第四章第四讲万有引力及航天课件.ppt

1、一、开普勒行星运动定律一、开普勒行星运动定律1开普勒第一定律：开普勒第一定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是所有行星绕太阳运动的轨道都是 ，太阳处在椭圆的一个，太阳处在椭圆的一个 上上2开普勒第二定律：开普勒第二定律：对任意一个行星来说，它和太阳对任意一个行星来说，它和太阳的的 在相等的时间内扫过相等的在相等的时间内扫过相等的 椭圆椭圆焦点焦点连线连线面积面积3开普勒第三定律：开普勒第三定律：所有行星的轨道的所有行星的轨道的 的三次的三次方跟它的方跟它的 的二次方的比值都相等，表达式：的二次方的比值都相等，表达式：.半长轴半长轴公转周期公转周期6.671011Nm2/kg22.公式适用条件：公式

2、适用条件：此公式适用于此公式适用于 间的相互作用间的相互作用当两物体间的距离远远大于物体本身的大小时，物当两物体间的距离远远大于物体本身的大小时，物体可视为质点均匀的球体可视为质点，体可视为质点均匀的球体可视为质点，r是是间的距离一个均匀球体与球外一个质点间的万有间的距离一个均匀球体与球外一个质点间的万有引力也适用，其中引力也适用，其中r为球心到为球心到 间的距离间的距离质点质点两球心两球心质点质点万有引力万有引力三、同步卫星及三种宇宙速度三、同步卫星及三种宇宙速度1关于同步卫星的五个关于同步卫星的五个“一定一定”(1)轨道平面一定：轨道平面与轨道平面一定：轨道平面与 共面共面(2)周期一定：

3、与地球自转周期周期一定：与地球自转周期 ，即，即T .(3)角速度一定：与地球自转的角速度角速度一定：与地球自转的角速度 赤道平面赤道平面相同相同24 h相同相同2三种宇宙速度比较三种宇宙速度比较宇宙宇宙速度速度数值数值(km/s)意义意义第一宇第一宇宙速度宙速度7.9这是卫星绕地球做圆周运动的最小发射这是卫星绕地球做圆周运动的最小发射速度，若速度，若7.9km/sv 11.2km/s，物体，物体绕绕 运行运行(环绕速度环绕速度)第二宇第二宇宙速度宙速度11.2这是物体挣脱地球引力束缚的最小发射这是物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度，若速度，若11.2km/sv16.7km/s，物体，物体绕绕

4、 运行运行(脱离速度脱离速度)第三宇第三宇宙速度宙速度16.7这是物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速这是物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，若度，若v16.7km/s，物体将脱离，物体将脱离 在宇宙空间运行在宇宙空间运行(逃逸速度逃逸速度)地球地球太阳太阳太阳引力太阳引力束缚束缚四、经典时空观和相对论时空观四、经典时空观和相对论时空观1经典时空观经典时空观(1)在经典力学中，物体的质量是不随在经典力学中，物体的质量是不随 而改而改变的变的(2)在经典力学中，同一物理过程发生的位移和对应时在经典力学中，同一物理过程发生的位移和对应时间的测量结果在不同的参考系中是间的测量结果在不同的参考系中是 速度

5、的改变速度的改变相同的相同的2相对论时空观相对论时空观(1)在狭义相对论中，物体的质量要随物体运动速度的在狭义相对论中，物体的质量要随物体运动速度的增大而增大而 ，用公式表示为，用公式表示为m .(2)在狭义相对论中，同一物理过程发生的位移和对应在狭义相对论中，同一物理过程发生的位移和对应时间的测量结果在不同的参考系中是时间的测量结果在不同的参考系中是 增大增大不同的不同的1.关于行星绕太阳运动的下列说法中正确的是关于行星绕太阳运动的下列说法中正确的是 ()A所有行星都在同一椭圆轨道上绕太阳运动所有行星都在同一椭圆轨道上绕太阳运动B所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的所有行星的轨道的半长

6、轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等二次方的比值都相等C离太阳越近的行星运动周期越大离太阳越近的行星运动周期越大D行星绕太阳运动时太阳位于行星轨道的中心处行星绕太阳运动时太阳位于行星轨道的中心处解析：解析：所有行星都沿不同的椭圆轨道绕太阳运动，太所有行星都沿不同的椭圆轨道绕太阳运动，太阳位于椭圆轨道的一个公共焦点上，故阳位于椭圆轨道的一个公共焦点上，故A、D均错误；均错误；由开普勒第三定律知，所有行星的轨道半长轴的三次由开普勒第三定律知，所有行星的轨道半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等，而且半长轴越方跟公转周期的二次方的比值都相等，而且半长轴越大，行星运动周期越大，大，行星运动周

