高一物理第六章万有引力与航天《四万有引力理论的成就》学案中学教育高考_中学教育-中学课件.pdf

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1、第六章万有引力与航天四、万有引力理论的成就 班级 姓名 日期：2015【学习目标】1掌握用万有引力定律求中心天体质量的思路和方法，知道万有引力定律在天文学上有重要应用；2知道运用万有引力定律可以发现未知末体。【学习内容】（一）计算天体质量 1地球质量的计算实验室测量 题1：已知地球半径为R=6370km，地球表面处的重力加速度为g=9.8m/s2，G=6.67 10-11N m2/kg2，不考虑地球自转的影响，求地球质量M？思考题：有人根据地球表面上的物体随地球转动的周期T，得到这样的关系式GMm/R2=mR(2 /T)2，得地球质量M=42R3/(GT2)，如果按此式计算，已知R=6370k

2、m,g=9.8m/s2，T=24h,由此算得的的M为多大？这个数据与事实相符吗？问题出在哪？2计算太阳的质量 题2：行星绕太阳做匀速圆周运动，T是行星绕太阳公转的周期，r是行星跟太阳中心的距离，求太阳的质量M？拓展：如果将上述写成GMm/r2=mr2=mg，请问该式中的r和g分别表示什么含义？3其它行星或天体的质量 对任一行星M而言，如果知道它的卫星m绕行星运动的周期T和卫星与行星之间的距离r，也可以算出行星（即中心天体）的质量。拓展：（计算中心天体的平均密度）（二）天体表面的重力加速度计算 天体表面处的重力加速度：拓展思考：如何求在天体表面上空H高度处的重力加速度大小？（三）推测未知天体【例

3、题讨论】1已知万有引力常量和下列数据，能够估算地球质量M地的一组是（）A地球绕太阳运行的周期T地及地、日中心间的距离r日地 B月球绕地球运动的周期T月及月、地中心间的距离r月地 C人造地球卫星在地面附近绕行时的速度v和运行周期T卫 D若不考虑地球的自转，已知地球的半径R及地球表面的重力加速度g 2我国在酒泉卫星发射中心成功发射“神舟”五号载人试验飞船，飞船在跟地面300km 处绕地球14圈后，地面控制中心发出返回指令，在内蒙古中部地区平安降落。已知地球的半径为6.4103km,地球表面的重力加速度为g=10m/s2。,求：（1）飞船的运行周期；（2）飞船的运行速度；（3）飞船在该高度处的重力加

4、速度 3地球和月球的中心距离大约是r=4108m，已知月球的周期为27.3 天，试估算地球的质量。估算结果要求保留一位有效数字。41970 年4月25日18点，新华社被授权向全世界宣布：1970 年4月24日，中国成功地发射了第一颗人造卫星，卫星向全世界播送“东方红”乐曲。已知卫星绕地球一圈所用时间T=114 分钟，地球半径R=6400km，地球质量M=61024kg，试估算这颗卫星的离地高度。【课堂训练】1若知道太阳的某一颗行星绕太阳运动转的轨道半径为r，周期为T，引力常量为G，则可求得（）A该行星的质量 B太阳的质量 C该行星的平均密度 D太阳的平均密度 2一艘宇宙飞船沿着未知天体表面附近

5、的圆形轨道飞行，航天员只用一只表就能测出的物理量有（）A飞船的线速度 B飞船的角速度 C未知天体的质量 D未知天体的密度 3如一作圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2 倍，仍做圆周运动，则()A根据公式 vr，可知卫星运动的线速度将增大到原来的 2 倍 B根据公式 Fmv2/r，可知卫星所需的向心力将减小到原来的 1/2 C根据公式 FGMm/r2，可知地球提供的向心力将减小到原来的 1/4 D根据 B 和 C 给出的公式，可知卫星运动的线速度将减小到原来的 2/2 4已知地球表面重力加速度g，地球半径为R，万有引力常量为G，用以上各量表示地球质量M为多少？5（课本题）已知月球表面的

6、质量是7.31022kg，半径是1.7103km，月球表面的自由落体加速度有多大？这对宇航员在月球表面的行动会产生什么影响？【课后作业】1由于地球的自转，地球表面上各点（两极除外）均做匀速圆周运动，所以（）A地球表面各处具有相同大小的线速度 B地球表面各处具有相同大小的角速度 C地球表面各处具有相同大小的向心加速度 D地球表面各处的向心加速度方向都指向地球球心 2下列情形中，哪些能求得地球的质量（）A已知地球的半径和地球表面的重力加速度。B已知近地卫星的周期和它的向心加速度。C已知卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径和运行周期。D已知卫星质量和它的离地高度 3土星外层上有一个环，为了判断它是土星

