【物理】萬有引力定律的應(yīng)用、人類對(duì)太空的不懈探索課件-2023-2024學(xué)年高一下魯科版（2019）必修第二冊(cè)

第節(jié)2、3萬有引力定律的應(yīng)用人類對(duì)太空的不懈探索高中物理必修第二冊(cè)第4章1.理解萬有引力與重力的關(guān)系。2.掌握天體質(zhì)量求解的基本思路。3.了解衛(wèi)星的發(fā)射、運(yùn)行等情況。知道三個(gè)宇宙速度的含義,會(huì)計(jì)算第一宇宙速度。4.了解海王星的發(fā)現(xiàn)過程,掌握研究天體(或衛(wèi)星)運(yùn)動(dòng)的基本方法,并能用萬有引力定律解決相關(guān)問題。學(xué)習(xí)目標(biāo)思考：萬有引力定律如何幫助人們實(shí)現(xiàn)“飛天”的夢(mèng)想？嫦娥三號(hào)奔月古代“飛天”傳說夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)引入思考：能通過杠桿原理（天平）直接稱量地球的質(zhì)量嗎？阿基米德:“給我一個(gè)支點(diǎn)，我可以撬動(dòng)地球”?卡文迪許被稱為能“稱出地球質(zhì)量”的人。

一、天體質(zhì)量的計(jì)算1.重力、萬有引力和向心力之間的關(guān)系

重力和向心力是萬有引力的兩個(gè)分力（1）靜止在地面上的物體，若考慮地球自轉(zhuǎn)的影響F引GF向F引

F引GF向r

思考：可以不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響么？

結(jié)論：向心力遠(yuǎn)小于重力，萬有引力大小近似等于重力。因此一般粗略計(jì)算中不考慮（或忽略）地球自轉(zhuǎn)的影響。

RMθωrmgF向F引m（2）靜止在地面上的物體，若不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響萬有引力全部用來提供向心力

RMθωrmgF引思考：你還有其他辦法測(cè)量出地球的質(zhì)量嗎？需要測(cè)量那些物理量呢？根據(jù)衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)m

方法1、選定一顆繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的衛(wèi)星(例如月球），測(cè)定衛(wèi)星的軌道半徑和周期。

方法2、若已知衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的的軌道半徑r和運(yùn)行的線速度v。中心天體M轉(zhuǎn)動(dòng)天體m軌道半經(jīng)r天體半經(jīng)R①將行星（或衛(wèi)星）的運(yùn)動(dòng)看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。②萬有引力充當(dāng)向心力F引=Fn或在球體表面附近F引=G重在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想拋出速度很大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面。牛頓的設(shè)想思考：當(dāng)物體速度非常大時(shí)，物體會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)？

人造衛(wèi)星二、人造衛(wèi)星上天【方法一】萬有引力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力【方法二】在地面附近，重力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力

那么，拋出速度為多大時(shí)，物體將不會(huì)落回地面而繞著地球表面運(yùn)動(dòng)呢？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2,地球質(zhì)量M=5.98×1024kg,地球半徑R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2)說明：（１）如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)；（２）等于這個(gè)速度，衛(wèi)星剛好能在地球表面附近作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；（環(huán)繞速度）

物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫做第一宇宙速度。

v1=7.9km/s1、第一宇宙速度環(huán)繞速度：指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度。發(fā)射速度：指衛(wèi)星進(jìn)入軌道時(shí)的初速度。注意：7.9km/s是最小的發(fā)射速度,最大的環(huán)繞速度。探究:若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于7.9km/s，會(huì)怎樣呢？

v=7.9km/s11.2>v>7.9v>11.2km/s

使衛(wèi)星掙脫地球引力的束縛，成為繞太陽運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度。2、第二宇宙速度

使衛(wèi)星掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外的最小發(fā)射速度。3、第三宇宙速度

（脫離速度）（逃逸速度）地球思考：對(duì)于繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越_____.

（2）離地面越高，線速度越_____.（3）離地面越高，周期越_____.（4）離地面越高，角速度越____.小大小小根據(jù)人造衛(wèi)星運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)方程赤道軌道其它軌道極地軌道所有衛(wèi)星都在以地心為圓心的圓或橢圓軌道上。①赤道軌道，衛(wèi)星軌道在赤道平面，衛(wèi)星始終處于赤道上方②極地軌道，衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直，衛(wèi)星通過兩極上空③一般軌道，衛(wèi)星軌道和赤道成一定角度。人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行軌道（1）近地衛(wèi)星

所有地球衛(wèi)星運(yùn)行速度小于7.9km/s、周期大于1.4小時(shí)。近地衛(wèi)星地球

對(duì)衛(wèi)星：所以：特殊衛(wèi)星的規(guī)律（2）地球同步衛(wèi)星：位于地面上方高度約36000km處，周期和地球自轉(zhuǎn)周期相同。其中一種的軌道平面與赤道平面成0度角，運(yùn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同。因其相對(duì)地面靜止，也稱靜止衛(wèi)星。所以h≈3.6×104km（是定值）同步衛(wèi)星地球

