萬有引力與航天重點知識歸納及經(jīng)典例題練習.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，僅供學習與交流，如有侵權請聯(lián)系網(wǎng)站刪除第五講 萬有引力定律重點歸納講練知識梳理考點一、萬有引力定律1. 開普勒行星運動定律（1） 第一定律（軌道定律）：所有的行星圍繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。（2） 第二定律（面積定律）：對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等時間內掃過相等的面積。（3） 第三定律（周期定律）：所有行星的軌道的半長軸的三次方跟公轉周期二次方的比值都相等，表達式：。其中k值與太陽有關，與行星無關。（4） 推廣：開普勒行星運動定律不僅適用于行星繞太陽運轉，也適用于衛(wèi)星繞地球運轉。當衛(wèi)星繞行星旋轉時，但k值不同，k與行星有關，與衛(wèi)星無關。（5） 中學階段對天體運動的處理辦法：把橢圓近似為園，太陽在圓心；認為v與不變，行星或衛(wèi)星做勻速圓周運動；，R軌道半徑。2. 萬有引力定律（1） 內容：萬有引力F與m1m2成正比，與r2成反比。（2） 公式：，G叫萬有引力常量，。（3） 適用條件：嚴格條件為兩個質點；兩個質量分布均勻的球體，r指兩球心間的距離；一個均勻球體和球外一個質點，r指質點到球心間的距離。（4） 兩個物體間的萬有引力也遵循牛頓第三定律。3. 萬有引力與重力的關系(1) 萬有引力對物體的作用效果可以等效為兩個力的作用，一個是重力mg，另一個是物體隨地球自轉所需的向心力f，如圖所示。在赤道上，F(xiàn)=F向+mg，即；在兩極F=mg，即；故緯度越大，重力加速度越大。由以上分析可知，重力和重力加速度都隨緯度的增加而增大。(2) 物體受到的重力隨地面高度的變化而變化。在地面上，；在地球表面高度為h處：，所以，隨高度的增加，重力加速度減小?？键c二、萬有引力定律的應用求天體質量及密度1T、r法：，再根據(jù)，當r=R時，2g、R法：，再根據(jù)3v、r法：4v、T法：考點三、星體表面及某高度處的重力加速度1、 星球表面處的重力加速度：在忽略星球自轉時，萬有引力近似等于重力，則。注意：R指星球半徑。2、 距星球表面某高度處的重力加速度：，或。注意：衛(wèi)星繞星球做勻速圓周運動，此時的向心加速度，即向心加速度與重力加速度相等?？键c四、天體或衛(wèi)星的運動參數(shù)我們把衛(wèi)星（天體）繞同一中心天體所做的運動看成勻速圓周運動，所需要的向心力由萬有引力提供，就可以求出衛(wèi)星（天體）圓周運動的有關參數(shù)：1、 線速度： 2、角速度：3周期： 4、向心加速度：規(guī)律：當r變大時，“三小”（v變小,變小,an變?。耙淮蟆保═變大）。考點五、地球同步衛(wèi)星對于地球同步衛(wèi)星，要理解其特點，記住一些重要數(shù)據(jù)?？偨Y同步衛(wèi)星的以下“七個一定”。1、 軌道平面一定：與赤道共面。2、 周期一定：T=24h，與地球自轉周期相同。3、 角速度一定：與地球自轉角速度相同。4、 繞行方向一定：與地球自轉方向一致。5、 高度一定：由。6、 線速度大小一定：。7、 向心加速度一定：?？键c六、宇宙速度1、 對三種宇宙速度的認識：第一宇宙速度人造衛(wèi)星近地環(huán)繞速度。大小v1=7.9km/s。第一宇宙速度的算法：法一：由，r=R+h，而近地衛(wèi)星h=0，r=R，則，代入數(shù)據(jù)可算得：v1=7.9km/s。法二：忽略地球自轉時，萬有引力近似等于重力，則，同理r=R+h，而近地衛(wèi)星h=0，r=R，代入數(shù)據(jù)可算得：v1=7.9km/s。對于其他星球的第一宇宙速度可參照以上兩法計算。