高一物理課件：第2、3節(jié)萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用人類(lèi)對(duì)太空的不懈追求

1、1第第2 2、3 3節(jié)節(jié) 萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用 人類(lèi)對(duì)太空的不懈追求人類(lèi)對(duì)太空的不懈追求2 1 1. .了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)，知道三個(gè)宇宙速度的含了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)，知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度 2.2.理解并掌握萬(wàn)有引力定律處理人造衛(wèi)星的問(wèn)題的理解并掌握萬(wàn)有引力定律處理人造衛(wèi)星的問(wèn)題的思路和方法思路和方法 3.3.知道地心說(shuō)和日心說(shuō)基本內(nèi)容知道地心說(shuō)和日心說(shuō)基本內(nèi)容, ,了解人類(lèi)對(duì)天體運(yùn)了解人類(lèi)對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程是漫長(zhǎng)和復(fù)雜的，真理是來(lái)之不易的動(dòng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程是漫長(zhǎng)和復(fù)雜的，真理是來(lái)之不易的 4.4.了解人類(lèi)探索太空的發(fā)展過(guò)程了解人類(lèi)探

2、索太空的發(fā)展過(guò)程3人造衛(wèi)星上天人造衛(wèi)星上天牛頓在牛頓在16871687年發(fā)表的年發(fā)表的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中描述的中描述的人造地球衛(wèi)星原理圖人造地球衛(wèi)星原理圖4 各種各樣的衛(wèi)星各種各樣的衛(wèi)星5 設(shè)地球的質(zhì)量為設(shè)地球的質(zhì)量為M M，繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的飛行器的，繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的飛行器的質(zhì)量為質(zhì)量為m m，飛行器的速度為，飛行器的速度為v v，它到地心的距離為，它到地心的距離為r r。飛行。飛行器運(yùn)動(dòng)所需要的向心力由地球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供器運(yùn)動(dòng)所需要的向心力由地球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供 22MmvGmrrGMvR112466.67 105.98 10m/s6.38 107.9k

3、m/srRrR推導(dǎo)：最小的發(fā)射速度推導(dǎo)：最小的發(fā)射速度669.8 6.4 10 m/s2GMgR2MmmgGRvgR7.9km/s如果不知道地球的質(zhì)量，知道地球表面的重力加速度，如果不知道地球的質(zhì)量，知道地球表面的重力加速度，如何求如何求v v？【解析【解析】由：由：7第一宇宙速度第一宇宙速度 物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫第一宇宙速度，也叫地面附近的環(huán)繞速度。數(shù)值為叫第一宇宙速度，也叫地面附近的環(huán)繞速度。數(shù)值為7.9km/s7.9km/s 當(dāng)發(fā)射速度大于當(dāng)發(fā)射速度大于7.9km/s7.9km/s，小于，小于11.2km/s11.2km/

4、s，它繞，它繞地球運(yùn)行的軌道不是圓，而是橢圓。地球運(yùn)行的軌道不是圓，而是橢圓。第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度8第二宇宙速度第二宇宙速度當(dāng)物體的速度等于或大于當(dāng)物體的速度等于或大于11.2km/s11.2km/s時(shí)，它就會(huì)克服地球的時(shí)，它就會(huì)克服地球的引力，成為圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的人造行星，或飛到其他行星引力，成為圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的人造行星，或飛到其他行星上。我們把上。我們把11.2km/s11.2km/s叫做第二宇宙速度。叫做第二宇宙速度。9第三宇宙速度第三宇宙速度 當(dāng)物體的速度等于或大于當(dāng)物體的速度等于或大于16.7km/s16.7km/s時(shí)，物體可以掙脫時(shí)，物體可以

5、掙脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系以外的宇宙空間。我們把系以外的宇宙空間。我們把16.7km/s16.7km/s叫做第三宇宙速度。叫做第三宇宙速度。10人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星( (普通普通) ) 設(shè)：地球質(zhì)量為設(shè)：地球質(zhì)量為M M，地球半徑為，地球半徑為R R，衛(wèi)星距地面高為，衛(wèi)星距地面高為h h，衛(wèi)星質(zhì)量為衛(wèi)星質(zhì)量為m,m,寫(xiě)出下列物理量的表達(dá)式寫(xiě)出下列物理量的表達(dá)式1.1.線速率：線速率： 由由 GMvRh22MmvGm(R h)R h2.2.角速度：角速度： 由由3GM(R h)22MmGm (R h)(R h) 3.3.周期：周期： 由由 3(R h)T2GM 2T11人

