新教材高考物理一轮复习第4章曲线运动万有引力与航天第4节万有引力定律及其应用课件

这是一份新教材高考物理一轮复习第4章曲线运动万有引力与航天第4节万有引力定律及其应用课件，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，强基础增分策略，增素能精准突破，三次方，二次方，宇宙速度，匀速圆周，答案A，赤道平面，南北两极等内容，欢迎下载使用。
一、开普勒行星运动定律
易错辨析 (1)所有行星绕太阳运行的轨道都是椭圆。(　　)(2)行星在椭圆轨道上运行的速率是变化的,离太阳越远,运行速率越大。(　　)
应用提升1.(2022山东潍坊模拟)某卫星绕地球运动的椭圆轨道如图所示,F1和F2为椭圆的焦点。卫星由A经B到C点的过程中,卫星的速度逐渐增大,且路程AB与路程BC相等。已知卫星由A运动到B、由B运动到C的过程中,卫星与地心的连线扫过的面积分别为S1和S2。下列说法正确的是(　　)A.地球位于焦点F1处B.S1一定大于S2C.卫星由A运动到C,加速度减小D.卫星由A运动到C,引力势能增加
答案 B解析 卫星由A到C,速度增大,表明卫星向近地点运动,地球应位于焦点F2处,A项错误;卫星绕地球运动的过程中,相同时间内扫过的面积相同,但经过BC段所用时间短,因而S2要小于S1,B项正确;由A到C,卫星离地球越来越近,引力越来越大,加速度越来越大,C项错误;卫星由A运动到C,速度增大,引力做了正功,引力势能减少,D项错误。
二、万有引力定律2.适用条件:只适用于　　　　间的相互作用。 3.理解(1)两　　　　分布均匀的球体间的相互作用,也可用本定律来计算,其中r为两球心间的距离。 (2)一个质量分布均匀的球体和球外一个质点间的万有引力的计算也适用,其中r为质点到球心间的距离。
易错辨析 (3)只要知道两个物体的质量和两个物体之间的距离,就可以由 计算物体间的万有引力。(　　)(4)地面上的物体所受地球的引力方向一定指向地心。(　　)(5)两物体间的距离趋近于零时,万有引力趋近于无穷大。(　　)(6)牛顿总结了前人的科研成果,在此基础上,经过研究得出了万有引力定律。(　　)(7)牛顿利用扭秤比较准确地测出了引力常量。(　　)
应用提升2.(人教版必修第二册第七章第2节[练习与应用]T4改编)木星的卫星中有4颗是伽利略发现的,称为伽利略卫星。小华同学打算根据万有引力的知识计算木卫二绕木星运动的周期T,它收集到了如下一些数据。木卫二的数据:质量为m1=4.8×1022 kg、绕木星做匀速圆周运动的轨道半径为r1=6.7×108 m。木星的数据:质量为m2=1.9×1027 kg、半径为r2=7.1×107 m、自转周期为T1=9.8 h。下列关于木卫二绕木星运动的周期的计算式正确的是(　　)
3.(2023湖北联考)中国火星探测器天问一号成功发射后,沿地火转移轨道飞行七个多月,于2021年2月到达火星附近,要通过制动减速被火星引力俘获,才能进入环绕火星的轨道飞行。已知地球的质量约为火星质量的10倍,地球半径约为火星半径的2倍,下列说法正确的是(　　)A.若在火星上发射一颗绕火星运动的近地卫星,其速度至少需要7.9 km/sB.天问一号探测器的发射速度一定大于7.9 km/s,小于11.2 km/sC.火星与地球的第一宇宙速度之比为1∶D.火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度
旁栏边角 人教版教材必修第二册P64阅读“科学漫步”——黑洞,完成下面题目。理论上可以证明,天体的第二宇宙速度是第一宇宙速度的 倍,这个关系对于天体普遍适用。若某黑洞的半径约为45 km,逃逸速度可近似认为是真空中的光速。已知引力常量G=6.67×10-11 N·m2/kg2,真空中光速c=3×108 m/s。根据以上数据,估算此黑洞质量的数量级为(　　)A.1031 kgB.1028 kgC.1023 kgD.1022 kg
四、地球卫星1.卫星的轨道 所有卫星的轨道平面一定通过地球的球心(1)赤道轨道:卫星的轨道在赤道平面内,静止卫星就是其中的一种。(2)极地轨道:卫星的轨道过南北两极,即在垂直于赤道的平面内,如极地气象卫星。(3)其他轨道:除以上两种轨道外的卫星轨道。
