高三物理万有引力与航天_知识点解析、解题方法、考点突破、例题分析、达标测试

建校8年，有口皆碑选择中天=选择成功！中天教育：赤峰初高中辅导第1品牌！ProfessionalEducationSince2006A.D.第1页【知识点精析】一.万有引力定律：1.内容：宇宙间有质量的物体之间都是相互吸引的，两个物体之间的引力大小，跟它们质量的乘积成正比，跟它们距离的平方成反比。公式：F=G·m1·m2/r2其中G=6.67×10－11N·m2/kg22.条件：严格来说只适用于质点间的相互作用，但两个质量均匀球体间的相互作用，也可以用本定律来计算或者一个均匀球体和一个球外质点也适用。3.两个重要推论。（1）在均匀球壳的空腔内任意位置，质点受到的万有引力的合为零。（2）在均匀球体内部距离球心r处的质点（m）受到的万有引力等于球内半径为r的同心球体（M）对其的万有引力F=二.重力和地球的万有引力：1.地球对其表面物体的万有引力产生两个效果：（1）物体随地球自转的向心力：F向=m·R·（2π/T0）2，很小。由于纬度的变化，物体做圆周运动的向心力不断变化，因而表面物体的重力随纬度的变化而变化。（2）重力约等于万有引力：在赤道处：mgFF向，所以RmRGMmFFmg22自向，因地球自转角速度很小，RmRGMm22自，所以2RGMg。地球表面的物体所受到的向心力f的大小不超过重力的0.35%，因此在计算中可以认为万有引力和重力大小相等。如果有些星球的自转角速度非常大，那么万有引力的向心力分力就会很大，重力就相应减小，就不能再认为重力等于万有引力了。如果星球自转速度相当大，使得在它赤道上的物体所受的万有引力恰好等于该物体随星球自转所需要的向心力，那么这个星球就处于自行崩溃的临界状态了。在地球的同一纬度处，g随物体离地面高度的增大而减小，即21)('hRGmg。强调：g=G·M/R2不仅适用于地球表面，还适用于其它星球表面。此即常用的的“黄金代换式”2.绕地球运动的物体所受地球的万有引力充当圆周运动的向心力，万有引力、向心力、重力三力合一。即：G·M·m/R2=m·a向=mg∴g=a向=G·M/R2建校8年，有口皆碑选择中天=选择成功！中天教育：赤峰初高中辅导第1品牌！ProfessionalEducationSince2006A.D.第2页三.天体运动：1.开普勒行星运动规律：（1）所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。（2）对每一个行星而言，太阳行星的连线在相同时间内扫过的面积相等。（3）所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。其表达式为：kTR23，其中R是椭圆轨道的半长轴，T是行星绕太阳公转的周期，k是一个与行星无关的常量。2.基本问题是研究星体（包括人造星体）在万有引力作用下做匀速圆周运动。基本方法：将天体运动理想化为匀速圆周运动，所需的向心力由万有引力提供。即：G·M·m/r2=m·v2/r=m·r·ω2=m·r·（2π/T）2=m·r·（2πf）23.绕行中心星体的运动的快慢与绕行半径的关系：（1）由G·M·m/r2=m·v2/r得v=M/rG，r越大，v越小。人造卫星的变轨动态分析：当卫星的速度突然增大时，万有引力不足以提供向心力。卫星将做离心运动，轨道半径增大，当进入新的轨道稳定后其运动速度比原轨道运行的速度小；当卫星的速度突然减小时，万有引力大于所需的向心力，卫星将做近心运动，轨道半径减小，当卫星进入新的轨道稳定后其运行速度比原轨道运行的速度大。（2）由G·M·m/r2=m·r·ω2得3M/rG，r越大，ω越小。（3）由G·M·m/r2=m·r·（2π/T）2得MGrT/422，r越大，T越大。4.中心天体质量M和密度ρ的估算：测量卫星绕天体匀速圆周运动的半径r和周期T，由G·M·m/r2=m·r·（2π/T）2得M=4π2•r3/G•T2再测量天体的半径，得到ρ=M/V=M/（34π•R3）=4π2•r3/（G•T2•34π•R3）=3π•r3/（G•T2•R3）若卫星绕天体表面圆周运动，则：ρ=3π/（G•T2）例题：求地球的质量？（1）若已知月球绕地球的周期为T，半径为r。（2）若已知月球绕地球的半径为r，线速度为v。（3）若已知地球的半径为R，重力加速度为g。总结：若已知卫星的T、R、V三个运动参量中的任意两个，既可以求出地球的质量。利用万有引力定律只能求中心天体的质量，无法求解环绕天体的质量。