高三物理單元總復(fù)習(xí)課件24

1、 第五單元萬有引力與航天 1開普勒第一定律：所有的行星圍繞太 陽運動的軌道都是 ，太陽處在橢圓 的一個上 2開普勒第二定律：對于每一個行星而 言，太陽和行星的在相等的時間內(nèi) 掃過相等的 3開普勒第三定律：所有行星的軌道的 半長軸的三次方跟 的二次方的比值都 相等，表達(dá)式： . 橢圓橢圓焦點焦點 連線連線面積面積 公轉(zhuǎn)周期公轉(zhuǎn)周期 1內(nèi)容：自然界中任何兩個物體都相互 吸引，引力的大小跟物體的質(zhì)量m1和m2 的成正比，與它們之間距離r的 成反比 2公式：F ，其中G 叫引力常量 3適用條件 萬有引力定律只適用于的相互作 用 乘積乘積 二次方二次方 6.6710 11_ Nm2/kg2 質(zhì)點間質(zhì)點間

2、 4特殊情況 (1)兩質(zhì)量分布均勻的球體間的相互作用， 也可用本定律來計算，其中r為 (2)一個質(zhì)量分布均勻的球體和球外一個 質(zhì)點間的萬有引力也適用，其中r為 兩球心間的距離兩球心間的距離 質(zhì)點到球心間的距離質(zhì)點到球心間的距離 1基本方法：把天體的運動看成 ，所需向心力由萬有引力提供 2天體的質(zhì)量M、密度的估算 測出衛(wèi)星繞中心天體做勻速圓周運動的半 徑r和周期 勻速圓周運動勻速圓周運動 3 三種宇宙速度 (1)第一宇宙速度(環(huán)繞速度)：v1 ，是人造地球衛(wèi)星的最小速度， 也是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的 速度 (2)第二宇宙速度(脫離速度)：v2 ，是使物體掙脫引力束縛的 最小發(fā)射速度 (3

3、)第三宇宙速度(逃逸速度)：v3 ，是使物體掙脫引力束縛的 最小發(fā)射速度 特別提醒：任何行星都有對應(yīng)的宇宙速 度 7.9 km/s 11.2 km/s 16.7 km/s 發(fā)射發(fā)射 最大最大 地球地球 太陽太陽 1經(jīng)典的時空觀：時間和空間是脫離物 質(zhì)而存在的，是，時間和空間之 間也是沒有聯(lián)系的 2相對論的時空觀：有物質(zhì)才有時間和 空間，空間和時間與物質(zhì)的有 關(guān)，它們并不是相互獨立的 絕對的絕對的 運動狀態(tài)運動狀態(tài) 1重力是由于地球的吸引而使物體受到 的力，但重力并不是地球?qū)ξ矬w的引力， 它只是引力的一個分力，另一個分力提供 物體隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力(如圖1所 示) GMgR2，純粹是四個常數(shù)

4、G、M、g、R 間的數(shù)值關(guān)系，因此在任何時候都能進(jìn)行 等量代換，不過一定要注意g和R的對應(yīng) 性，即g是離天體M球心R處的重力加速度 值 1衛(wèi)星的超重與失重 衛(wèi)星發(fā)射過程中，衛(wèi)星上的物體處于超重 狀態(tài)，衛(wèi)星進(jìn)入軌道后正常運轉(zhuǎn)時，衛(wèi)星 具有的加速度等于軌道處的重力加速度g 軌，衛(wèi)星上的物體完全失重返回時，由 于空氣、降落傘或沿向地面方向噴氣，衛(wèi) 星上的物體處于超重狀態(tài) 2衛(wèi)星的能量 軌道半徑越大，速度越小，動能越小，但 重力勢能越大，且總機(jī)械能也越大，也就 是軌道半徑越大的衛(wèi)星，運行速度雖小， 但發(fā)射速度越大 3衛(wèi)星變軌問題 人造衛(wèi)星在軌道變換時，總是主動或由于 其他原因使速度發(fā)生變化，導(dǎo)致萬有引

5、力 與向心力相等的關(guān)系被破壞，繼而發(fā)生近 心運動或者離心運動，發(fā)生變軌在變軌 過程中，由于動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，可 能出現(xiàn)萬有引力與向心力再次相等，衛(wèi)星 即定位于新的軌道 4同步衛(wèi)星 同步衛(wèi)星就是與地球同步運轉(zhuǎn)，相對地球 靜止的衛(wèi)星，因此可用來作為通訊衛(wèi) 星同步衛(wèi)星有以下幾個特點： (1)周期一定：同步衛(wèi)星在赤道正上方相 對地球靜止，它繞地球的運動與地球自轉(zhuǎn) 同步，它的運動周期就等于地球自轉(zhuǎn)的周 期，T24 h. (2)角速度一定：同步衛(wèi)星繞地球運動的 角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度 (3)軌道一定： 因提供向心力的萬有引力指向圓心，所 有同步衛(wèi)星的軌道必在赤道平面內(nèi) (4)環(huán)繞速度大小一定：所有