對(duì)衛(wèi)星：注意：靜止衛(wèi)星的軌道一定，同步衛(wèi)星軌道必須在赤道上空，且與地球自轉(zhuǎn)方向相同。（2）周期一定：T=24h=86400s（3）角速度一定：相對(duì)于地面靜止。（4）速率一定特點(diǎn):

（1）高度一定1781年，英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了太陽系的第七顆行星——天王星；1821年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)天王星的實(shí)際軌道與由萬有引力定律計(jì)算出的理論軌道存在較大誤差。萬有引力定律是錯(cuò)誤的？三、預(yù)測(cè)未知天體---海王星的發(fā)現(xiàn)亞當(dāng)斯與勒維烈預(yù)測(cè)在天王星附近還有一顆行星。天王星？海王星1.古希臘人的探索(1)亞里士多德認(rèn)為,地球在宇宙的中心靜止不動(dòng),其他星體繞地球轉(zhuǎn)動(dòng),很好地解釋了天體升落的現(xiàn)象。(2)阿波羅尼奧斯認(rèn)為,行星沿某一圓周運(yùn)動(dòng),該圓周的圓心沿另一圓周繞地球運(yùn)動(dòng)。(3)托勒密提出了地心體系,可以解釋已知天體的運(yùn)動(dòng)。四、人類對(duì)太空的不懈探索2.文藝復(fù)興的撞擊(1)哥白尼提出了“日心說”。太陽是宇宙的中心,水星、金星、地球、火星、木星及土星都繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng),月球是地球的衛(wèi)星。(2)第谷通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn),托勒密與哥白尼的理論計(jì)算結(jié)果都與觀測(cè)數(shù)據(jù)不相符。(3)開普勒研究了第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù),經(jīng)過多年的埋頭計(jì)算,先后提出了三大定律。3.牛頓的大綜合牛頓的萬有引力定律是物理學(xué)的第一次大綜合,它將地上的力學(xué)與天上的力學(xué)統(tǒng)一起來,形成了以牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的力學(xué)體系。4.人類“飛天”夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)(1)1957年10月4日,蘇聯(lián)的人造地球衛(wèi)星上天,震驚了世界。(2)我國在1970年發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”,成為世界上第五個(gè)發(fā)射人造地球衛(wèi)星的國家。(3)1961年4月12日,世界上第一艘載人宇宙飛船發(fā)射升空,蘇聯(lián)宇航員加加林成功完成了人類第一次環(huán)繞地球的飛行。(4)1969年7月20日,美國的“阿波羅十一號(hào)”宇宙飛船將人類送上了月球。當(dāng)時(shí),上億人通過電視注視著走出登月艙的阿姆斯特朗。他在月球上邁出的一小步,卻是人類邁出的一大步,實(shí)現(xiàn)了人類的“飛天”夢(mèng)。(5)1971年4月19日,蘇聯(lián)“禮炮一號(hào)”空間站成為人類進(jìn)入太空的第一個(gè)空間站。(6)1971年12月2日,蘇聯(lián)“火星三號(hào)”探測(cè)器在火星表面著陸。(7)1981年4月12日,美國的第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞號(hào)”成功發(fā)射。目前,科學(xué)家正在研究一種新型的航天器——空天飛機(jī)。(8)2003年10月15日,“神舟五號(hào)”載人飛船成功發(fā)射,中國成為世界上第三個(gè)獨(dú)立掌握載人航天技術(shù)的國家。本課小結(jié)1.(2019全國Ⅲ)金星、地球和火星繞太陽的公轉(zhuǎn)均可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng),它們的向心加速度大小分別為a金、a地、a火,它們沿軌道運(yùn)行的速率分別為v金、v地、v火。已知它們的軌道半徑R金<R地<R火,由此可以判定(

)A.a金>a地>a火 B.a火>a地>a金C.v地>v火>v金 D.v火>v地>v金A當(dāng)堂檢測(cè)2.有一星球的密度與地球的密度相同,但它表面處的重力加速度是地球表面處的重力加速度的4倍,則該星球的質(zhì)量是地球質(zhì)量的(

)A. B.4倍

C.16倍

D.64倍D3.通過觀測(cè)冥王星的衛(wèi)星,可以推算出冥王星的質(zhì)量。假設(shè)衛(wèi)星繞冥王星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),除了引力常量外,至少還需要兩個(gè)物理量才能計(jì)算出冥王星的質(zhì)量。這兩個(gè)物理量可以是(

)A.衛(wèi)星的質(zhì)量和軌道半徑B.衛(wèi)星的運(yùn)行周期和角速度C.衛(wèi)星的質(zhì)量和角速度D.衛(wèi)星的速度和角速度D4.(多選)下列關(guān)于三種宇宙速度的說法正確的是(

)A.第一宇宙速度v1=7.9km/s,第二宇宙速度v2=11.2km/s,則人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度大于等于v1,小于v2B.美國發(fā)射的鳳凰號(hào)火星探測(cè)衛(wèi)星,其發(fā)射速度大于第三宇宙速度C.第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛,成為繞太陽運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度解析:根據(jù)v=可知,衛(wèi)星的軌道半徑r越大,即距離地面越遠(yuǎn),衛(wèi)星的環(huán)繞速度越小,v1=7.9

km