6、造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)量與軌道半徑的關(guān)系人造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)量與軌道半徑的關(guān)系 物理量物理量 計(jì)算公式計(jì)算公式線速率線速率 角速度角速度3GM(R h)周期周期3(R h)T 2GM v v減小減小 減小減小T T增大增大GMvRhh h的增大（軌的增大（軌道半徑道半徑r r增大）增大）12例例1 1：人造地球衛(wèi)星的軌道半徑越大，則：人造地球衛(wèi)星的軌道半徑越大，則( )( )A A、速度越小，周期越小、速度越小，周期越小B B、速度越小，加速度越小、速度越小，加速度越小C C、加速度越小、加速度越小, ,周期越大周期越大D D、角速度越小、角速度越小, ,加速度越大加速度越大BCBC13練習(xí)：兩顆人造地球衛(wèi)星質(zhì)量

7、之比練習(xí)：兩顆人造地球衛(wèi)星質(zhì)量之比m m1 1m m2 2=12,=12,軌道半徑軌道半徑之比之比r r1 1r r2 2=31=31，下列有關(guān)數(shù)據(jù)之比正確的是，下列有關(guān)數(shù)據(jù)之比正確的是( )( )A A、周期之比、周期之比T T1 1T T2 2=31 =31 B B、線速度之比、線速度之比v v1 1v v2 2=31=31C C、向心力之比、向心力之比F F1 1F F2 2=19 =19 D D、向心加速度之比、向心加速度之比a a1 1a a2 2=19=19D D14 預(yù)測(cè)并發(fā)現(xiàn)未知行星預(yù)測(cè)并發(fā)現(xiàn)未知行星, ,是萬(wàn)有引力理論威力和價(jià)值的最生動(dòng)是萬(wàn)有引力理論威力和價(jià)值的最生動(dòng)例證例證

8、. . 在在17811781年發(fā)現(xiàn)的第七大行星年發(fā)現(xiàn)的第七大行星天王星天王星的運(yùn)動(dòng)軌道，總是同根據(jù)萬(wàn)有引力定律的運(yùn)動(dòng)軌道，總是同根據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算出來(lái)的有一定偏離計(jì)算出來(lái)的有一定偏離. .當(dāng)時(shí)有人預(yù)測(cè)，當(dāng)時(shí)有人預(yù)測(cè)，肯定在其軌道外還有一顆未發(fā)現(xiàn)的新星肯定在其軌道外還有一顆未發(fā)現(xiàn)的新星, ,這就是后來(lái)發(fā)現(xiàn)的第八大行星這就是后來(lái)發(fā)現(xiàn)的第八大行星海王星海王星. .海王星海王星 海王星的實(shí)際軌道是由英國(guó)劍橋大學(xué)海王星的實(shí)際軌道是由英國(guó)劍橋大學(xué)的學(xué)生亞當(dāng)斯和法國(guó)年輕的天文愛(ài)好者的學(xué)生亞當(dāng)斯和法國(guó)年輕的天文愛(ài)好者勒維耶根據(jù)天王星的觀測(cè)資料各自獨(dú)立勒維耶根據(jù)天王星的觀測(cè)資料各自獨(dú)立地利用萬(wàn)有引力定律計(jì)算出

9、來(lái)的地利用萬(wàn)有引力定律計(jì)算出來(lái)的. .預(yù)測(cè)未知天體預(yù)測(cè)未知天體15法國(guó)的勒維耶法國(guó)的勒維耶英國(guó)的亞當(dāng)斯英國(guó)的亞當(dāng)斯18461846年年9 9月月2323日晚日晚, ,德國(guó)的德國(guó)的伽勒伽勒在柏林天在柏林天文臺(tái)用望遠(yuǎn)鏡文臺(tái)用望遠(yuǎn)鏡在勒維耶預(yù)言在勒維耶預(yù)言的位置附近發(fā)的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆行現(xiàn)了這顆行星星海王星海王星柏林天文臺(tái)柏林天文臺(tái)16“海王星海王星”的的發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)17 海王星發(fā)現(xiàn)之后，人們海王星發(fā)現(xiàn)之后，人們發(fā)現(xiàn)它的軌道也與理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)它的軌道也與理論計(jì)算的不一致。于是幾位學(xué)者用的不一致。于是幾位學(xué)者用亞當(dāng)斯和勒維耶的方法預(yù)言亞當(dāng)斯和勒維耶的方法預(yù)言另一顆新行星的存在另一顆新行星的存在 在預(yù)言提出

10、之后，在預(yù)言提出之后，19301930年，湯博發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系的后年，湯博發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系的后來(lái)曾被稱(chēng)為第九大行星的冥來(lái)曾被稱(chēng)為第九大行星的冥王星王星冥王星和它的衛(wèi)星冥王星和它的衛(wèi)星美國(guó)宇航局（美國(guó)宇航局（NASANASA）提供的）提供的冥王星（上者）與它的衛(wèi)星冥王星（上者）與它的衛(wèi)星的畫(huà)面的畫(huà)面 18冥冥王王星星和和彗彗星星19 盡管冥王星外面太盡管冥王星外面太陽(yáng)光已經(jīng)非常的微弱，陽(yáng)光已經(jīng)非常的微弱，但是，黑暗寒冷的太陽(yáng)但是，黑暗寒冷的太陽(yáng)系邊緣依然牽動(dòng)著人們系邊緣依然牽動(dòng)著人們的心，搜索工作從來(lái)沒(méi)的心，搜索工作從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。有停止過(guò)。 美國(guó)美國(guó)20012001年發(fā)射，并年發(fā)射，并于于200620

