《万有引力与航天》PPT课件.ppt

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1、第六章第六章 万有引力定律万有引力定律 单元复习课件单元复习课件一、一、行星的运动行星的运动二、二、万有引力定律内容万有引力定律内容及应用及应用三、三、人造卫星及宇宙速度人造卫星及宇宙速度本章知识结构本章知识结构开普勒第一定律（轨道定律）开普勒第一定律（轨道定律）开普勒第二定律（面积定律）开普勒第二定律（面积定律）开普勒第三定律（周期定律）开普勒第三定律（周期定律）2.2.开普勒三定律开普勒三定律一、行星的运动一、行星的运动1.1.地心说和日心说地心说和日心说一、行星的运动一、行星的运动1.地心说和日心说地心说和日心说 开普勒第一定律开普勒第一定律 （轨道定律）（轨道定律）所有的行星围绕太阳运

2、动所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。所有椭圆的一个焦点上。2.开普勒三定律开普勒三定律一、行星的运动一、行星的运动1.1.地心说和日心说地心说和日心说开普勒第一定律开普勒第一定律 （轨道定律）（轨道定律）开普勒第二定律开普勒第二定律 （面积定律）（面积定律）对于每一个行星对于每一个行星而言，太阳和行星的而言，太阳和行星的联线在相等的时间内联线在相等的时间内扫过相等的面积。扫过相等的面积。2.2.开普勒三定律开普勒三定律一、行星的运动一、行星的运动1.1.地心说和日心说地心说和日心说开普勒第一定律开普勒第一定律 （轨道定律）（轨道定律）开

3、普勒第二定律开普勒第二定律 （面积定律）（面积定律）2.2.开普勒三定律开普勒三定律开普勒第三定律开普勒第三定律 （周期定律）（周期定律）所有行星的轨道的半所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。的二次方的比值都相等。例例.有两个人造地球卫星，有两个人造地球卫星，它们绕地球运转的轨道半它们绕地球运转的轨道半径之比是径之比是1 1：2 2，则它们绕，则它们绕地球运转的周期之比为地球运转的周期之比为 。二、万有引力定律内容二、万有引力定律内容1.1.内容：内容：宇宙间的一切物体宇宙间的一切物体都是相互吸引的，两个物体都是相互吸引的，两个物体间的引力大小与

4、它们的质量间的引力大小与它们的质量的乘积成正比，跟它们距离的乘积成正比，跟它们距离的平方成反比。的平方成反比。3.3.引力常量：引力常量：G=6.6710G=6.67101111NmNm2 2/kg/kg2 2，数值上等于两，数值上等于两个质量均为个质量均为1kg1kg的物体相距的物体相距1 1米时它们之间的相互吸引米时它们之间的相互吸引力。力。2.2.公式公式:F=GmF=Gm1 1m m2 2/r/r2 2 二、万有引力定律内容二、万有引力定律内容4.4.万有引力的适用条件：万有引力的适用条件：(3)(3)若物体不能视为质点若物体不能视为质点,则可把则可把每一个物体视为若干个质点的集每一个

5、物体视为若干个质点的集合合,然后按定律求出各质点间的引然后按定律求出各质点间的引力力,再按矢量法求它们的合力。再按矢量法求它们的合力。(1)(1)适用于质点适用于质点(2)(2)当两物体是质量分布均匀的当两物体是质量分布均匀的球体时球体时,式中式中r r指两球心间的距离指两球心间的距离.5.5.万有引力的特征万有引力的特征:(1)(1)普遍性普遍性:普遍存在于宇宙普遍存在于宇宙中的任何有质量的物体间的中的任何有质量的物体间的吸引力吸引力.是自然界的基本相互是自然界的基本相互作用之一作用之一.5.5.万有引力的特征万有引力的特征:(2)(2)相互性相互性:两个物体相互两个物体相互作用的引力是一对

6、作用力作用的引力是一对作用力和反作用力和反作用力,符合牛顿第符合牛顿第三定律三定律.5.5.万有引力的特征万有引力的特征:(3)(3)宏观性宏观性:通常情况下，通常情况下，万有引力非常小万有引力非常小,只有在只有在质量巨大的天体间或天体质量巨大的天体间或天体与物体间它的存在才有宏与物体间它的存在才有宏观的实际意义观的实际意义.6.6.引力常量引力常量G G的测定方法及意义：的测定方法及意义：卡文迪许扭称实验。卡文迪许扭称实验。其意义是用实验证明了万有其意义是用实验证明了万有引力的存在，使得万有引力引力的存在，使得万有引力定律有了真正的使用价值定律有了真正的使用价值。推动了天文学的发展推动了天文

