人教版 (新课标)必修23.万有引力定律课文配套ppt课件

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核心素养——物理观念考　点　天体、卫星运动问题的处理1.一个模型:无论是自然天体(如行星、月球等),还是人造天体(如人造卫星、空间站等),只要天体的运动轨迹为圆形,就可将其简化为质点的匀速圆周运动。
2.两种思路:(1)做圆周运动的天体,所需的向心力由万有引力提供,即向心力等于万有引力。据此所列方程是研究天体运动的基本关系式:(2)不考虑地球或天体自转影响时,物体在地球或天体表面受到的万有引力约等于物体的重力,即:G =mg,故星球表面的重力加速度g= ,变形得GM=gR2,此式通常称为黄金代换式。
　天体、卫星问题的关键词转化:
【典例示范】【典例】(多选)(2020·洛阳高一检测)据报道,2016年2月18日“嫦娥三号”探测器“玉兔号”成功自主“醒来”,“嫦娥一号”卫星系统总指挥兼总设计师叶培建院士介绍说,自2013年12月14日月面软着陆以来,中国“嫦娥三号”月球探测器创造了全世界在月工作时间最长纪录。假如月球探测器在月球表面以初速度v0竖直向上抛出一个小球,经时间t后小球回到出发点。已知月球的半径为R,引力常量为G,下列说法正确的是(　　)
A.月球表面的重力加速度为 B.月球的质量为 C.探测器在月球表面获得 的速度就可能离开月球表面围绕月球做圆周运动D.探测器在月球表面附近绕月球做匀速圆周运动的绕行周期为
【解析】选B、C。根据竖直上抛运动求得月球表面的重力加速度,再根据重力与万有引力相等求得月球质量和月球的第一宇宙速度。根据竖直上抛运动规律Δv=gt可知,月球表面的重力加速度g= ,故A错误;在月球表面重力与万有引力相等,有G =mg,可得月球质量M= 故B正确;据万有引力提供圆周运动向心力可知,探测器的最大运行速度 故C正确;绕月球表面匀速飞行的探测器的周期T= 故D错误。
【素养评价】某颗地球同步卫星正下方的地球表面上有一观察者,他用天文望远镜观察被太阳光照射的此卫星,春分那天(太阳光直射赤道)在日落12小时内有t1时间该观察者看不见此卫星。已知地球半径为R,地球表面处的重力加速度为g,地球自转周期为T,卫星的运动方向与地球转动方向相同,不考虑大气对光的折射。下列说法中正确的是(　　)
A.同步卫星离地高度为 B.同步卫星加速度小于赤道上物体向心加速度C. D.同步卫星加速度大于近地卫星的加速度
【解析】选C。万有引力充当向心力,根据公式 联合黄金替代公式GM=gR2,h=r-R,可解得h= -R,A错误;由于同步卫星的运行周期和地球自转周期相同,根据公式ω= 可得两者的角速度相同,根据a=ω2r可得半径越大,向心加速度越大,故同步卫星加速度大于赤道上物体向心加速度,B错误;根据光的直线传播规律,日落12小时内有t1时间该观察者看不见此卫星,如图所示,
同步卫星相对地心转过角度为θ=2α,sinα= ,结合θ=ωt1= t1,解得: ,故C正确;根据G =ma可得a= ,轨道半径越大,向心加速度越小,所以同步卫星加速度小于近地卫星的加速度,D错误。
核心素养——科学思维考点1 卫星变轨问题1.运动分析:(1)当卫星的速度突然增大时, 即万有引力不足以提供向心力,卫星将做离心运动,脱离原来的圆轨道,轨道半径变大,当卫星进入新的轨道稳定运行时,由v= 可知其运行速度比原轨道时减小。
(2)当卫星的速度突然减小时, 即万有引力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运行时,由v= 可知其运行速度比原轨道时增大。卫星的发射和回收就是利用这一原理。
2.变轨问题的关键词转化:
【典例示范】【典例1】2018年12月8日,“嫦娥四号”在西昌卫星发射中心由“长征三号乙”运载火箭发射。2019年1月3日,成功登陆月球背面,全人类首次实现月球背面软着陆。如图为“嫦娥四号”登月轨迹示意图。图中M点为环地球运动的近地点,N为环月球运动的近月点,a为环月运行的圆轨道,b为环月球运动的椭圆轨道,下列说法中正确的是(　　)
A.“嫦娥四号”在环地球轨道上的运行速度大于11.2 km/sB.“嫦娥四号”在M点进入地月转移轨道时应点火加速C.设“嫦娥四号”在圆轨道a上经过N点时的加速度为a1,在椭圆轨道b上经过N点时的加速度为a2,则a1>a2D.“嫦娥四号”在N点从地月转移轨道进入环月轨道a时应点火加速
【解析】选B。地球的第二宇宙速度是11.2 km/s,达到此值时,卫星将脱离地球的束缚,绕太阳运动,故“嫦娥四号”在环地球轨道上的运行速度不可能大于11.2 km/s,故A错误。“嫦娥四号”在M点点火加速,使万有引力不足以提供向心力,做离心运动,才能进入地月转移轨道,故B正确。根据万有引力和牛顿第二定律得:G =ma,解得a= ,N点到月球的中心距离r不变,则a1=a2,故C错误。“嫦娥四号”在N点点火减速,使万有引力大于向心力做近心运动,才能进入环月轨道,故D错误。