7、期越大，B正确，正确，C错误错误答案：答案：B解析：解析：公式中的公式中的G值是测定的，值是测定的，A错误；当错误；当r趋近零时，趋近零时，物体不能视为质点，万有引力定律将不再适用，物体不能视为质点，万有引力定律将不再适用，B错错误；万有引力是物体间的相互作用力，总是大小相等，误；万有引力是物体间的相互作用力，总是大小相等，方向相反，作用在两个物体上，不可能是一对平衡力，方向相反，作用在两个物体上，不可能是一对平衡力，D错误错误答案：答案：C3如图如图441所示，圆所示，圆a的圆心在地球自转的轴线上，的圆心在地球自转的轴线上，圆圆b、c、d的圆心均在地球的地心上，对绕地球做匀的圆心均在地球的地

8、心上，对绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星而言，下列说法错误的是速圆周运动的人造地球卫星而言，下列说法错误的是 ()图图441A卫星的轨道可能为卫星的轨道可能为aB同步卫星的轨道只能为同步卫星的轨道只能为bC卫星的轨道可能为卫星的轨道可能为cD卫星的轨道可能为卫星的轨道可能为d解析：解析：卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，其轨道的圆心必在地心，故只有向心力，其轨道的圆心必在地心，故只有a轨道不轨道不可能可能答案：答案：A4同步卫星相对地面静止，犹如悬在高空中，下列说法同步卫星相对地面静止，犹如悬在高空中，下列说法中不正确的是中不正确的是 ()A

9、同步卫星处于平衡状态同步卫星处于平衡状态B同步卫星的速率是唯一的同步卫星的速率是唯一的C同步卫星加速度大小是唯一的同步卫星加速度大小是唯一的D各国的同步卫星都在同一圆周上运行各国的同步卫星都在同一圆周上运行.答案：答案：A5我国正在自主研发我国正在自主研发“北斗二号北斗二号”地球卫星导航系统，此地球卫星导航系统，此系统由中轨道、高轨道和同步卫星等组成，可将定位精系统由中轨道、高轨道和同步卫星等组成，可将定位精度提高到度提高到“厘米厘米”级，会在交通、气象、级，会在交通、气象、军事等方面发军事等方面发挥重要作用已知三种卫星中，中轨道卫星离地最近，挥重要作用已知三种卫星中，中轨道卫星离地最近，同步

10、卫星离地最远，则下列说法中正确的是同步卫星离地最远，则下列说法中正确的是 ()A中轨道卫星的线速度小于高轨道卫星的线速度中轨道卫星的线速度小于高轨道卫星的线速度B中轨道卫星的角速度小于同步卫星的角速度中轨道卫星的角速度小于同步卫星的角速度C若一周期为若一周期为8 h的中轨道卫星，某时刻在同步卫星的的中轨道卫星，某时刻在同步卫星的正下方，则经过正下方，则经过24 h仍在该同步卫星的正下方仍在该同步卫星的正下方D高轨道卫星的向心加速度小于同步卫星的向心加速高轨道卫星的向心加速度小于同步卫星的向心加速 度度答案：答案：C6在日常生活中我们并没有发现物体的质量随物体的运在日常生活中我们并没有发现物体的

11、质量随物体的运动的变化而变化，其原因是动的变化而变化，其原因是 ()A运动物体无法称质量运动物体无法称质量B物体的速度远小于光速，质量变化极小物体的速度远小于光速，质量变化极小C物体质量太大物体质量太大D物体质量不随速度变化而变化物体质量不随速度变化而变化答案：答案：B7载人航天宇宙飞船载人航天宇宙飞船“神舟神舟”七号发射成功，且中国人成七号发射成功，且中国人成功实现了太空行走，并顺利返回地面功实现了太空行走，并顺利返回地面(1)设飞船在太空环绕时轨道高度为设飞船在太空环绕时轨道高度为h，地球半径为，地球半径为R，地面重力加速度为地面重力加速度为g，飞船绕地球遨游太空的总时间，飞船绕地球遨游太

12、空的总时间为为t，则，则“神舟神舟”七号飞船绕地球运转了多少圈？七号飞船绕地球运转了多少圈？(用给用给定字母表示定字母表示)(2)若若t3天，天，h343 km，R6 400 km，g10 m/s2，则飞船绕地球运转的圈数为多少？则飞船绕地球运转的圈数为多少？典例启迪典例启迪例例1(2010安徽高考安徽高考)为了对火星及其周围的空间环境为了对火星及其周围的空间环境进行探测，我国预计于进行探测，我国预计于2011年年10月发射第一颗火星探测器月发射第一颗火星探测器“萤火一号萤火一号”假设探测器在离火星表面高度分别为假设探测器在离火星表面高度分别为h1和和h2的圆轨道上运动时，周期分别为的圆轨道上