7、学的发展.7.7.万有引力与重力万有引力与重力O O1F万万GF向向忽略地球自转可得忽略地球自转可得：GMm/RGMm/R2 2=mg=mgg g=GMGMR R2 2例例.设地球的质量为设地球的质量为M M，赤道，赤道半径半径R R，自转周期，自转周期T T，则地球，则地球赤道上质量为赤道上质量为m m的物体所受重的物体所受重力的大小为？（式中力的大小为？（式中G G为万有为万有引力恒量）引力恒量）GMm/RGMm/R2 2-4-4 2 2mR/TmR/T2 27.7.万有引力定律的应用万有引力定律的应用(1)“(1)“天上天上”：万有引力提供向心万有引力提供向心力力（2 2）“地上地上”：

8、万有引力近似等于重万有引力近似等于重力力应用重要的近似：重要的近似：（3 3）有用结论：）有用结论：注意：注意：在本章的公式运用上，在本章的公式运用上，应特别注意字母的规范、大小写应特别注意字母的规范、大小写问题；应区分中心天体、环绕天问题；应区分中心天体、环绕天体；球体半径、轨道半径等问题。体；球体半径、轨道半径等问题。（4 4）估算天体的质量和密度）估算天体的质量和密度解题思路：解题思路：1.1.一般只能求出中心天体质量及一般只能求出中心天体质量及密度。密度。2.2.应知道球体体积公式及密度公应知道球体体积公式及密度公式。式。3.3.注意黄金代换式的运用。注意黄金代换式的运用。4.4.注意

9、隐含条件的使用，比如近注意隐含条件的使用，比如近地飞行等。没有环绕天体可假设。地飞行等。没有环绕天体可假设。例例.地核的体积约为整个地球地核的体积约为整个地球体积的体积的16%16%，地核的质量约为地，地核的质量约为地球质量的球质量的34%34%，经估算，地核的，经估算，地核的平均密度为（平均密度为（）（取两位）（取两位有效数字，有效数字，R R地地=6.4 10=6.4 106 6m m，G=6.710G=6.710-11-11NmNm2 2/Kg/Kg2 2）例例.已知地球半径约为已知地球半径约为6.4106.4106 6m m，又知月球绕地球的运动可近似，又知月球绕地球的运动可近似看作匀

10、速圆周运动，则可估算出看作匀速圆周运动，则可估算出月球到地心的距离约为月球到地心的距离约为_m_m。（结果保留一位有效数字）（结果保留一位有效数字）（提示：（提示：T T月月=30=30天）天）r=4 10r=4 108 8m m例例.两个星球组成双星，它两个星球组成双星，它们在相互之间的万有引力作们在相互之间的万有引力作用下，绕连线上某点作周期用下，绕连线上某点作周期相同的匀速圆周运动，现测相同的匀速圆周运动，现测得两星中心距离为得两星中心距离为R R，其运，其运动周期为动周期为T T，求两星的总质，求两星的总质量。量。例例.中子星是恒星演化过程的一中子星是恒星演化过程的一种可能结果。它的密

11、度很大，现种可能结果。它的密度很大，现有一中子星，观测到它的自转周有一中子星，观测到它的自转周期为期为T=1/30sT=1/30s，问该中子星的最小，问该中子星的最小密度应是多少才能维持该星体的密度应是多少才能维持该星体的稳定，不致因自转而瓦解？计算稳定，不致因自转而瓦解？计算时星体可视为均匀球体。时星体可视为均匀球体。（G=6.6710G=6.6710-11-11m m3 3/Kgs/Kgs2 2）例例.宇航员站在一星球表面上的某高处，宇航员站在一星球表面上的某高处，以初速度以初速度V V0 0沿水平方向抛出一个小球，经沿水平方向抛出一个小球，经过时间过时间t t，球落到星球表面，小球落地时

12、，球落到星球表面，小球落地时的速度大小为的速度大小为V.V.已知该星球的半径为已知该星球的半径为R R，引力常量为引力常量为G G，求该星球的质量，求该星球的质量M M。v vv vo ogtgt解：小球做平抛运动如图，则有：解：小球做平抛运动如图，则有：设该星球某近地卫星质量设该星球某近地卫星质量为为m m，其重力近似等于万，其重力近似等于万有引力：有引力：由以上两式得该星球的质量：由以上两式得该星球的质量：1 12 2例例.宇航员站在一星球表面上的某宇航员站在一星球表面上的某高处，沿水平方向抛出一小球经时高处，沿水平方向抛出一小球经时间间t t，小球落到星球表面，测得抛，小球落到星球表面，

