2022年高中物理第四章第四课时万有引力定律及应用-讲义-【含解析】

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第四课时万有引力定律及应用第一关：基础关展望高考基 础 知 识一、万有引力定律知识讲解1.内容:自然界中任何两个物体都是相互吸引的,引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比,与它们距离的二次方成反比.2.公式式中r表示两质点间的距离,m1\,m2表示两质点的质量,G表示引力常量,×10-11 N\5m2/kg2.3.适用条件①万有引力公式适用于两质点间的引力大小的计算.②对于可视为质点的物体间的引力的求解也可以利用万有引力公式,如两物体间距离远大于物体本身大小时,物体可看做质点;均匀球体可视为质量集中于球心的质点.③当研究物体不能看成质点时,可以把物体假想分割成无数个质点,求出两个物体上每个质点与另一个物体上所有质点的万有引力,然后求合力.例如将物体放在地球的球心时,由于物体各方面受到相互对称的万有引力,故合外力为零.活学活用1.如图所示，两球的半径分别是r1和r2,而球的质量分布均匀，大小分别是m1和m2，则两球间的万有引力大小为()解析:万有引力定律中，两个物体间的距离r,对于相距很远可以看成质点的物体是两个质点的距离；如果不能看成质点但两物体是球体而且质量分布均匀，r是两球心之间的距离.因此：答案:D二、三个宇宙速度知识讲解1.第一宇宙速度:要想发射人造卫星,必须具有足够的速度,发射人造卫星最小的发射速度称为第一宇宙速度,v=7.9 km/s.但却是绕地球做匀速圆周运动的各种卫星中的最大环绕速度.2.第二宇宙速度:当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9 km11.2 km/s时,卫星就会脱离地球的引力不再绕地球运行,成为绕太阳运行的人造行星或飞到其他行星上去,我们把11.2 km/s称为第二宇宙速度,也称脱离速度.3.第三宇宙速度:当物体的速度等于或大于16.7 km/s时,物体将挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系以外的宇宙空间中去,我们把16.7 km/s称为第三宇宙速度,也称逃逸速度.活学活用2.我国将要发射一颗绕月球运行的探月卫星“嫦娥一号”，月球的半径约为地球半径的，地球上的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的速度约为()A. km/sB.1.8 km/sC.11 km/sD.36 km/s得近地(月)卫星的线速度为,则近月卫星与近地卫星的线速度之比为，所以近月卫星的线速度为.所以选项B正确.答案:B三、近地卫星和同步卫星知识讲解1.近地卫星所谓近地卫星,是指卫星的运行轨道半径等于地球的半径,卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供.它的运行速度为第一宇宙速度,也是卫星的最大环绕速度.2.地球同步卫星的六个一定①位置一定(必须位于地球赤道的上空)地球同步卫星绕地球旋转的轨道平面一定,与地球的赤道面重合.如图所示,假设同步卫星的轨道平面与赤道平面不重合,同步卫星由于受到地球指向地心的万有引力F的作用,绕地轴做圆周运动,F的一个分力F1提供向心力,而另一个分力F2将使同步卫星不断地移向赤道面,最终直至与赤道面重合为止(此时万有引力F全部提供向心力),不可能定点在我国某地的正上方.②周期(T)一定a.同步卫星的运行方向与地球自转方向一致.b.同步卫星的运转周期与地球自转周期相同,T=24 h.③角速度(ω)一定由公式得，地球同步卫星的角速度,因为T恒定，π为常数，故ω也一定.④向心加速度(a)大小一定地球同步卫星的向心加速度为a,则由牛顿第二定律和万有引力定律得⑤距离地球表面的高度(h)一定由于万有引力提供向心力，则在ω一定的条件下，同步卫⑥环绕速率一定在轨道半径一定的条件下,同步卫星的环绕速率也一定,且为活学活用3.用m表示地球同步通信卫星的质量、h表示卫星离地面的高度、M表示地球的质量、R0表示地球的半径、g0表示地球表面处的重力加速度、T0表示地球自转的周期、ω0表示地球自转的角速度，则地球同步通信卫星的线速度v为()A.ω0(R0+h)B.CD解析:设地球同步卫星离地心的高度为r,则r=R0+h所以线速度：v=ωr=ω0(R0+h)同步卫星做圆周运动由万有引力提供向心力：得：,又因为：则，故选项A、B、C、D均正确.答案:ABCD第二关：技法关解读高考解 题 技 法一、万有引力定律的应用技法讲解应用万有引力定律分析天体运动的基本方法：在地球上，通常物体的质量都较小，所以通常物体之间的万有引力很小，分析地球上物体的受力情况时，一般都不考虑物体之间的万有引力（重力除外）.但天体的质量很大，所以天体之间的万有引力很大，实际上，正是天体之间的万有引力决定了天体的运动规律.