13、运动时，周期分别为T1和和T2.火星可视为质量火星可视为质量分布均匀的球体，且忽略火星的自转影响，引力常量为分布均匀的球体，且忽略火星的自转影响，引力常量为G.仅利用以上数据，可以计算出仅利用以上数据，可以计算出 ()A火星的密度和火星表面的重力加速度火星的密度和火星表面的重力加速度B火星的质量和火星火星的质量和火星对对“萤火一号萤火一号”的引力的引力C火星的半径和火星的半径和“萤火一号萤火一号”的质量的质量D火星表面的重力加速度和火星火星表面的重力加速度和火星对对“萤火一号萤火一号”的的引力引力答案答案A归纳领悟归纳领悟天体质量和密度的估算方法天体质量和密度的估算方法(1)利用天体表面的重力

14、加速度利用天体表面的重力加速度g和天体半径和天体半径R.题组突破题组突破1近年来，人类发射的多枚火星探测器已经相继在火星近年来，人类发射的多枚火星探测器已经相继在火星上着陆，正在进行着激动人心的科学探究，为我们将上着陆，正在进行着激动人心的科学探究，为我们将来登上火星、开发和利用火星资源奠定了坚实的基础来登上火星、开发和利用火星资源奠定了坚实的基础如果火星探测器环绕火星做如果火星探测器环绕火星做“近地近地”匀速圆周运动，并匀速圆周运动，并测得该运动的周期为测得该运动的周期为T，则火星的平均密度，则火星的平均密度的表达式的表达式为为(k为某个常数为某个常数)()答案：答案：D答案：答案：C3正在

15、研制中的正在研制中的“嫦娥三号嫦娥三号”，将要携带探测器在月球着，将要携带探测器在月球着陆，实现月面巡视、月夜生存等科学探索的重大突破，陆，实现月面巡视、月夜生存等科学探索的重大突破，开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分等探测活动若等探测活动若“嫦娥三号嫦娥三号”在月球着陆前绕月球做匀在月球着陆前绕月球做匀速圆周运动的周期为速圆周运动的周期为T，轨道半径为，轨道半径为R，已知万有引力，已知万有引力常量为常量为G.由以上物理量可以求出由以上物理量可以求出 ()A月球的质量月球的质量B月球的密度月球的密度C月球的月球的“第一宇宙速度第一宇宙速

16、度”D月球表面的重力加速度月球表面的重力加速度答案：答案：A典例启迪典例启迪例例2(2010江苏高考江苏高考)2009年年5月，月，航天飞机在完成对哈勃空间望远航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后，在镜的维修任务后，在A点从圆形轨点从圆形轨道道进入椭圆轨道进入椭圆轨道，B为轨道为轨道上的一点，如图上的一点，如图442所示关所示关于航天飞机的运动，下列说法中于航天飞机的运动，下列说法中 图图 442错误的有错误的有 ()A在轨道在轨道上经过上经过A的速度小于经过的速度小于经过B的速度的速度B在轨道在轨道上经过上经过A的动能小于在轨道的动能小于在轨道上经过上经过A的动的动能能C在轨道在轨道上

17、运动的周期小于在轨道上运动的周期小于在轨道上运动的周期上运动的周期D在轨道在轨道上经过上经过A的加速度小于在轨道的加速度小于在轨道上经过上经过A的的加速度加速度思路点拨思路点拨同一中心天体的不同轨道的周期关系满足同一中心天体的不同轨道的周期关系满足开普勒第三定律，不同轨道的交叉点的线速度大小可用开普勒第三定律，不同轨道的交叉点的线速度大小可用离心运动或近心运动规律分析离心运动或近心运动规律分析因航天飞机在轨道因航天飞机在轨道和轨道和轨道上上A点的万有引力相等，点的万有引力相等，所以在轨道所以在轨道上经过上经过A点的加速度等于在轨道点的加速度等于在轨道上经过上经过A点的加速度，选项点的加速度，选

18、项D错误错误答案答案 D 归纳领悟归纳领悟(1)卫星的轨道卫星的轨道赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面内同步卫星就赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面内同步卫星就是其中的一种是其中的一种极地轨道：卫星的轨道过南北两极，即在垂直于赤极地轨道：卫星的轨道过南北两极，即在垂直于赤道的平面内如定位卫星系统中的卫星轨道道的平面内如定位卫星系统中的卫星轨道其他轨道：除以上两种轨道外的卫星轨道其他轨道：除以上两种轨道外的卫星轨道题组突破题组突破4如图如图443所示，地球赤道上的山所示，地球赤道上的山丘丘e、近地资源卫星、近地资源卫星p和同步通信卫星和同步通信卫星q均在赤道平面上绕地心做匀速圆周均在赤道平面上绕地心做匀