13、测得抛出点与落地点的距离为出点与落地点的距离为L L，若抛出，若抛出时的初速度增大到时的初速度增大到2 2倍，则抛出点倍，则抛出点与落地点之间的距离为与落地点之间的距离为3L3L，已知，已知两落地点在同一平面上，该星球的两落地点在同一平面上，该星球的半径为半径为R R，万有引力常量为，万有引力常量为G G，求该，求该星球的质量星球的质量M M。人造卫星三、人造卫星及宇宙速度三、人造卫星及宇宙速度1.1.人造卫星人造卫星 在地球上抛在地球上抛出的物体，当出的物体，当它的速度足够它的速度足够大时，物体就大时，物体就永远不会落到地面上，它将围绕地球旋转，永远不会落到地面上，它将围绕地球旋转，成为一颗

14、绕地球运动的人造地球卫星。简成为一颗绕地球运动的人造地球卫星。简称人造卫星。称人造卫星。三、人造卫星及宇宙速度三、人造卫星及宇宙速度2.2.人造卫星的运动规律人造卫星的运动规律 人造卫星运动人造卫星运动近似近似看做匀速圆周看做匀速圆周运动运动，卫星运动所，卫星运动所需要的向心力就是需要的向心力就是它所受的万有引力。它所受的万有引力。即：即：万有引力提供万有引力提供向心力。向心力。三、人造卫星及宇宙速度三、人造卫星及宇宙速度3.3.人造卫星的运动规律推导人造卫星的运动规律推导由由4.4.半径与线速度、角速度、周半径与线速度、角速度、周期期 、向心加速度的关系、向心加速度的关系R R增大增大V V

15、减小减小R R增大增大 减小减小R R增大增大T T增大增大R R增大增大a a减小减小例例.两颗人造卫星两颗人造卫星A A、B B绕绕地球作圆周运动，周期之地球作圆周运动，周期之比为比为T TA A：T TB B=1=1：8 8，则轨，则轨道半径之比和运动速率之道半径之比和运动速率之比分别为（比分别为（）（RA：RB=1：4；VA：VB=2：1）5.5.宇宙速度宇宙速度(1)(1)第一宇宙速度第一宇宙速度：(2)(2)推导：推导：所以所以第一宇第一宇宙速度宙速度又又叫最小发射速度，最大环绕速度叫最小发射速度，最大环绕速度。第一宇宙速度第一宇宙速度：V V1 1（地面附近、（地面附近、匀速圆周

16、运动）匀速圆周运动）V V1 1 如果人造地球卫星进入地面附近如果人造地球卫星进入地面附近的轨道速度的轨道速度大于，而小于，大于，而小于，它绕地它绕地球运动的轨迹是椭圆。球运动的轨迹是椭圆。(3)(3)第二宇宙速度第二宇宙速度：当物体的速度当物体的速度大大于或等于时于或等于时，卫星就会脱离地球的引，卫星就会脱离地球的引力，不在绕地球运行。我们把这个速力，不在绕地球运行。我们把这个速度叫第二宇宙速度。达到第二宇宙速度叫第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。度的物体还受到太阳的引力。(4)(4)第三宇宙速度第三宇宙速度：如果物体的速度如果物体的速度等于等于或大于，或大于，物体就摆脱

17、了太阳引力的束缚，物体就摆脱了太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。我们把飞到太阳系以外的宇宙空间去。我们把这个速度叫第三宇宙速度。这个速度叫第三宇宙速度。V1=7.9km/s 地球地球V V2 2=11.2km/s=11.2km/sV V3 3=16.7km/s=16.7km/s11.2km/sv7.9km/s三、同步卫星（通讯卫星）三、同步卫星（通讯卫星）1.特点：特点：四、同步卫星（通讯卫星）四、同步卫星（通讯卫星）定周期（频率、转速）定周期（频率、转速）（与地球自转的周期相同，（与地球自转的周期相同，即即T=24h）定高度定高度（到地面的距离（到地面的距离相同，即相同，即h=3.

18、6107m）1.特点：特点：同步卫星定在赤道的正上方某点定在赤道的正上方某点（相对于地球静止）。（相对于地球静止）。定线速度大小（定线速度大小（即即V=3.0 103m/s）定角速度（定角速度（与地球自转与地球自转的角速度大小的角速度大小）定向心加速度大小定向心加速度大小 不同点：不同点：由于各国发射由于各国发射的同步卫星质量一般不同，的同步卫星质量一般不同，所以它们受到的向心力的所以它们受到的向心力的大小一般不同。大小一般不同。卫星的几个疑难问题解析卫星的几个疑难问题解析：1.1.卫星绕地球运动的卫星绕地球运动的向心向心加速度加速度和物体随地球和物体随地球自转自转的向心加速度的向心加速度2.2.环绕速度环绕速度与与发射速度发射速度3.3.卫星的卫星的超重超重和和失重失重