計算重力加速度時一般與以下運動結合：自由落體運動；豎直上拋運動；平拋運動；單擺（2）第二宇宙速度脫離速度。大小v2=11.2km/s，是使物體脫離地球吸引，成為繞太陽運行的行星的最小發(fā)射速度。（3）第三宇宙速度逃逸速度。大小v3=16.7km/s，是使物體脫離逃逸引力吸引束縛的最小發(fā)射速度。2、 環(huán)繞（運行）速度與發(fā)射速度的區(qū)別：BA123三種宇宙速度都是發(fā)射速度，環(huán)繞速度是指衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動時的線速度大??；軌道越高，環(huán)繞速度越小，所需的發(fā)射速度越大，所以第一宇宙速度時指最大環(huán)繞速度，最小發(fā)射速度?？键c七 衛(wèi)星變軌問題人造衛(wèi)星發(fā)射過程要經(jīng)過多次變軌，如圖所示，我們從以下幾個方面討論：一、變軌原理及過程1、為了節(jié)約能量，衛(wèi)星在赤道上順著地球自轉方向發(fā)射衛(wèi)星到圓形軌道1上。2、在A點點火加速，由于速度變大，萬有引力不足以提供軌道上做圓周運動的向心力，衛(wèi)星做離心運動進入軌道2。3、在B點（遠地點）再次點火進入軌道3。二、一些物理量的定性分析1、速度：設衛(wèi)星在園軌道1和3運行時速率為v1、v3，在A點、B點速率為vA、vB。在A點加速，則vAv1，在B點加速，則v3vB，又因v1v3，故有vAv1v3vB。2、加速度：因為在A點，衛(wèi)星只受到萬有引力作用，故不論從軌道1還是軌道2經(jīng)過A點，衛(wèi)星的加速度都相同，同理，經(jīng)過B點加速度也相同。3、周期：設衛(wèi)星在1、2、3軌道上運行周期分別為T1、T2、T3。軌道半徑分別為r1、r2（半長軸）、r3，由開普勒第三定律可知，T1T2T3。三、從能量角度分析變軌問題的方法把橢圓軌道按平均半徑考慮，根據(jù)軌道半徑越大，衛(wèi)星的機械能越大，衛(wèi)星在各軌道之間變軌的話，若從低軌道進入高軌道，則能量增加，需要加速；若從高軌道進入低軌道，則能量減少，需要減速。四、從向心力的角度分析變軌問題的方法當萬有引力恰好提供衛(wèi)星所需向心力時，即時，衛(wèi)星做勻速圓周運動。若速度突然增大時，萬有引力小于向心力，做離心運動，則衛(wèi)星軌道半徑變大。若速度突然減小時，萬有引力大于向心力，做近心運動，則衛(wèi)星軌道半徑變小?？键c八 雙星問題被相互引力系在一起，互相繞轉的兩顆星就叫物理雙星。雙星是繞公共重心轉動的一對恒星。如圖所示雙星系統(tǒng)具有以下三個特點：1、各自需要的向心力由彼此間的萬有引力相互提供，即：，；2、兩顆星的周期及角速度都相同，即：T1=T2，1=2；3、兩顆星的半徑與它們之間距離關系為：r1+r2=L。補充一些需要用到的知識：1、衛(wèi)星的分類：衛(wèi)星根據(jù)軌道平面分類可分為：赤道平面軌道（軌道在赤道平面內）；極地軌道（衛(wèi)星運行時每圈都經(jīng)過南北兩極）；任意軌道（與赤道平面的夾角在090之間）。但軌道平面都經(jīng)過地心。衛(wèi)星根據(jù)離地高度分類可分為：近地衛(wèi)星（在地球表面附近繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星，可認為h=0，r=R）；任意高度衛(wèi)星（離開地面一定高度運行的衛(wèi)星，軌道半徑r=R+h，R指地球半徑，h指衛(wèi)星離地高度，其中同步衛(wèi)星是一個它的一個特例）。軌道平面都經(jīng)過地心。2、人造衛(wèi)星的機械能：E=EK+EP（機械能為動能和引力勢能之和），動能，由運行速度決定；引力勢能由軌道半徑（離地高度）決定，r增大，動能減小，引力勢能增大，但，所以衛(wèi)星的機械能隨著軌道半徑（離地高度）增大而增大。