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高中物理人教版 (2019)必修 第二册3 万有引力理论的成就课堂教学ppt课件
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这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册3 万有引力理论的成就课堂教学ppt课件,共60页。PPT课件主要包含了亚当斯,勒维耶,冥王星,万有引力定律,课时分层作业十等内容,欢迎下载使用。
整体感知·自我新知初探
[学习任务] 1.了解万有引力定律在天文学上的应用,掌握解决天体运动问题的基本思路。2.会用万有引力定律计算天体的质量和密度。3.掌握综合运用万有引力定律和圆周运动知识分析具体问题的方法。[问题初探] 问题1.如何利用重力加速度“称量”地球的质量?问题2.如何利用行星的公转周期“称量”太阳的质量?
[自我感知] 经过你认真的预习,结合你对本节课的理解和认识,请画出本节课的知识逻辑体系。
探究重构·关键能力达成
知识点一 “称量”地球的质量 计算天体的质量
1969年7月,美国航天员阿姆斯特朗在月球上烙下了人类第一只脚印,迈出了人类征服宇宙的一大步。【问题】(1)若已知月球绕地球转动的周期T和半径r,由此可以求出地球的质量吗?依据是什么?(2)若已知月球绕地球转动的周期T和半径r,能否求出月球的质量呢?为什么?(3)若月球半径R已知,航天员能观察到近月卫星的运动,试想一下:航天员若想测出月球的质量,可采用什么方法?
(2)环绕法借助环绕中心天体做圆周运动的行星(或卫星)计算中心天体的质量,俗称“借助外援法”。常见的情况如下:
【微提醒】 只能求出中心天体的质量M,不能求出环绕天体的质量m。
【典例1】 航天员在半径为R的某星球表面将一小钢球以v0的初速度竖直向上抛出,测得小钢球上升的最大高度为h。不计空气阻力,忽略该星球的自转,R远大于h,该星球为密度均匀的球体,引力常量为G。求:(1)该星球表面的重力加速度g的大小;(2)该星球的质量M。
【典例2】 (选自人教版教材·利用环绕法计算天体质量)某人造地球卫星沿圆轨道运行,轨道半径是6.8×103 km,周期是5.6×103 s,引力常量G=6.67×10-11 N·m2/kg2,试从这些数据估算地球的质量(结果保留一位有效数字)( )A.6×1020 kg B.6×1022 kgC.6×1024 kgD.6×1026 kg
【典例3】 (利用环绕法计算天体质量)中国空间站是我国自主建成的太空实验室。已知空间站绕地球做匀速圆周运动,经过时间t,运动的弧长为s,与地球中心连线扫过的角度为θ(弧度),引力常量为G,求:(1)空间站的环绕周期T;(2)地球的质量M。
【典例4】 (计算天体的密度)我国嫦娥二号可视为在月球表面附近做圆周运动。已知引力常量为G,要测定月球的密度,仅仅需要( )A.测定飞船的运行周期B.测定飞船的环绕半径C.测定月球的体积D.测定飞船的运行速度
【典例5】 (重力加速度与天体的密度的计算)2023年9月17日12时13分,我国在西昌卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭,成功将遥感三十九号卫星发射升空,假设该卫星绕地球做匀速圆周运动。地球半径为R,引力常量为G ,忽略地球的自转。(1)若卫星到地心的距离为3R,求该卫星所在处的重力加速度大小。(已知地球表面处的重力加速度大小为g)(2)若卫星环绕地球的轨道半径为r,在该轨道上环绕周期为T,地球可视为质量分布均匀的球体,求地球的密度。
【教用·备选例题】 中国首位航天载荷专家桂海潮在中国空间站观测地球,若他观测得地球的最大张角为θ,观测到相邻两次“日落”的时间为t,简化模型如图所示,引力常量为G ,由此可估算出地球的( )A.质量 B.半径C.平均密度D.自转周期
1.海王星的发现英国剑桥大学的学生________和法国年轻的天文学家________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______在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星——海王星。
知识点二 发现未知天体 预言哈雷彗星回归
2.其他天体的发现近100年来,人们在海王星的轨道之外又发现了________、阋神星等几个较大的天体。3.预言哈雷彗星回归英国天文学家哈雷依据______________,计算了三颗彗星的轨道,并大胆预言这三次出现的彗星是同一颗星,周期约为____年。
已知地球、火星都绕太阳转动,火星的公转半径是地球公转半径的1.5倍,根据以上材料思考:
(1)地球、火星遵循什么样的动力学规律?(2)地球、火星绕太阳运动时的线速度、角速度、周期和向心加速度与自身质量有关吗?为什么?(3)如何比较火星与地球的线速度、角速度、周期以及向心加速度的大小?