7、的一部分还是土星的卫星群，可以测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离 R之间的关系来判断（）A若vR，则该层是土星的一部分 B若v2R，则该层是土星的卫星群 C若v1/R，则该层是土星的一部分 Dv21/R，则该层是土星的卫星群 4某行星表面附近有一颗卫星，其轨道半径可认为近似等于该行星的球体半径。已测出此卫星运行的周期为 T，已知万有引力常量为G，据此求得该行星的平均密度约为 。5离地面某一高度h处的重力加速度是地球表面重力加速度的1/2，则离地高度h是地球半径的 倍。6（课本题）某人造地球卫星沿圆轨道运行，轨道半径是6.8103km,周期是5.6103s，试从这些数据估算地球的质量。

8、7（课本题）木星是绕太阳公转的行星之一，而木星的周围又有卫星绕木星公转。如果要通过观测求得木星的质量，需要测量哪些量？试推导用这些量表示的木星质量的计算式。第六章万有引力与航天四、万有引力理论的成就 日期：2015【教学目标】1掌握用万有引力定律求中心天体质量的思路和方法，知道万有引力定律在天文学上有重要应用；2知道运用万有引力定律可以发现未知末体。【教学重点与难点】掌握用万有引力定律求中心天体质量的思路和方法【教学过程】一复习导入 1万有引力定律的内容、适用条件、特点、引力常数G的含义？2地球表面上的物体受到地球的万有引力和我们称得的重力大小有什么关系？性质是否相同？（通常情况不考虑地球自转

9、的影响，视两者大小相等）万有引力理论对天文学的发展起了很大的推动作用，我们这节课学习万有引力理论的成就。二新课教学（一）计算天体质量 1地球质量的计算实验室测量 题1：已知地球半径为R=6370km，地球表面处的重力加速度为g=9.8m/s2，G=6.67 10-11N m2/kg2，不考虑地球自转的影响，求地球质量M？解析：地面上物体受到的引力大小等于物体的重力，则对物体 GMm/R2=mg 得到M=gR2/G=5.96 1024kg 思考题：有人根据地球表面上的物体随地球转动的周期T，得到这样的关系式GMm/R2=mR(2 /T)2，得地球质量M=42R3/(GT2)，如果按此式计算，已知

10、R=6370km,g=9.8m/s2，T=24h,由此算得的的M为多大？这个数据与事实相符吗？问题出在哪？答案：M=2.05 1022kg 2计算太阳的质量 题2：行星绕太阳做匀速圆周运动，T是行星绕太阳公转的周期，r是行星跟太阳中心的距离，求太阳的质量M？解析：行星绕太阳做匀速圆周运动时受几个力？其向心力由什么力来提供的？由它们之间的万有引力提供的，对物体而言 GMm/r2=mr2=mr(2 /T)2 得太阳质量M=42r3/(GT2)拓展：如果将上述写成GMm/r2=mr2=mg，请问该式中的r和g分别表示什么含义？3其它行星或天体的质量 根据 GMm/r2=mr2=mr(2 /T)2，（

11、这个式子表示什么物理意义？）可知，对任一行星M而言，如果知道它的卫星m绕行星运动的周期T和卫星与行星之间的距离r，也可以算出行星（即中心天体）的质量。M=42r3/(GT2)拓展：（计算中心天体的平均密度）因为M=V=4 R3/3，代入上式得=3/(GT2)（二）天体表面的重力加速度计算 在某天体表面处的物体受到天体的引力大小等于物体在该天体表面的重力，有 GMm/R2=mg 式中M是天体的质量，R是天体半径，g是天体表面的重力加速，m是某物体的质量 则g=GM/R2 拓展思考：如何求在天体表面上空H高度处的重力加速度大小？（三）推测未知天体 1781 年发现的第七颗行星天王星的运动轨道与根据