6、同步衛(wèi)星繞 地球運動的線速度的大小是一定的，都是 3.08 km/s，環(huán)繞方向與地球自轉(zhuǎn)相同 5幾種衛(wèi)星的軌道 (1)赤道軌道：衛(wèi)星的軌道在赤道平面 內(nèi)同步衛(wèi)星就是其中的一種 (2)極地軌道：衛(wèi)星的軌道過南北兩極， 即在垂直于赤道的平面內(nèi)如定位衛(wèi)星系 統(tǒng)中的衛(wèi)星軌道 (3)其他軌道：除以上兩種軌道外的衛(wèi)星 軌道 一切衛(wèi)星的軌道的圓心，與地心重合 在不知地球質(zhì)量的情況下可用其半徑和表 面的重力加速度來表示，此式在天體運動 問題中應(yīng)用廣泛 2注意挖掘隱含條件，熟記有關(guān)數(shù)據(jù)， 有助于我們分析問題 (1)地球的公轉(zhuǎn)周期為1年，其自轉(zhuǎn)周期為 1天(24小時)，地球的半徑約為6.4103 km，表面重力加

7、速度g9.8 m/s2. (2)月球的公轉(zhuǎn)周期為1月(約27.3天，在一 般估算中常取27天) (3)地球同步衛(wèi)星的周期為1天(24小時)， 離地高度約為3.6104 km，運行速度約 為3103 m/s3 km/s，其軌道位于地球 赤道的正上方通訊衛(wèi)星及一些氣象衛(wèi)星 都是地球的同步衛(wèi)星 (4)人造地球衛(wèi)星的運行半徑最小為r 6.4103 km，運行周期最小為T84.8 min，運行速度最大為v7.9 km/s. 【例1】(2009年全國卷)天文學(xué)家新 發(fā)現(xiàn)了太陽系外的一顆行星這顆行星的 體積是地球的4.7倍，質(zhì)量是地球的25 倍已知某一近地衛(wèi)星繞地球運動的周期 約為1.4小時，引力常量G6.

8、671011 Nm2/kg2，由此估算該行星的平均密度 約為() A1.8103 kg/m3 B5.6103 kg/m3 C1.1104 kg/m3 D2.9104 kg/m3 答案：D 高分通道 本題考查了萬有引力定律和人造地球衛(wèi)星 的知識，考查了學(xué)生的理解能力解答的 關(guān)鍵是利用近地衛(wèi)星估算地球的密度 變式1：一飛船在某行星表面附近沿圓 軌道繞該行星飛行認(rèn)為行星是密度均勻 的球體，要確定該行星的密度，只需要測 量() A飛船的軌道半徑 B飛船的 運行速度 C飛船的運行周期 D行星的 質(zhì)量 答案：C 【例2】(2009年北京卷)已知地球半徑 為R，地球表面重力加速度為g，不考慮 地球自轉(zhuǎn)的影響

9、 (1)推導(dǎo)第一宇宙速度v1的表達(dá)式； (2)若衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動，運行 軌道距離地面高度為h，求衛(wèi)星的運行周 期T. 高分通道 1.沒有設(shè)想出需要的物理情景來不知道 第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，也 是沿著地球表面做勻速圓周運動的衛(wèi)星環(huán) 繞速度 2不能熟練使用GMgR2表示地球質(zhì) 量 答案：答案：B 【例3】(2009年山東卷)2008年9月25 日至28日，我國成功實施了“神舟”七號 載人航天飛行并實現(xiàn)了航天員首次出 艙飛船先沿橢圓軌道飛行，后在遠(yuǎn)地點 343千米處點火加速，由橢圓軌道變成高 度為343千米的圓軌道，在此圓軌道上飛 船運行周期約為90分鐘下列判斷正確的 是() A

