小，A错误；极月圆轨道上错误；极月圆轨道上A点和点和B点速率相同，由极月圆轨道点速率相同，由极月圆轨道A点变为椭圆轨道上点变为椭圆轨道上A点时要减速，点时要减速，B正确，正确，D错

17、误；在椭圆轨道上经过错误；在椭圆轨道上经过A点和在极月圆轨道上经过点和在极月圆轨道上经过A点时加速度大小相等，所以经过极月圆轨道点时加速度大小相等，所以经过极月圆轨道上的上的B点和椭圆轨道上的点和椭圆轨道上的A点时加速度大小相等，故点时加速度大小相等，故C正确正确答案答案BC题型三题型三双星问题双星问题(1)什么是双星系统？什么是双星系统？宇宙中往往会有相距较近，质量相差不多的两颗星球，它们离其宇宙中往往会有相距较近，质量相差不多的两颗星球，它们离其他星球都较远，因此其他星球对他们的万有引力可以忽略不计在这种他星球都较远，因此其他星球对他们的万有引力可以忽略不计在这种情况下，它们将围绕它们连线

18、上的某一固定点做同周期的匀速圆周运动，情况下，它们将围绕它们连线上的某一固定点做同周期的匀速圆周运动，这种结构叫做双星系统这种结构叫做双星系统(2)求解双星问题的基本技巧和方法有哪些？求解双星问题的基本技巧和方法有哪些？抓住双星的角速度抓住双星的角速度(周期周期)相等，绕行的向心力大小相等，以及双相等，绕行的向心力大小相等，以及双星间的距离和轨道半径的几何关系是解决此类问题的关键，概括为星间的距离和轨道半径的几何关系是解决此类问题的关键，概括为“四四个相等个相等”，即向心力、角速度、周期相等，轨道半径之和等于两星间距，即向心力、角速度、周期相等，轨道半径之和等于两星间距. 然后运用万有引力定律

19、和牛顿第二定律求解然后运用万有引力定律和牛顿第二定律求解例例3(13分分)(2011东城区模拟东城区模拟)经过天文望远镜的长期观测，人们经过天文望远镜的长期观测，人们在宇宙中已经发现了许多双星系统，通过对它们的研究，使我们对宇宙在宇宙中已经发现了许多双星系统，通过对它们的研究，使我们对宇宙中的物质的存在形式和分布情况有了较深刻的认识双星系统由两个星中的物质的存在形式和分布情况有了较深刻的认识双星系统由两个星体组成，其中每个星体的线度都远小于两个星体之间的距离一般双星体组成，其中每个星体的线度都远小于两个星体之间的距离一般双星系统距离其他星体很远，可以当做孤立系统处理现根据对某一双星系系统距离其

20、他星体很远，可以当做孤立系统处理现根据对某一双星系统的光学测量确定，该双星系统中每个星体的质量都是统的光学测量确定，该双星系统中每个星体的质量都是M，两者间距，两者间距L，它们正围绕着两者连线的中点做圆周运动它们正围绕着两者连线的中点做圆周运动(1)试计算该双星系统的周期试计算该双星系统的周期T；解题样板解题样板 (1)由万有引力提供向心力有： GM2L2M_(3 分) 解得：TL2LGM(2 分) (对应学生用书对应学生用书P75)易错点易错点1：不能正确区分天体半径和天体运行的轨道半径不能正确区分天体半径和天体运行的轨道半径为了对火星及其周围的空间环境进行探测，我国预计于为了对火星及其周围

21、的空间环境进行探测，我国预计于2011年年10月发射第一颗火星探测器月发射第一颗火星探测器“萤火一号萤火一号”假设探测器在离火星表面高度假设探测器在离火星表面高度分别为分别为h1和和h2的圆轨道上运动时，周期分别为的圆轨道上运动时，周期分别为T1和和T2.火星可视为质量分火星可视为质量分布均匀的球体，且忽略火星的自转影响，万有引力常量为布均匀的球体，且忽略火星的自转影响，万有引力常量为G.仅利用以上仅利用以上数据，可以计算出数据，可以计算出()A火星的密度和火星表面的重力加速度火星的密度和火星表面的重力加速度B火星的质量和火星对火星的质量和火星对“萤火一号萤火一号”的引力的引力C火星的半径和火

22、星的半径和“萤火一号萤火一号”的质量的质量D火星表面的重力加速度和火星对火星表面的重力加速度和火星对“萤火一号萤火一号”的引力的引力易错分析易错分析在利用万有引力公式解题时，直接把天体间的距离在利用万有引力公式解题时，直接把天体间的距离当作轨道半径进行计算，造成错选答案当作轨道半径进行计算，造成错选答案已知某行星绕太阳公转的半径为已知某行星绕太阳公转的半径为r，公转的周期为，公转的周期为T，万有引力常，万有引力常量为量为G，则由此可以求出，则由此可以求出()A此行星的质量此行星的质量B太阳的质量太阳的质量C此行星的密度此行星的密度 D太阳的密度太阳的密度答案答案B易错点易错点2：记不准常用数据

23、、建不准物理模型记不准常用数据、建不准物理模型已知地球同步卫星离地面的高度约为地球半径的已知地球同步卫星离地面的高度约为地球半径的6倍若某行星的倍若某行星的平均密度为地球平均密度的一半，它的同步卫星距其表面的高度是其半平均密度为地球平均密度的一半，它的同步卫星距其表面的高度是其半径的径的2.5倍，则该行星的自转周期约为倍，则该行星的自转周期约为()A6小时小时 B12小时小时C24小时小时 D36小时小时易错分析易错分析出现错误的原因有两条：一是没有记清同步卫星特出现错误的原因有两条：一是没有记清同步卫星特点以及几个重要的常数，如同步卫星的周期是点以及几个重要的常数，如同步卫星的周期是24h；

24、二是没有建好物理；二是没有建好物理模型，抓不准中心天体，实际上本题的中心天体分别是地球和未知行星，模型，抓不准中心天体，实际上本题的中心天体分别是地球和未知行星，造成错选造成错选A或或C或或D.(2011新课标全国新课标全国)卫星电话信号需要通过地球同步卫星传送如卫星电话信号需要通过地球同步卫星传送如果你与同学在地面上用卫星电话通话，则从你发出信号至对方接收到信果你与同学在地面上用卫星电话通话，则从你发出信号至对方接收到信号所需最短时间最接近于号所需最短时间最接近于(可能用到的数据：月球绕地球运动的轨道半可能用到的数据：月球绕地球运动的轨道半径约为径约为3.8105 km，运行周期约为，运行周

25、期约为27天，地球半径约为天，地球半径约为6400 km，无线，无线电信号的传播速度为电信号的传播速度为 3108 m/s.)()A0.1 s B0.25 sC0.5 s D1 s答案答案B答案答案ACD2(2011山东理综山东理综)甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步甲、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道以下判断正确的是()A甲的周期大于乙的周期甲的周期大于乙的周期B乙的速度大于第一宇宙速度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甲在运行时能经过北极的正上方答案答案AC答案答案D答案答案B