12、万有引力定律计算出的有些偏差，英国剑桥大学的亚当斯和法国年轻的天文学家勒维耶根据天王星的观测资料，各自独立地利用万有引力定律计算出这颗“新”行星的轨道。1846年9月23日晚，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星海王星。用类似的方法，人们又发现了太阳系及太阳系其他天体。如1705 年英国天文学家哈雷根据万有引力定律计算了一颗著称慧星的轨道并正确预言了它的回归。后来又发现了冥王星，牛顿定律经受了严峻的考验。科学探究过程：问题的发现猜想与假设科学推理实践检验 【例题讨论】1已知万有引力常量和下列数据，能够估算地球质量M地的一组是（BCD）A地球绕太阳运行的周期T地及地、日中心间的距离r日

13、地 B月球绕地球运动的周期T月及月、地中心间的距离r月地 C人造地球卫星在地面附近绕行时的速度v和运行周期T卫 D若不考虑地球的自转，已知地球的半径R及地球表面的重力加速度g 2我国在酒泉卫星发射中心成功发射“神舟”五号载人试验飞船，飞船在跟地面300km 处绕地球14圈后，地面控制中心发出返回指令，在内蒙古中部地区平安降落。已知地球的半径为6.4103km,地球表面的重力加速度为g=10m/s2。,求：（1）飞船的运行周期；（2）飞船的运行速度；（3）飞船在该高度处的重力加速度 解析：(1)地球表面上：GMm/R2=mg 在轨道上GMm/r2=mr4 2/T2，则得T=90.3min 和方法

14、知道万有引力定律在天文学上有重要应用知道运用万有引力定律可以发现未知末体学习内容一计算天体质量地球质量的计算实验室测量题已知地球半径为地球表面处的重力加速度为不考虑地球自转的影响求地球质量例题讨论运动的周期及月地中心间的距离人造地球卫星在地面附近绕行时的速度和运行周期若不考虑地球的自转已知地球的半径及地球表面的重力加速度我国在酒泉卫星发射中心成功发射神舟五号载人试验飞船飞船在跟地面处绕地球圈后地期飞船的运行速度飞船在该高度处的重力加速度日地月地地月地卫思考题有人根据地球表面上的物体随地球转动的周期得到这样的关系式得地球质量如果按此式计算已知由此算得的的为多大这个数据与事实相符吗问题出在哪地球和

15、（2）飞船的运行速度v=2r/T=7.76 103m/s（3）地球表面上GMm/R2=mg 在轨道上GMm/r2=mg/，则g/=8.9m/s2 3地球和月球的中心距离大约是r=4108m，已知月球的周期为27.3 天，试估算地球的质量。估算结果要求保留一位有效数字。答案：（61024kg）41970 年4月25日18点，新华社被授权向全世界宣布：1970 年4月24日，中国成功地发射了第一颗人造卫星，卫星向全世界播送“东方红”乐曲。已知卫星绕地球一圈所用时间T=114 分钟，地球半径R=6400km，地球质量M=61024kg，试估算这颗卫星的离地高度。解：GMm/(R+h)2=m42(T+

16、h)/T2 答案：（1.2106m）【课堂训练】1若知道太阳的某一颗行星绕太阳运动转的轨道半径为r，周期为T，引力常量为G，则可求得（B ）A该行星的质量 B太阳的质量 C该行星的平均密度 D太阳的平均密度 2一艘宇宙飞船沿着未知天体表面附近的圆形轨道飞行，航天员只用一只表就能测出的物理量有（BD）A飞船的线速度 B飞船的角速度 C未知天体的质量 D未知天体的密度 3如一作圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2 倍，仍做圆周运动，则(CD )A根据公式 vr，可知卫星运动的线速度将增大到原来的 2 倍 B根据公式 Fmv2/r，可知卫星所需的向心力将减小到原来的 1/2 C根据公式 F

17、GMm/r2，可知地球提供的向心力将减小到原来的 1/4 D根据 B 和 C 给出的公式，可知卫星运动的线速度将减小到原来的 2/2 4已知地球表面重力加速度g，地球半径为R，万有引力常量为G，用以上各量表示地球质量M为多少？5（课本题）已知月球表面的质量是7.31022kg，半径是1.7103km，月球表面的自由落体加速度有多大？这对宇航员在月球表面的行动会产生什么影响？答案：在月球表面有GM月m/R月2=mg月 有g月=GM月/R月2=1.68m/s2 约为地球表面重力加速度的1/6，在月球上人感觉很轻，习惯在地球表面上行走的人，在月球表面上行走时是跳跃前进的。五课堂小结 1应用万有引力定