2.静止卫星相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫静止卫星,是地球同步卫星的一种。静止卫星有以下特点:(1)轨道平面一定:轨道平面与　　　　　　　　共面。 (2)周期一定:与地球自转周期　　　　,即T=　　　。 (3)角速度一定:与地球自转的角速度　　　　。 (4)高度一定:卫星离地面高度约36 000 km。(5)绕行方向一定:与地球自转的方向一致。
3.极地卫星和近地卫星(1)极地卫星运行时每圈都经过　　　　　　　　,由于地球自转,极地卫星可以实现全球覆盖。 (2)近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星,其运行的轨道半径可近似认为等于　　　　　　　　,其运行线速度约为　　　　 km/s。 
五、绝对时空观和相对论时空观1.绝对时空观(牛顿力学时空观)时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。2.相对论时空观运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的　　　　　　　　有关。 
1.微元法解读开普勒第二定律:行星在近日点、远日点时的速度方向与两点连线垂直,若行星在近日点、远日点到太阳的距离分别为a、b,取足够短的时间Δt,则行星在Δt时间内的运动可看作匀速直线运动,由Sa=Sb知
2.行星绕太阳的运动通常按匀速圆周运动处理。3.开普勒行星运动定律也适用于其他天体,例如月球、卫星绕地球的运动。4.开普勒第三定律 =k中,k值只与中心天体的质量有关,不同的中心天体k值不同,故该定律只能用在绕同一中心天体公转的两星体之间。
【对点演练】1.(2023江苏盐城期末)羲和号绕太阳做椭圆运动的轨道示意图如图所示,其中F1、F2是椭圆的两个焦点,O是椭圆的中心。若羲和号卫星经过P点的速率小于经过Q点的速率,则可判断太阳位于(　　)A.F1点B.F2点C.O点D.Q点
解析 由开普勒第一定律可知太阳位于椭圆的焦点上,由开普勒第二定律可知,行星与太阳连线在相同时间内扫过的面积相等,近日点速度大,远日点速度小,故太阳位于F2点,选项A、C、D错误,B正确。
2.(2023湖南益阳期末)某人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径为月球绕地球运动半径的 ,设月球绕地球运动的周期为27天,则此卫星的运动周期是(　　)
3.(2023黑龙江大庆中学开学卷)如图所示,海王星绕太阳沿椭圆轨道运动,P为近日点,Q为远日点,M、N为轨道短轴的两个端点,运行的周期为T。若只考虑海王星和太阳之间的相互作用,则海王星在从P经M、Q到N的运动过程中(　　)
1.地球表面的重力与万有引力地面上的物体所受地球的吸引力产生两个效果,其中一个分力提供了物体绕地轴做圆周运动的向心力,另一个分力等于重力。(1)在两极,向心力等于零,重力等于万有引力;(2)除两极外,物体的重力都比万有引力小;(3)在赤道处,物体的万有引力的两个分力F向和mg刚好在一条直线上,则有F=F向+mg,所以mg=F-F向=
2.地球表面附近(脱离地面)的重力与万有引力物体在地球表面附近(脱离地面)绕地球转时,物体所受的重力等于地球表面处的万有引力,即 ,R为地球半径,g为地球表面附近的重力加速度,上式变形得Gm地=gR2。3.距地面一定高度处的重力与万有引力物体在距地面一定高度h处绕地球转时, ,R为地球半径,g'为该高度处的重力加速度。
4.万有引力的“两个推论”推论1:在匀质球壳的空腔内任意位置处,质点受到球壳的万有引力的合力为零,即?F引=0。推论2:在匀质球体内部距离球心r处的质点(质量为m)受到的万有引力等于球体内半径为r的同心球体(质量为m')对其的万有引力,即
【典例突破】典例1.如图所示,O1是一个半径为2R、质量为m0的密度均匀球体的球心,现在该球体内以O2为球心挖去一个半径为R的球,并在O2处放置一个质量为m的质点。若已知质量分布均匀的薄球壳对壳内物体的引力为零,则O1球剩余部分对O2处质点的万有引力为(　　)
思维点拨 运用“填补法”求解该题,解题的关键是紧扣万有引力定律的适用条件,先填补后运算,运用“填补法”解题主要体现了等效思想。