3、人造衛(wèi)星的兩個速度：發(fā)射速度：在地球表面將人造衛(wèi)星送入預定軌道運行所必須具有的速度，發(fā)射時所具有的動能要包括送入預定軌道的動能和引力勢能之和，即機械能，所以r增大，發(fā)射速度增大；環(huán)繞（運行）速度：衛(wèi)星在軌道上繞地球做勻速圓周運動所具有的速度，r增大時，環(huán)繞速度減小。4、推導并記住近地衛(wèi)星的幾個物理量的公式和數(shù)值:近地衛(wèi)星指在地球表面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星，可認為h=0，r=R。運行速度：，它是所有衛(wèi)星的最大運行速度（因為h=0，無需增大引力勢能，故發(fā)射速度等于運行速度，所以這個速度又是所有衛(wèi)星的最小發(fā)射速度）；角速度：，r=R，r最小，它的角速度在所有衛(wèi)星中最大。（無需記數(shù)值）周期：，r=R，=5100s，r最小，它的周期在所有衛(wèi)星中最小。向心加速度：，r=R，r最小，它的向心加速度在所有衛(wèi)星中最大。5、衛(wèi)星的追擊問題：由知，同一軌道上的兩顆衛(wèi)星，周期T相同，后面的不可能追上前面的。衛(wèi)星繞中心天體的半徑越大，T越大。同一半徑方向不同軌道的兩顆衛(wèi)星（設周期分別為T1、T2 ，且T1T2）再次相遇的時間滿足，或。6、萬有引力與航天知識要注意模型：把天體都看成質點；把天體的運動在沒有特殊說明時都看成勻速圓周運動；常見的勻速圓周運動模型分三種：核星模型（中心天體不動，行星或衛(wèi)星繞中心天體運動）；雙星模型（兩顆星繞連線上某點做周期相同的勻速圓周運動）；三星模型（三顆星組成穩(wěn)定的系統(tǒng)，做勻速圓周運動，三顆星一般組成正三角形或在一條直線上）。7、估算問題的思維與解答方法：估算問題首先要找到依據(jù)的物理概念或物理規(guī)律（這是關鍵）；運用物理方法或近似計算方法，對物理量的數(shù)值或取值范圍進行大致的推算；估算題常常要利用一些隱含條件或生活中的常識。如：在地球表面受到的萬有引力等于重力；地球表面附近的重力加速度g=9.8m/s2；地球自轉周期T=24h，公轉周期T0=365天；月球繞地球公轉周期約為27天；近地衛(wèi)星周期為85分鐘；日地距離約1.5億千米；月地距離約38億千米；同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星的數(shù)據(jù)等。8、 物體隨地球自轉的向心加速度與環(huán)繞地球運行的公轉向心加速度：物體隨地球自轉的向心加速度由地球對物體的萬有引力的一個分力提供，計算公式為：，式中T為地球自轉周期，R0為地表物體到地軸的距離；衛(wèi)星環(huán)繞地球運行的向心加速度所需的向心力由地球對它的全部萬有引力提供，計算公式為：，式中M為地球質量，r為衛(wèi)星與地心的距離。例題講解【例1】甲、乙兩顆人造地球衛(wèi)星，質量相等，它們的軌道都是圓，若甲的運動周期比乙小，則（ ）A甲距地面的高度比乙小 B甲的加速度一定比乙小C甲的加速度一定比乙大 D甲的速度一定比乙大【例2】A、B兩顆行星，質量之比，半徑之比，則兩行星表面的重力加速度之比為（ ）A. B. C. D.【例3】如圖1-4-1所示，在同一軌道平面上，有繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星A、B、C某時刻在同一條直線上，則（ ）A.經(jīng)過一段時間，它們將同時回到原位置B.衛(wèi)星C受到的向心力最小C.衛(wèi)星B的周期比C小 D.衛(wèi)星A的角速度最大【例4】人造衛(wèi)星離地球表面距離等于地球半徑R，衛(wèi)星以速度v沿圓軌道運動，設地面上的重力加速度為g，則（ ）A. B. C. D. 【例5】地球公轉的軌道半徑是R1，周期是T1，月球繞地球運轉的軌道半徑是R2，周期是T2，則太陽質量與地球質量之比是 （ ）A. B. C. D. 