11、06至至20082008年訪問(wèn)冥年訪問(wèn)冥王星的宇宙飛船王星的宇宙飛船20其實(shí)，從遠(yuǎn)古時(shí)代人們開(kāi)始探究太空，而且不懈追求其實(shí)，從遠(yuǎn)古時(shí)代人們開(kāi)始探究太空，而且不懈追求神秘的宇宙神秘的宇宙.不同的時(shí)期，偉大的科學(xué)家們提出自己的假說(shuō)，著名不同的時(shí)期，偉大的科學(xué)家們提出自己的假說(shuō)，著名的有地心說(shuō)和日心說(shuō)的有地心說(shuō)和日心說(shuō)21“地心說(shuō)地心說(shuō)”模型模型代表人物：代表人物：亞里士多德；托勒密亞里士多德；托勒密地心說(shuō)地心說(shuō)托勒密于公元二世紀(jì)，提出了自己托勒密于公元二世紀(jì)，提出了自己的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，即的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，即“地心說(shuō)地心說(shuō)”. .地心說(shuō)認(rèn)為地球是宇宙的中心，是地心說(shuō)認(rèn)為地球是宇宙的中心，是靜止不動(dòng)的，

12、太陽(yáng)、月亮及其他的靜止不動(dòng)的，太陽(yáng)、月亮及其他的行星都繞地球運(yùn)動(dòng)行星都繞地球運(yùn)動(dòng) 地心說(shuō)直到地心說(shuō)直到1616世紀(jì)才被哥白尼推翻世紀(jì)才被哥白尼推翻. .托勒密托勒密22太陽(yáng)“日心說(shuō)日心說(shuō)”模型模型代表人物：代表人物：哥白尼哥白尼日心說(shuō)日心說(shuō)哥白尼哥白尼哥白尼在哥白尼在1616世紀(jì)提出了日心說(shuō)世紀(jì)提出了日心說(shuō)日心說(shuō)認(rèn)為太陽(yáng)是靜止不動(dòng)的，地日心說(shuō)認(rèn)為太陽(yáng)是靜止不動(dòng)的，地球和其他行星都繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)球和其他行星都繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)1543 1543 年哥白尼的年哥白尼的天體運(yùn)行論天體運(yùn)行論 出版，書(shū)中詳細(xì)描述了日心說(shuō)理論出版，書(shū)中詳細(xì)描述了日心說(shuō)理論. .231.1.兩顆人造衛(wèi)星兩顆人造衛(wèi)星A A、B B繞地球

13、做圓周運(yùn)動(dòng)，周期之比為繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，周期之比為T(mén) TA A : T : TB B = 1: 8 = 1: 8，則軌道半徑之比和運(yùn)動(dòng)速率之比分別，則軌道半徑之比和運(yùn)動(dòng)速率之比分別為（為（ ）A.A. R RA A : R : RB B = 4:1; V = 4:1; VA A : V : VB B = 1:2 = 1:2 B.B. R RA A : R : RB B = 4:1; V = 4:1; VA A : V : VB B = 2:1 = 2:1C. RC. RA A : R : RB B = 1:4; V = 1:4; VA A : V : VB B = 1:2 = 1:2 D. R

14、D. RA A : R : RB B = 1:4; V = 1:4; VA A : V : VB B = 2:1 = 2:1D D242.2.關(guān)于地球的第一宇宙速度，下列表述正確的是關(guān)于地球的第一宇宙速度，下列表述正確的是( () )A A第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度B B第一宇宙速度又叫脫離速度第一宇宙速度又叫脫離速度C C第一宇宙速度跟地球的質(zhì)量無(wú)關(guān)第一宇宙速度跟地球的質(zhì)量無(wú)關(guān)D D第一宇宙速度跟地球的半徑無(wú)關(guān)第一宇宙速度跟地球的半徑無(wú)關(guān)25解析：解析：第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度，第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度，A A對(duì)，對(duì)，B B錯(cuò)；萬(wàn)錯(cuò)；萬(wàn)有引力提供向心力，由有引力提供向心