答案 A解析 若将挖去的小球体用原材料补回,可知剩余部分对质点的吸引力等于完整大球体对质点的吸引力与挖去小球体对质点的吸引力之差,由于质量分布均匀的薄球壳对壳内物体的引力为零,故O2处质点所受的万有引力可等效为半径为R的球对处于其表面的质点的引力,半径为R的球质量为 m0,则由万有引力定律知剩余部分对O2处质点的万有引力为 ,故A正确。
【对点演练】4.(2023山东枣庄期末)在长期天文观测中,人们发现一些星体运行过程中物理量的观测值和理论值之间往往存在稍许偏差。为了解释这种现象,科学家们认为,宇宙中存在一种望远镜看不到的物质,叫暗物质。在对一个绕质量为m恒的恒星做半径为r的匀速圆周运动的行星观测中发现,行星实际所受万有引力值是恒星对其万有引力理论值的k(k>1)倍。假设暗物质均匀分布在以恒星中心为球心、以r为半径的球内,那么,暗物质的质量应为(　　)
5.(多选)(2022河南郑州中学三模)与前五代移动通信以地面通信为主不同,6G时代卫星网络将承担重要角色。我国已经成功发射了全球首颗6G试验地球卫星,卫星轨道半径的三次方与其周期的二次方关系如图所示,卫星的运动是以地心为圆心的匀速圆周运动。已知地球半径为R,引力常量为G,下列说法正确的是(　　)
6.(2023湖南开学)天问一号火星探测器于2021年5月15日成功在火星乌托邦平原南部预选着陆区软着陆,首次在火星上留下中国印迹。已知火星质量约为地球质量的 ,火星半径约为地球半径的 ,在着陆前,探测器会经历一个由着陆平台(高度不计)支撑的悬停过程。在火星表面悬停时,该探测器所受着陆平台的作用力大小与相同探测器在地球表面上悬停实验时所受着陆平台的作用力大小之比为(不计地球自转影响)(　　)A.8∶5B.5∶8C.1∶4D.4∶1
1.天体质量和密度常用的估算方法
2.计算中心天体的质量、密度时的两点区别(1)天体半径和卫星的轨道半径通常把天体看成一个球体,天体的半径指的是球体的半径。卫星的轨道半径指的是卫星围绕天体做圆周运动的圆的半径。卫星的轨道半径大于等于天体的半径。(2)自转周期和公转周期自转周期是指天体绕自身某轴线运动一周所用的时间,公转周期是指卫星绕中心天体做圆周运动一周所用的时间。自转周期与公转周期一般不相等。
【典例突破】典例2.(多选)若已知引力常量为G,地球表面处的重力加速度为g,地球半径为R,地球上一个昼夜的时间为T1(地球自转周期),一年的时间为T2(地球公转周期),地球中心到月球中心的距离为L1,地球中心到太阳中心的距离为L2。下列说法正确的是(　　)
思维点拨 求解地球的质量和密度,可根据万有引力等于重力来求;太阳的质量可根据地球绕太阳转动求解。
【对点演练】7.(2023四川巴中、资阳期末)宇宙世界含有大量的未知星体,判断星体的物质组成需要估算该星体的平均密度,现在发射航天器在该星体表面绕球心飞行,假定该星体是质量分布均匀的球体,引力常量为G,则要估算该星体的平均密度,只需测量出(　　)A.航天器的质量B.航天器的体积C.未知星体的质量D.航天器飞行一周的时间
8.(2023贵州模拟)若空间站天和核心舱和地球同步卫星绕地球的运动均可以看成匀速圆周运动,分别把它们的周期、轨道半径取常用对数后,在lg T-lg r图像中将这两点用直线连接,如图所示。a、b为已知量,引力常量为G,则地球的质量为(　　)
1.物理量随轨道半径变化的规律
2.卫星问题常见的四个比较对象(1)静止卫星的周期、轨道平面、高度、线速度、角速度、绕行方向均是固定不变的,常用于无线电通信。(2)极地卫星运行时每圈都经过南北两极,由于地球自转,极地卫星可以实现全球覆盖。(3)近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星,其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径,其运行线速度约为7.9 km/s。(4)赤道上的物体随地球自转而做匀速圆周运动,由万有引力和地面支持力的合力充当向心力(或者说由万有引力的分力充当向心力),它的运动规律不同于卫星,但它的周期、角速度与静止卫星相等。
3.卫星发射速度与卫星运动轨迹的关系(1)v发=7.9 km/s时,卫星绕地球做匀速圆周运动。(2)7.9 km/s