【素养评价】(多选)我国探月探测器“嫦娥三号”在西昌卫星发射中心成功发射升空,飞行轨道示意图如图所示,探测器从地面发射后奔向月球,在P点从圆形轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ,Q为轨道Ⅱ上的近月点。下列关于“嫦娥三号”的运动,正确的说法是(　　)A.发射速度一定大于7.9 km/sB.在轨道Ⅱ上从P到Q的过程中速率不断增大C.在轨道Ⅱ上经过P的速度小于在轨道Ⅰ上经过P的速度D.在轨道Ⅱ上经过P的加速度小于在轨道Ⅰ上经过P的加速度
【解析】选A、B、C。地球的第一宇宙速度是发射卫星的最小速度,此速度只能贴近地球表面飞行,要想发射到更高轨道,发射速度应大于7.9 km/s,所以“嫦娥三号”探测器的发射速度一定大于第一宇宙速度,A正确;“嫦娥三号”在轨道Ⅱ上从P到Q的过程中受到月球引力作用,所以速率不断增大,B正确;“嫦娥三号”从轨道Ⅰ上变轨到轨道Ⅱ上要在P点减速,故在轨道Ⅱ上经过P的速度小于在轨道Ⅰ上经过P的速度,C正确;“嫦娥三号”变轨前后在P处时所受万有引力不变,故其在轨道Ⅱ上经过P的加速度等于在轨道Ⅰ上经过P的加速度,D错误。
考点2 双星问题1.双星问题特点:(1)两星的运行轨道为同心圆,圆心是它们之间直线上的某一点。(2)两星的向心力大小相等,由它们间的万有引力提供。(3)两星的运动周期、角速度相同。(4)两星的运动半径之和等于它们间的距离L,如图所示,r1+r2=L。
2.双星问题的两个重要关系式:(1)双星间的万有引力提供了它们做圆周运动的向心力,即G =m1ω2r1=m2ω2r2。(2)根据(1)得m1r1=m2r2,即运动半径与质量成反比。
　双星问题的关键词转化:
【典例示范】【典例2】(多选)2019年4月10日21点,天文学家召开全球新闻发布会,宣布首次直接拍摄到黑洞的照片。科学家曾在一个河外星系中,发现了一对相互环绕旋转的超大质量双黑洞系统,它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动,将黑洞视为质点,且两黑洞与圆心始终在一条直线上。若其中一黑洞的质量为M1,轨道半径为r1,角速度为ω1,加速度为a1,周期为T1,另一黑洞的质量为M2,轨道半径为r2,角速度为ω2,加速度为a2,周期为T2。根据所学知识,下列选项正确的是(　　)
A.两黑洞的角速度之比ω1∶ω2=M2∶M1B.两黑洞的轨道半径之比r1∶r2=M2∶M1C.两黑洞的向心加速度之比a1∶a2=M2∶M1D.两黑洞的周期之比为T1∶T2=1∶1
【解析】选B、C、D。一对相互环绕旋转的超大质量不等的双黑洞系统,在相互之间的万有引力的作用下,绕它们连线上某点做匀速圆周运动,具有相同的角速度和周期,ω1∶ω2=T1∶T2=1∶1,故A项不合题意,D项符合题意;根据万有引力提供向心力,有G =M1ω2r1=M2ω2r2,其中r1+r2=L,得到r1∶r2=M2∶M1,故B项符合题意。根据a=ω2r,因为a1∶a2=r1∶r2=M2∶M1,故C项符合题意。
【加固训练】　　1.(多选)(2018·全国卷Ⅰ)2017年,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。根据科学家们复原的过程,在两颗中子星合并前约100 s时,它们相距约400 km,绕二者连线上的某点每秒转动12圈。将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体,由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识,可以估算出这一时刻两颗中子星(　　)A.质量之积　　　　B.质量之和C.速率之和D.各自的自转角速度
【解析】选B、C。由题可知双中子星相距L约400 km、万有引力常量G、双中子星做匀速圆周运动的频率f=12 Hz。由万有引力提供向心力可得G =m1(2πf)2r1、G =m2(2πf)2r2,r1+r2=L,联立解得:m1+m2= ,故选项A错误,选项B正确;v1=2πfr1、v2=2πfr2,解得v1+v2=2πfL,故选项C正确;各自的自转角速度无法估算,故选项D错误。
2.如图所示,由A、B组成的双星系统,绕它们连线上的一点做匀速圆周运动,其运行周期为T,A、B间的距离为L,它们的线速度之比为 =2,则(　　)A.A、B角速度比为 B.A、B质量比为 C.A星球质量为MA= D.两星球质量之和为MA+MB=