2024年高中物理新教材同步学案 必修第二册 第7章 章末素养提升 (含解析)

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章末素养提升例1　(2022·全国乙卷)2022年3月，中国航天员翟志刚、王亚平、叶光富在离地球表面约400 km的“天宫二号”空间站上通过天地连线，为同学们上了一堂精彩的科学课。通过直播画面可以看到，在近地圆轨道上飞行的“天宫二号”中，航天员可以自由地漂浮，这表明他们(　　)A．所受地球引力的大小近似为零B．所受地球引力与飞船对其作用力两者的合力近似为零C．所受地球引力的大小与其随飞船运动所需向心力的大小近似相等D．在地球表面上所受引力的大小小于其随飞船运动所需向心力的大小答案　C解析　航天员在空间站中所受的地球引力完全提供做圆周运动的向心力，飞船对其作用力等于零，故C正确，A、B错误；根据F＝Geq \f(Mm,r2)可知，他们在地球表面上所受引力的大小大于在飞船中所受的万有引力大小，因此在地球表面所受引力大小大于其随飞船运动所需向心力的大小，故D错误。例2　(多选)a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星，其中a、c的轨道相交于P点，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上。某时刻四颗人造卫星的运行方向及位置如图所示。下列说法中正确的是(　　)A．a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度B．b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度C．a、c的线速度大小相等，且大于d的线速度D．a、c存在相撞的危险答案　AC解析　a、c的轨道相交于P点，说明两颗卫星的轨道半径相等，根据Geq \f(mm地,r2)＝ma，可知a＝eq \f(Gm地,r2)，a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度，选项A正确；根据Geq \f(mm地,r2)＝mω2r，可知ω＝eq \r(\f(Gm地,r3))，a、c的角速度大小相等，且大于b的角速度，选项B错误；根据Geq \f(mm地,r2)＝meq \f(v2,r)，可知v＝eq \r(\f(Gm地,r))，a、c的线速度大小相等，且大于d的线速度，选项C正确；由于a、c的轨道半径相等，周期相等，不存在相撞的危险，选项D错误。例3　(多选)(2023·张家口市高一统考期中)2022年11月30日，神舟十五号载人飞船与中国空间站的核心舱成功交会对接。神舟十五号载人飞船与中国空间站对接前某段时间的运行可简化为在轨道Ⅰ上的匀速圆周运动，如图所示。神舟十五号飞船绕轨道Ⅰ运行的周期为T1，中国空间站绕轨道Ⅲ运行的周期为T2。在某时刻二者相距最近，下列说法正确的是(　　)A．神舟十五号飞船与中国空间站下一次相距最近需经过时间t＝eq \f(T1T2,T1＋T2)B．神舟十五号飞船与中国空间站绕地球做匀速圆周运动的轨道半径之比为 SKIPIF 1 < 0 C．神舟十五号飞船为了与中国空间站对接，由轨道Ⅰ变轨到轨道Ⅱ时需要减速D．神舟十五号飞船与核心舱对接后的向心加速度小于地球近地卫星的向心加速度答案　BD解析　设需经过时间t，神舟十五号飞船与中国空间站下一次相距最近，则2πeq \f(t,T1)－2πeq \f(t,T2)＝2π，得t＝eq \f(T1T2,T2－T1)，A错误；神舟十五号飞船与中国空间站绕地球做匀速圆周运动的轨道半径分别为r1、r2，由开普勒第三定律得eq \f(r13,T12)＝eq \f(r23,T22)，解得eq \f(r1,r2)＝ SKIPIF 1 < 0 ，B正确；神舟十五号飞船要与在轨的中国空间站对接，需加速后做离心运动向更高轨道运动，C错误；由Geq \f(Mm,r2)＝ma，得a＝eq \f(GM,r2)，神舟十五号飞船与核心舱对接后的轨道半径大于地球半径，则神舟十五号飞船与核心舱对接后的向心加速度小于地球近地卫星的向心加速度，D正确。例4　(2023·湖南卷)根据宇宙大爆炸理论，密度较大区域的物质在万有引力作用下，不断聚集可能形成恒星。恒星最终的归宿与其质量有关，如果质量为太阳质量的1～8倍将坍缩成白矮星，质量为太阳质量的10～20倍将坍缩成中子星，质量更大的恒星将坍缩成黑洞。设恒星坍缩前后可看成质量均匀分布的球体，质量不变，体积缩小，自转变快。不考虑恒星与其他物体的相互作用。已知逃逸速度为第一宇宙速度的eq \r(2)倍，中子星密度大于白矮星。根据万有引力理论，下列说法正确的是(　　)A．同一恒星表面任意位置的重力加速度相同B．恒星坍缩后表面两极处的重力加速度比坍缩前的大C．恒星坍缩前后的第一宇宙速度不变D．中子星的逃逸速度小于白矮星的逃逸速度答案　B解析　恒星可看成质量均匀分布的球体，同一恒星表面任意位置物体受到的万有引力提供重力加速度和绕恒星自转轴转动的向心加速度，不同位置向心加速度可能不同，故不同位置重力加速度的大小和方向可能不同，A错误；恒星两极处自转的向心加速度为零，万有引力全部提供重力加速度。