【微提醒】 卫星运动情况(a、v 、ω 、T )是由r唯一决定,高轨低速长周期。
【典例6】 (不同轨道上的卫星各物理量的比较)(多选)如图所示,a、b、c是地球大气层外圈圆形轨道上运动的三颗卫星,a和b质量相等,且小于c的质量,则( )A.b所需向心力最小B.b、c的周期相同,且大于a的周期C.b、c的向心加速度大小相等,且大于a的向心加速度D.b、c的线速度大小相等,且小于a的线速度
【典例7】 (行星公转参量和行星表面重力加速度的比较)2022年9月27日,木星、地球和太阳排在同一直线上,地球位于太阳与木星之间,出现了“木星冲日”现象。地球和木星绕太阳公转的方向相同,轨迹都可近似为圆,木星的质量约为地球质量的318倍,木星的半径约为地球半径的11倍,木星绕太阳运动的周期约为地球绕太阳运动周期的12倍。下列说法正确的是( )A.木星公转的轨道半径比地球公转的轨道半径小B.木星公转的线速度比地球公转的线速度大C.木星表面的重力加速度约为地球表面重力加速度的2.6倍D.下一次出现“木星冲日”现象可能在2024年11月
规律方法 解决天体运动问题的关键(1)建立物理模型——绕中心天体做匀速圆周运动。(2)应用物理规律——万有引力定律和圆周运动规律。(3)利用“GM=gR2”——“gR2”代换“GM”,简化解题方式。
应用迁移·随堂评估自测
1.(多选)下列说法正确的是( )A.海王星是人们依据万有引力定律计算出其运行轨道而发现的B.天王星是人们依据万有引力定律计算出其运行轨道而发现的C.天王星的运行轨道偏离根据万有引力定律计算出来的轨道,其原因是天王星受到轨道外面其他行星的引力作用D.哈雷依据万有引力定律预言了哈雷彗星的回归
ACD [海王星是人们根据万有引力定律计算出其轨道,然后由天文工作者在预言的位置附近观察到的,天王星是人们通过望远镜观察发现的,由于天王星的运行轨道偏离根据万有引力定律计算出来的轨道,引起了人们的思考,推测天王星轨道外面存在未知行星,进而发现了海王星,故A、C正确,B错误;哈雷依据万有引力定律预言了哈雷彗星的回归,故D正确。]
3.土星周围有美丽壮观的“光环”,组成环的颗粒是大小不等、线度从1 μm到10 m的岩石、尘埃,类似于卫星,它们与土星中心的距离从7.3×104 km延伸到1.4×105 km。已知环的外缘颗粒绕土星做圆周运动的周期约为14 h,引力常量为6.67×10-11 N·m2/kg2,则土星的质量约为(估算时不考虑环中颗粒间的相互作用)( )A.9×1016 kg B.6×1017 kgC.9×1025 kgD.6×1026 kg
4.金星、地球和火星绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动,它们的向心加速度大小分别为a金、a地、a火,它们沿轨道运行的速率分别为v金、v地、v火。已知它们的轨道半径R金<R地<R火,由此可以判定( )A.a金>a地>a火B.a火>a地>a金C.v地>v火>v金D.v火>v地>v金
5.(选自粤教版教材)月球的半径为r。登上月球的航天员想用一个弹簧测力计和一个质量为m的砝码估测月球的质量,这种做法可行吗?如果可行,请写出测量原理和实施方案。
上式中m和r为已知量,引力常量G 也可以查得,所以再通过弹簧测力计测得砝码的重力F,即可估测月球的质量。实施方案:在月球表面将质量为m的砝码挂在弹簧测力计挂钩下,待砝码稳定后读出弹簧测力计的示数,即为砝码所受的重力F,最后将m、r、F、G 代入M的表达式即可得到月球的质量。
[答案] 可行,原理及实施方案见解析
回归本节知识,完成以下问题:1.计算天体质量有哪几种方法?
2.为什么说海王星是笔尖下发现的行星?
提示:因为其轨道是根据天王星的观测资料计算出来的。
3.天体运行的速度、周期、角速度和轨道半径有什么关系?
提示:轨道半径越大,速度越小,周期越长,角速度越小。
题组一 天体质量和密度的计算1.天文学家发现某恒星周围有一颗行星在圆形轨道上绕其运动,并测出了行星的轨道半径和运行周期。引力常量为G ,由此可推算出( )A.行星的质量 B.行星的半径C.恒星的质量D.恒星的半径
3.(2021·广东卷)2021年4月,我国自主研发的空间站天和核心舱成功发射并入轨运行。若核心舱绕地球的运行可视为匀速圆周运动,已知引力常量,由下列物理量能计算出地球质量的是( )A.核心舱的质量和绕地半径B.核心舱的质量和绕地周期C.核心舱的绕地角速度和绕地周期D.核心舱的绕地线速度和绕地半径
6.(多选)把太阳系各行星的运动近似地看作匀速圆周运动,则离太阳越远的行星( )A.周期越小 B.线速度越小C.角速度越小D.加速度越小
8.2023年10月26日,我国神舟十七号载人飞船入轨后,按照预定程序,与在同一轨道上运行的天和核心舱交会对接,航天员进驻天和核心舱。交会对接后神舟十七号飞船与天和核心舱的组合体轨道不变,将对接前飞船与对接后的组合体对比,下面说法正确的是( )A.组合体的环绕速度大于神舟十七号飞船的环绕速度B.组合体的环绕周期大于神舟十七号飞船的环绕周期C.组合体的向心加速度大于神舟十七号飞船的向心加速度D.组合体所受的向心力大于神舟十七号飞船所受的向心力
11.“天问一号”是执行中国首次火星探测任务的探测器,该名称源于屈原长诗《天问》,寓意探求科学真理征途漫漫,追求科技创新永无止境。已经测出火星上的气体非常稀薄,相对于地球上的气体可以忽略不计,若在距火星表面高h处以初速度v0水平抛出一个物体,落到火星表面时落地点与抛出点间的水平距离为L,已知引力常量为G ,火星的半径为R,h≪R。(1)火星的质量是多少?(2)火星的平均密度是多少?
12.我国自行研制的天问一号火星探测器于2021年5月15日成功着陆火星。设着陆前后探测器对火星完成了“绕、着、巡”三项目标考查。如图所示,探测器经过一系列的制动减速进入火星近地圆轨道绕火星做匀速圆周运动,之后再经过制动在火星表面着陆。着陆后,探测器上的科研装置,将一个小球从离地面h的高度由静止释放,做自由落体运动,测得小球经过时间t落地。已知引力常量为G ,火星的半径为R,求:
(1)火星表面重力加速度;(2)火星的质量及平均密度;(3)探测器在火星近地圆轨道速度的大小。
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