10、飛船變軌前后的機(jī)械能相等 B飛船在圓軌道上時航天員出艙前后都 處于失重狀態(tài) C飛船在此圓軌道上運動的角速度大于 同步衛(wèi)星運動的角速度 D飛船變軌前通過橢圓軌道遠(yuǎn)地點時的 加速度大于變軌后沿圓軌道運動的加速度 答案：答案：BC 高分通道 本題考查了萬有引力定律的應(yīng)用、衛(wèi)星的 運動、同步衛(wèi)星、機(jī)械能等知識，考查了 學(xué)生的理解能力，分析綜合能力沒能真 正理解：“衛(wèi)星在任意高度處的加速度由 該處萬有引力來產(chǎn)生，與衛(wèi)星運行情況無 關(guān)”，只要在同一高度處，加速度是惟一 確定的，而錯選D.在該部分要掌握好各個 量的決定式 變式3：天文學(xué)家將相距較近、僅在彼 此的引力作用下運行的兩顆恒星稱為雙 星雙星系統(tǒng)在銀

11、河系中很普遍利用雙 星系統(tǒng)中兩顆恒星的運動特征可推算出它 們的總質(zhì)量已知某雙星系統(tǒng)中兩顆恒星 圍繞它們連線上的某一固定點分別做勻速 圓周運動，周期均為T，兩顆恒星之間的 距離為r，試推算這個雙星系統(tǒng)的總質(zhì) 量(引力常量為G) 解析：雙星運動時有以下幾個特點：角 速度相同；圓心相同，軌道半徑之和等 于兩者間距r；彼此之間的萬有引力提 供恒星做圓周運動的向心力解答本題可 以從以上幾個方面列式求解 設(shè)兩顆恒星的質(zhì)量分別為m1、m2，做圓 周運動的半徑分別為r1、r2，角速度分別 是1、2.根據(jù)題意有 12 r1r2r 根據(jù)萬有引力定律和牛頓運動定律，有 1可以發(fā)射一顆這樣的人造地球衛(wèi)星， 使其圓軌道

12、 () A與地球表面上某一緯度線(非赤道)是 共面同心圓 B與地球表面上某一經(jīng)度線所決定的圓 是共面同心圓 C與地球表面上的赤道線是共面同心圓， 且衛(wèi)星相對地球表面是靜止的 D與地球表面上的赤道線是共面同心圓， 但衛(wèi)星相對地球表面是運動的 圖圖2 解析：人造衛(wèi)星繞地球做圓周運動所需的 向心力是萬有引力提供的，人造衛(wèi)星受地 球的引力一定指向地心，所以任何人造衛(wèi) 星的穩(wěn)定軌道平面都是通過地心的A選項 所述的衛(wèi)星不能滿足這個條件，A錯B選 項所述的衛(wèi)星雖然滿足這個條件，但是由 于地球在自轉(zhuǎn)，經(jīng)線所決定的平面也在轉(zhuǎn) 動，這樣的衛(wèi)星又不可能有與地球自轉(zhuǎn)同 方向的速度，所以不可能始終在某一經(jīng)線 所決定的平

13、面內(nèi)如圖2所示，故B項也 錯無論高低如何，軌道平面與地球赤道 平面重合的衛(wèi)星都是存在的，C選項所述衛(wèi) 星就是地球同步衛(wèi)星，而D項所述衛(wèi)星不是 同步衛(wèi)星，故C、D項都對 答案：答案：CD 2天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)某恒星周圍有一顆行星 在圓形軌道上繞其運動，并測出了行星的 軌道半徑和運行周期由此可推算出 () A行星的質(zhì)量B行 星的半徑 C恒星的質(zhì)量 D恒星的半徑 答案：C 3(2009年四川卷)據(jù)報道，2009年4月 29日，美國亞利桑那州一天文觀測機(jī)構(gòu)發(fā) 現(xiàn)一顆與太陽系其他行星逆向運行的小行 星，代號為2009HC82.該小行星繞太陽一 周的時間為3.39年，直徑23千米，其軌 道平面與地球軌道平面呈1

14、55的傾 斜假定該小行星與地球均以太陽為中心 做勻速圓周運動，則小行星和地球繞太陽 運動的速度大小的比值為 () 答案：A 4假設(shè)“神舟”六號宇宙飛船繞地球做 勻速圓周運動時，它到地球球心的距離是 地球半徑的2倍，其中一位宇航員的質(zhì)量 為m，已知地面上的重力加速度為g，地 球的半徑為R，則( ) 答案：BC 5(2009年安徽卷)2009年2月11日，俄 羅斯的“宇宙2251”衛(wèi)星和美國的“銥 33”衛(wèi)星在西伯利亞上空約805 km處發(fā) 生碰撞這是歷史上首次發(fā)生的完整在軌 衛(wèi)星碰撞事件碰撞過程中產(chǎn)生的大量碎 片可能會影響太空環(huán)境假定有甲、乙兩 塊碎片，繞地球運動的軌道都是圓，甲的 運行速率比乙的大，則下列說法中正確的 是() A甲的運行周期一定比乙的長 B甲距地面的高度一定比乙的高