18、律求解天体质量的基本思路和依据是什么？应用万有引力定律求解天体质量时，用测定环绕天体(如卫星)半径和周期的方法测质量，只能测定其中心天体(如地球)的质量，不能测定其自身的质量在求解中心天体质量的三种表达式，最常用的是已知周期和半径求质量。当卫星绕地球（或某中心天体）做匀速圆周运动时，此时卫星只受到万有引力作用，则对环绕的卫星由牛顿定律有 GMm/r2=mV2/r=mr2=mr(2 /T)2=mg 式中的r,T,g 分别表示什么含义？（g为距中心天体中心距离r处的重力加速度）上述天体运动的方程或动力学方程的依据是什么？（根据牛顿第二定律和万有引力规律列出的方程）2当物体在天体表面附近时，r=R,

19、g 即为天体表面处的重力加速度 此时上式可简化为 GMm/R天2=mg表 此时g为天体表面的重力加速度 若在地面上空 H高处，万有引力还等于重力，但此时的g不是地表附近的重力加速度，则 H高处的重力加速度可根据 GMm/(R地+H)2=mgh 和 GMm/(地2=mg表 来求得 这是一个非常重要又常用的、隐含公式，根据g、r可表示GM。3在地球表面上静止的物体和绕地球做匀速圆周运动的物体（即卫星），它的向心加速度与重力加速度有何区别？它们的动力学方程分别是什么？4常识：月球绕地球公转的周期为27.3 天，地球自转的周期为1天，地球绕太阳的公转周期为1年。【课后作业】1由于地球的自转，地球表面上

20、各点（两极除外）均做匀速圆周运动，所以（B ）A地球表面各处具有相同大小的线速度 B地球表面各处具有相同大小的角速度 C地球表面各处具有相同大小的向心加速度 D地球表面各处的向心加速度方向都指向地球球心 2下列情形中，哪些能求得地球的质量（ABC ）A已知地球的半径和地球表面的重力加速度。B已知近地卫星的周期和它的向心加速度。C已知卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径和运行周期。D已知卫星质量和它的离地高度 3土星外层上有一个环，为了判断它是土星的一部分还是土星的卫星群，可以测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离 R之间的关系来判断（AD）A若vR，则该层是土星的一部分 B若v2R，则该层

21、是土星的卫星群 C若v1/R，则该层是土星的一部分 Dv21/R，则该层是土星的卫星群 4某行星表面附近有一颗卫星，其轨道半径可认为近似等于该行星的球体半径。已测出此卫星运行的周期为 T，已知万有引力常量为G，据此求得该行星的平均密度约为 3/T2G 。5离地面某一高度h处的重力加速度是地球表面重力加速度的1/2，则离地高度h是地球半径的 21倍。6（课本题）某人造地球卫星沿圆轨道运行，轨道半径是6.8103km,周期是5.6103s，试从这些数据估算地球的质量。解析：人造地球卫星是绕地球做匀速运动的天体，它运动的向心力由地球对它的引力提供。根据牛顿定律和万有引力定律，可以列式求出地球质量。设

22、地球质量为 M，人造地球卫星的质量为 m，有2224MmGmrrT 得到地球质量2324rMGT=2311362106.51067.6108.614.34=5.921024kg 拓展：本题主要是依据课本计算太阳质量的思路和方法进行计算，从中体会解题思路和方法。由于有关天体的数据计算比较复杂，要注意细心、准确，提高自己的估算能力。7（课本题）木星是绕太阳公转的行星之一，而木星的周围又有卫星绕木星公转。如果要通过观测求得木星的质量，需要测量哪些量？试推导用这些量表示的木星质量的计算式。答案：对于绕木星运行的卫星m，有GM木m/r2=mr4 2/T2 得M木=42r3/GT2 要求测量的量为：木星的

23、卫星绕木星公转的周期 T和公转轨道半径r。和方法知道万有引力定律在天文学上有重要应用知道运用万有引力定律可以发现未知末体学习内容一计算天体质量地球质量的计算实验室测量题已知地球半径为地球表面处的重力加速度为不考虑地球自转的影响求地球质量例题讨论运动的周期及月地中心间的距离人造地球卫星在地面附近绕行时的速度和运行周期若不考虑地球的自转已知地球的半径及地球表面的重力加速度我国在酒泉卫星发射中心成功发射神舟五号载人试验飞船飞船在跟地面处绕地球圈后地期飞船的运行速度飞船在该高度处的重力加速度日地月地地月地卫思考题有人根据地球表面上的物体随地球转动的周期得到这样的关系式得地球质量如果按此式计算已知由此算得的的为多大这个数据与事实相符吗问题出在哪地球和