19、速圆周运动设运动设e、p、q做圆周运动的速率做圆周运动的速率分别为分别为v1、v2、v3，向心加速度分别，向心加速度分别 图图443为为a1、a2、a3，则下列判断正确的是，则下列判断正确的是()Av1v2v3 Bv1v2v3Ca1a2a3 Da1a3a2答案：答案：D5(2010新课标全国卷新课标全国卷)太阳系中的太阳系中的8大行星的轨道均可以大行星的轨道均可以近似看成圆轨道下列近似看成圆轨道下列4幅图是用来描述这些行星运动幅图是用来描述这些行星运动所遵从的某一规律的图象图中坐标系的横轴是所遵从的某一规律的图象图中坐标系的横轴是lg(T/T0)，纵轴是纵轴是lg(R/R0)；这里；这里T和和

20、R分别是行星绕太阳运行的周期分别是行星绕太阳运行的周期和相应的圆轨道半径，和相应的圆轨道半径，T0和和R0分别是水星绕太阳运行的分别是水星绕太阳运行的周期和相应的圆轨道半径下列周期和相应的圆轨道半径下列4幅图中正确的是幅图中正确的是()图图444答案：答案：B6美国太空总署美国太空总署(NASA)为探测月为探测月球是否存在水分，于球是否存在水分，于2009年年10月月9日利用一支火箭和一颗卫星日利用一支火箭和一颗卫星连续撞击月球据天文学家测连续撞击月球据天文学家测量，月球的半径约为量，月球的半径约为1 800 km，月球表面的重力加速度约为地月球表面的重力加速度约为地球表面重力加速度的球表面重

21、力加速度的1/6，月，月 图图445球表面在阳光照射下的温度可达球表面在阳光照射下的温度可达127，而此时水蒸气分，而此时水蒸气分子的平均速率达子的平均速率达2 km/s，下列说法正确的是，下列说法正确的是 ()卫星撞月前应先在原绕月轨道上减速卫星撞月前应先在原绕月轨道上减速卫星撞月前应先在原绕月轨道上加速卫星撞月前应先在原绕月轨道上加速由于月球的第一宇宙速度大于由于月球的第一宇宙速度大于2 km/s，所以月球表面，所以月球表面可能有水可能有水由于月球的第一宇宙速度小于由于月球的第一宇宙速度小于2 km/s，所以月球表面，所以月球表面在阳光照射下不可能有水在阳光照射下不可能有水A BC D答案

22、：答案：C典例启迪典例启迪思路点拨思路点拨解答本题时应注意以下两个方面：解答本题时应注意以下两个方面：(1)火箭启动前的压力与重力的关系火箭启动前的压力与重力的关系(2)重力加速度随高度的变化规律重力加速度随高度的变化规律归纳领悟归纳领悟 本题属于万有引力与匀变速直线运动相结合的本题属于万有引力与匀变速直线运动相结合的题目，解答此类问题应抓住切入点：物体所受万有引题目，解答此类问题应抓住切入点：物体所受万有引力产生重力加速，高度明显变化时，重力加速度也随力产生重力加速，高度明显变化时，重力加速度也随之改变类似问题还可以结合：自由落体，竖直上抛，之改变类似问题还可以结合：自由落体，竖直上抛，平抛

23、运动等平抛运动等题组突破题组突破7某星球的质量约为地球质量的某星球的质量约为地球质量的9倍，半径约为地球半倍，半径约为地球半径的一半，若从地球表面高径的一半，若从地球表面高h处平抛一物体，射程为处平抛一物体，射程为60 m，则在该星球上，从同样高度以同样的初速度平，则在该星球上，从同样高度以同样的初速度平抛同一物体，射程应为抛同一物体，射程应为 ()A10 mB15 mC90 m D360 m答案：答案：A答案：答案：B 同步卫星与地心的距离同步卫星与地心的距离为为r，运行速率为，运行速率为v1，向心加，向心加速度为速度为a1；地球赤道上的物；地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度体随地球自转的向心加速度为为a2，第一宇宙速度为，第一宇宙速度为v2，图图547地球半径为地球半径为R，则下列比值正确的是，则下列比值正确的是 ()自主尝试自主尝试(试一试，能否做到正确解答试一试，能否做到正确解答)答案答案D点击下图进入点击下图进入“创新演练创新演练大冲关大冲关”