恒星坍缩前后可看成质量均匀分布的球体，质量不变，体积缩小，由万有引力表达式F万＝eq \f(GMm,R2)可知，恒星表面物体受到的万有引力变大，根据牛顿第二定律可知恒星坍缩后表面两极处的重力加速度比坍缩前的大，B正确；由第一宇宙速度物理意义可得eq \f(GMm,R2)＝meq \f(v2,R)，整理得v＝eq \r(\f(GM,R))，恒星坍缩前后质量不变，体积缩小，故第一宇宙速度变大，C错误；由质量分布均匀球体的质量表达式M＝eq \f(4π,3)R3ρ得，R＝eq \r(3,\f(3M,4πρ))，已知逃逸速度为第一宇宙速度的eq \r(2)倍，则v′＝eq \r(2)v＝eq \r(\f(2GM,R))，联立整理得v′2＝2v2＝eq \f(2GM,R)＝4Geq \r(3,\f(πρM2,6))，由题意可知中子星的质量和密度均大于白矮星，结合上式表达式可知中子星的逃逸速度大于白矮星的逃逸速度，D错误。例5　(2022·福州市高一期末)“登月工程”一直是我国航天事业的重要目标，也是一代代航天人的梦想。我国自主研制的“玉兔号”月球车与月球表面的第一次接触实现了中国人“奔月”的伟大梦想。假设“玉兔号”月球车在月球表面做了一个科学测量，测出月球表面的重力加速度为g0，已知月球半径为R，自转周期为T，引力常量为G。忽略月球自转的影响，求：(1)月球的质量；(2)探测器在离月球表面高度为R处做圆周运动的环绕速度的大小；(3)月球的同步卫星离月球表面高度H。答案　(1)eq \f(g0R2,G)　(2)eq \r(\f(g0R,2))　(3)eq \r(3,\f(g0R2T2,4π2))－R解析　(1)在月球表面附近可认为重力等于万有引力，则有eq \f(GMm,R2)＝mg0解得M＝eq \f(g0R2,G)(2)探测器做圆周运动由万有引力提供向心力有Geq \f(Mm,2R2)＝meq \f(v2,2R)解得v＝eq \r(\f(g0R,2))(3)对同步卫星由万有引力提供向心力有eq \f(GMm同,H＋R2)＝m同eq \f(4π2,T2)(H＋R)解得H＝eq \r(3,\f(g0R2T2,4π2))－R。物理观念开普勒定律开普勒第一定律所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上开普勒第二定律对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等开普勒第三定律所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等。其表达式为eq \f(a3,T2)＝k，其中a代表椭圆轨道的半长轴，T代表公转周期，比值k是一个对所有行星都相同的常量万有引力定律内容自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比、与它们之间距离r的二次方成反比表达式F＝Geq \f(m1m2,r2)，其中G叫作引力常量引力常量英国物理学家卡文迪什通过实验推算出引力常量G的值。通常取G＝6.67×10－11 N·m2/kg2宇宙速度第一宇宙速度：7.9 km/s物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度第二宇宙速度：11.2 km/s在地面附近发射飞行器使其克服地球引力，永远离开地球的最小地面发射速度第三宇宙速度：16.7 km/s在地面附近发射飞行器使其挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外的最小地面发射速度相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观时间延缓效应：Δt＝eq \f(Δτ,\r(1－\f(v,c)2))Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ(选填“>”“<”或“＝”)，即物理过程的快慢(时间进程)跟物体的运动状态有关(填“有关”或“无关”)长度收缩效应：l＝l0eq \r(1－\f(v,c)2)l与l0的关系总有l＜l0(选填“>”“<”或“＝”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关(填“无关”或“有关”)牛顿力学的成就与局限性牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬牛顿力学的局限性：牛顿力学的适用范围是低速(填“高速”或“低速”)运动的宏观(填“宏观”或“微观”)物体牛顿力学不会被新的科学成就所否定，当物体的运动速度远小于光速c时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别科学思维理想化处理物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略把行星运动的椭圆轨道简化为圆轨道处理模型建构由“称量”地球的质量的方法过渡到称量中心天体质量由地球宇宙速度的求解过渡到其他天体宇宙速度的求解通过抽象思维，理解宇宙空间的特殊环境和宇宙探测器的工作原理；通过创新思维，发展新型的航天技术，开拓宇宙探索的新领域科学探究1.通过学习开普勒定律的得出过程，深刻认识、理解行星运动规律，明确科学探究的根源是绕过曲折过程认识事物的本质2.通过牛顿建立万有引力定律的过程，了解科学探究的基本过程和方法，如提出问题、假设和实验设计、数据采集和分析、结论验证和修正等3.知道应用万有引力与航天技术解决实际问题的实践探究，如“发现未知天体”、环境监测、地质勘探等4.通过拓展探究和科普教育，探究科学与人类社会的关系，如科学技术与经济社会发展的互动关系科学态度与责任1.体会科学家实事求是、尊重客观事实、不迷信权威、勇于探索的科学态度和科学精神，注重诚信和良好学习习惯的养成2.了解科学与社会的互动关系，认识到科学的重要性，要遵守学术道德和科学规范，加强环保意识和社会责任感3.能正确评价牛顿力学。知道人类对自然界的探索是不断深入的，科学结论的普适性总是相对的