【例6】土星外層上有一個環(huán)。為了判斷它是土星的一部分還是土星的衛(wèi)星群，可以測量環(huán)中各層的線速度a與該l層到土星中心的距離R之間的關系來判斷： ( )A若vR，則該層是土星的一部分；B若v2R，則該層是土星的衛(wèi)星群C若vR，則該層是土星的一部分D若v2R，該層是土星的衛(wèi)星群【例7】火星與地球的質量之比為P，半徑之比為q，則火星表面的重力加速度和地球表面的重力加速度之比為（）A. B. C. D.【例8】地球表面處的重力加速度為g，則在距地面高度等于地球半徑處的重力加速度為（）A. g B. g/2 C. g/4 D. 2g【例9】人造地球衛(wèi)星繞地心為圓心，做勻速圓周運動，下列說法正確的是（）A. 半徑越大，速度越小，周期越小B. 半徑越大，速度越小，周期越大C. 所有衛(wèi)星的速度均相同，與半徑無關D. 所有衛(wèi)星的角速度均相同，與半徑無關鞏固練習1關于第一宇宙速度，下列說法不正確的是（）A. 它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B. 它等于人造地球衛(wèi)星在近地圓形軌道上的運行速度C. 它是能使衛(wèi)星在近地軌道運動的最小發(fā)射速度D. 它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運動時的近地點速度2、下述實驗中，可在運行的太空艙里進行的是 （ ）A用彈簧秤測物體受的重力 B用天平測物體質量北abcC用測力計測力 D用溫度計測艙內溫度3如圖所示的三個人造地球衛(wèi)星，則說法正確的是（ ）衛(wèi)星可能的軌道為a、b、c 衛(wèi)星可能的軌道為a、c同步衛(wèi)星可能的軌道為a、c 同步衛(wèi)星可能的軌道為aA是對的 B是對的C是對的 D是對的4.同步衛(wèi)星離地心距離為r，運行速率為v1，加速度為a1，地球赤道上物體隨地球自轉的向心加速度為a2,第一宇宙速度為v2,地球半徑為R，則（）A. a1/a2=r/R B. a1/a2=R2/r2C. v1/v2=R2/r2 D. v1/v2 5關于人造地球衛(wèi)星及其中物體的超重和失重問題，下列說法正確的是（）在發(fā)射過程中向上加速時產(chǎn)生超重現(xiàn)象在降落過程中向下減速時產(chǎn)生失重現(xiàn)象進入軌道時作勻速圓周運動，產(chǎn)生失重現(xiàn)象失重是由于地球對衛(wèi)星內物體的作用力減小而引起的A. B. C. D.6、某天體的質量約為地球的9倍，半徑約為地球的一半，若從地球上高h處平拋一物體，射程為L，則在該天體上，從同樣高處以同樣速度平拋同一物體，其射程為：（ ） AL/6 BL/4 C3L/2 D6L7、人造地球衛(wèi)星所受的向心力與軌道半徑r的關系，下列說法中正確的是（）A. 由可知，向心力與r2成反比 B. 由可知，向心力與r成反比C. 由可知，向心力與r成正比D. 由可知，向心力與r 無關7、已知太陽到地球與地球到月球的距離的比值約為390，月球繞地球旋轉的周期約為27天.利用上述數(shù)據(jù)以及日常的天文知識，可估算出太陽對月球與地球對月球的萬有引力的比值約為（ ）A.0.2 B.2 C.20 D.2008、（08江蘇卷）火星的質量和半徑分別約為地球的和，地球表面的重力加速度為g，則火星表面的重力加速度約為A0.2g B0.4g C2.5g D5g9、（07重慶理）土衛(wèi)十和土衛(wèi)十一是土星的兩顆衛(wèi)星，都沿近似為圓周的軌道繞土星運動，其參數(shù)如表：衛(wèi)星半徑(m)衛(wèi)星質量(kg)軌道半徑(m)土衛(wèi)十8.901042.0110181.511018土衛(wèi)十一5.701045.6010171.51103兩衛(wèi)