15、力，由 可知第一宇宙可知第一宇宙速度與地球的質(zhì)量和半徑有關(guān)，速度與地球的質(zhì)量和半徑有關(guān)，C C、D D錯(cuò)錯(cuò)答案：答案： A A263.20093.2009年年2 2月月1111日，俄羅斯的日，俄羅斯的“宇宙宇宙2251”2251”衛(wèi)星和美國(guó)的衛(wèi)星和美國(guó)的“銥銥33”33”衛(wèi)星在西伯利亞上空約衛(wèi)星在西伯利亞上空約805 km805 km處發(fā)生碰撞這處發(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(guò)程中是歷史上首次發(fā)生的完整在軌衛(wèi)星碰撞事件碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的大量碎片可能會(huì)影響太空環(huán)境假定有甲、乙兩塊產(chǎn)生的大量碎片可能會(huì)影響太空環(huán)境假定有甲、乙兩塊碎片，繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道都是圓，甲的運(yùn)行速率比乙的

16、大，碎片，繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道都是圓，甲的運(yùn)行速率比乙的大，則下列說(shuō)法中不正確的是則下列說(shuō)法中不正確的是 ( () )A A甲的運(yùn)行周期一定比乙的長(zhǎng)甲的運(yùn)行周期一定比乙的長(zhǎng)B B甲距地面的高度一定比乙的高甲距地面的高度一定比乙的高C C甲的向心力一定比乙的小甲的向心力一定比乙的小D D甲的加速度一定比乙的大甲的加速度一定比乙的大27解析：解析：萬(wàn)有引力提供碎片做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，萬(wàn)有引力提供碎片做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力， 解得解得 因?yàn)榧椎乃俾瘦^大，所以甲的軌道半徑小，因?yàn)榧椎乃俾瘦^大，所以甲的軌道半徑小，B B錯(cuò)誤根據(jù)周期公式錯(cuò)誤根據(jù)周期公式 可知，甲的運(yùn)動(dòng)周期較可知，甲的運(yùn)動(dòng)周期較小，所以小，所以A

17、 A錯(cuò)誤根據(jù)加速度公式錯(cuò)誤根據(jù)加速度公式 可知甲的加速度可知甲的加速度較大，所以較大，所以D D正確因甲、乙碎片質(zhì)量未知，不能確定正確因甲、乙碎片質(zhì)量未知，不能確定甲、乙向心力的大小關(guān)系，所以甲、乙向心力的大小關(guān)系，所以C C錯(cuò)誤錯(cuò)誤答案：答案： D D22MmvGmrrGMvr2 32 r4rTvGM2GMar284.4.據(jù)報(bào)道，我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星據(jù)報(bào)道，我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號(hào)天鏈一號(hào)0101星星”于于20082008年年4 4月月2525日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)4 4次變軌控制次變軌控制后，于后，于5 5月月1 1日成功定點(diǎn)在東經(jīng)日成功定點(diǎn)在東

18、經(jīng)7777赤道上空的同步軌道赤道上空的同步軌道關(guān)于成功定點(diǎn)后的關(guān)于成功定點(diǎn)后的“天鏈一號(hào)天鏈一號(hào)0101星星”，下列說(shuō)法正確的，下列說(shuō)法正確的是是( () )A A運(yùn)行速度大于運(yùn)行速度大于7.9 km7.9 kmB B離地面高度一定，相對(duì)地面靜止離地面高度一定，相對(duì)地面靜止C C繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球運(yùn)行的角速度小繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球運(yùn)行的角速度小D D向心加速度與靜止在赤道上物體的向心加速度大小相等向心加速度與靜止在赤道上物體的向心加速度大小相等29 解析解析 由萬(wàn)有引力提供向心力得：由萬(wàn)有引力提供向心力得：可得：可得： 即線速度即線速度v v隨軌道半徑隨軌道半徑r r的增

19、大而減小，的增大而減小，v v7.9 km/s7.9 km/s為第一宇宙速度即圍繞地球表面運(yùn)行的速為第一宇宙速度即圍繞地球表面運(yùn)行的速度；因同步衛(wèi)星軌道半徑比地球半徑大很多，因此其線速度；因同步衛(wèi)星軌道半徑比地球半徑大很多，因此其線速度應(yīng)小于度應(yīng)小于7.9 km/s7.9 km/s，故，故A A錯(cuò)；錯(cuò)；22MmvGmrrGMvr30因同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步，即因同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步，即T T、相同，因此其相對(duì)地相同，因此其相對(duì)地面靜止，由公式面靜止，由公式 得：得： 因因G G、M M、R R均為定值，因此均為定值，因此h h一定為定值，故一定為定值，故B B對(duì)；因同步衛(wèi)對(duì)；因同步衛(wèi)星周期星周期T T同同2424小時(shí)，月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)周期小時(shí)，月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)周期T T月月3030天，即天，即T T同同T T月月，由公式，由公式 得，得，同同月月，故，故C C錯(cuò)；錯(cuò)；22MmGm(Rh)Rh（）32G