中学阶段我们处理天体问题，有两个基本出发点：（1）把天体的运动看作是匀速圆周运动；（2）万有引力提供天体做匀速圆周运动的向心力.然后，利用牛顿第二定律把这两点联系起来.所以牛顿第二定律是分析天体运动的基本规律，即： 1.求天体质量通过观测卫星绕天体做匀速圆周运动的周期T、半径r，由牛顿运动定律得：故天体的质量为：注意，这种方法只能求处在圆心上的天体质量.2.测天体的密度设天体的质量为M，半径为R，则其体积为，若天体的某颗卫星的质量为m，其轨道半径为r，运行周期为T，由得：故天体的密度为：当卫星的轨道半径r与天体的半径相等时，即r=R时，典例剖析例1某行星运行一昼夜时间T=6 h，若弹簧秤在其“赤道”上比“两极”处测同一物体重力时，读数小10%.（1）则该行星的密度为多大？（2）设想该行星自转角速度加快到某一值时，在“赤道”上的物体会“飘”起来，这时该行星的自转周期是多少？解析：（1）在两极，因物体随行星自转半径为零，无需向心力，其万有引力等于重力，；在赤道上，万有引力分解为两个分力，其一是物体重力，其二为物体随行星转动的向心力，即所以密度对物体原来有飘起来时：由上述两式得×103 kg/m3(2)1.9 h二、同步卫星问题技法讲解×104 km处.1.高度的求法设地球质量为M，地球半径为R=6.4×106 m，卫星质量为m，根据牛顿第二定律有：又GM=R2g以上两式联立解得：同步卫星距地面的高度为：×107×106×107 m.或根据将各已知量代入求出同步卫星的高度h.2.同步卫星与其他卫星的区别所有卫星的轨道平面都通过地球球心.同步卫星的轨道半径、运行周期、运行速率都是确定的；一般卫星的轨道半径、运行周期、运行速率是可以变化的，但运行速率的最大值不能超过7.9 km/s,最小周期不能小于85 min.典例剖析例2地球同步卫星到地心的距离r可由求出，已知式中a的单位是m，b的单位是s，c的单位是m/s2，则（）①a是地球半径，b是地球自转角速度，c是地球表面处的重力加速度②a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是同步卫星的加速度③a是赤道周长，b是地球自转周期，c是同步卫星的加速度④a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是地球表面处的重力加速度A.①②B.①③C.④D.③④解析：可确定r、T的关系式，故能求解.对同步卫星有，在地面处有.故选项C正确.答案：C三、估算问题技法讲解1.物理估算，一般是依据一定的物理概念和规律，运用物理方法和近似计算方法，对分析物理量的数值或取值范围进行大致的推算.2.物理估算是一种重要方法，有的物理问题，在符合精确度的前提下，可以用近似的方法简捷处理；有的物理问题，由于本身条件的特殊性，不需要也不可能进行精确计算.在这种情况下，估算就成为一种既符合科学又有实用价值的特殊方法.3.有一些天体方面的估算题，常需要利用一些隐含条件或生活中的物理常识，应有意识地加以利用.如在地球表面的物体受到的万有引力近似等于重力；地球表面附近重力加速度g=9.8 m/s2，地球自转周期T=24 h，公转周期T′=365天，月球绕地球自转周期约为30天等.典例剖析例3已知地球的半径为R0=6.4×106 m，又知月亮绕地球的运动可以近似看做匀速圆周运动，则可以估算出月球到地心的距离为多少？（结果保留两位有效数字）解析：月球到地心的距离就是月球的轨道半径.已知月球绕地球运动的周期为T=30天，设地球、月亮的质量分别为M、m，轨道半径为r，则有，地球表面附近，则有GMmR20=mg，联立上面两式代入数据得r=4.0×108 m.答案：4.0×108 m第三关：训练关笑对高考随 堂 训 练1.2008年9月25日21时10分，载着翟志刚、刘伯明、景海鹏三位宇航员的“神舟七号”飞船在中国酒泉卫星发射中心发射成功，9月27日“神舟七号”飞船在离地球表面h高处的轨道上做周期为T的匀速圆周运动，地球的半径为R，万有引力常量为G.下列说法不正确的是()A.“神七”运行的线速度大小为B.“神七”运行的线速度小于第一宇宙速度C.“神七”运行时的向心加速度大小为D.地球表面的重力加速度大小为解析：“神舟七号”航天飞船线速度大小为，选项A错误；向心加速度大小，选项C正确;用M表示地球的质量，对航天飞船m有在地球表面由以上两式解得选项D正确.答案：A2.我国未来将建立月球基地，并在绕月轨道上建造空间站.如图所示，关闭动力的航天飞机在月球引力作用下向月球靠近，并将与空间站在B处对接，已知空间站绕月轨道半径为r,周期为T,万有引力常量为G,下列说法中不正确的是()A.图中航天飞机正在加速飞向B处B.航天飞机在B处由椭圆轨道进入空间站轨道必须点火减速C.根据题中条件可以算出月球质量D.根据题中条件可以算出空间站受到月球引力的大小答案：D3.如图所示，a是静止在地球赤道上的物体，b、c是两颗人造地球卫星，其中c是地球的同步卫星，a、b、c在同一平面内沿不同的轨道绕地心做匀速圆周运动，三者绕行方向相同（为图中顺时针方向），已知Rb