5.星球表面和某高度处的重力加速度的求解（1）星球表面重力加速度的求解在星球表面处万有引力近似等于重力，既g=G·M/R2。由上式可推得两个不同天体建校8年，有口皆碑选择中天=选择成功！中天教育：赤峰初高中辅导第1品牌！ProfessionalEducationSince2006A.D.第3页表面的重力加速度的关系为。（2）求某高度处的重力加速度的若设离星球表面的高h的重力加速度为gh，则G·M·m/（R+h）2=mgh，所以gh=GM/(R+h)2,可见随高度的增加加速度逐渐减小。由此式可推得gh/g=R2/(R+h)26.双星：宇宙中往往会有相距较近，质量可以相比的两颗星球，它们离其它星球都较远，因此其它星球对它们的万有引力可以忽略不计。在这种情况下，它们将各自围绕它们连线上的某一固定点做同周期的匀速圆周运动。这种结构叫做双星。（1）由于双星和该固定点总保持三点共线，所以在相同时间内转过的角度必相等，即双星做匀速圆周运动的角速度必相等，因此周期也必然相同。（2）由于每颗星的向心力都是由双星间相互作用的万有引力提供的，因此大小必然相等，由F=mrω2可得mr1，得LmmmrLmmmr21122121,，即固定点离质量大的星较近。注意：万有引力定律表达式中的r表示双星间的距离，按题意应该是L，而向心力表达式中的r表示它们各自做圆周运动的半径，在本题中为r1、r2，千万不可混淆。当我们只研究地球和太阳系统或地球和月亮系统时（其他星体对它们的万有引力相比而言都可以忽略不计），其实也是一个双星系统，只是中心星球的质量远大于环绕星球的质量，因此固定点几乎就在中心星球的球心。可以认为它是固定不动的。7.人造地球卫星：（1）近地卫星：近地卫星的轨道半径r可以近似地认为等于地球半径R，又因为地面附近2RGMg，所以有min85101.52,/109.733sgRTsmgRv。它们分别是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的最大线速度和最小周期。（2）地球同步卫星：分析：绕地球旋转的卫星所需的向心力由地球的万有引力提供，因为物体所受的引力指向地心，因而所有的地球卫星的轨道平面一定过地心；而地球同步卫星相对地表静止，必随地球自转，所以同步卫星的轨道平面一定过地心且垂直地轴——过赤道的平面。推导：由同步卫星T=24h，而G·M·m/r2=m·r·(2π/T)2∴r=3224/TMG=4.2×104km既同步卫星的距离地表面的高度一定H=。（3）三种宇宙速度：①第一宇宙速度（环绕速度）：人造地球卫星最小的发射速度，等于物体近地圆运动的运行速度。推导：由G·M·m/R2=m·v12/R或m·g=m·v12/R建校8年，有口皆碑选择中天=选择成功！中天教育：赤峰初高中辅导第1品牌！ProfessionalEducationSince2006A.D.第4页得v1=RgrMG/=7.9km/s②第二宇宙速度（脱离速度）：物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度。v2=11.2km/s③第三宇宙速度（逃逸速度）：物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。v3=16.7km/s8.卫星追及问题天体的运动中的“追及问题”研究的是“两个在不同圆周轨道上的运动的物体，何时相距最近和最远”的问题。解决这类问题的一般思路：首先要弄清模型，是两星间的追及问题还是一个卫星与地面上的物体之间的追及问题：第二，要借助天体运动和圆周的规律分析清楚两者周期之间的关系，从而确定谁运动的快，谁运动的慢，谁在前，谁在后；再根据两星做圆周运动的周数或角度关系列出方程。例题：某行星和地球绕太阳公转的轨道均可视为圆。每过N年，该行星会运行到日地连线的延长线上，如题21图所示。该行星与地球的公转半径比为（）A．B.C．D.【解题方法指导】应用万有引力定律解决有关天体运动问题时，往往要涉及到牛顿运动定律和圆周运动的知识，是较为典型的力学综合。例题1、两颗卫星在同一轨道平面绕地球做匀速圆周运动，地球半径为R，a卫星距地面的高度等于R，b卫星距地面的高度等于3R，则a、b两卫星周期之比baTT:_________。解析：由万有引力提供向心力：22mrrGMm，T2得：2234GMTr这就是开普勒第三定律得221)4()2(:33RRTTba例题2、某中子星的质量大约与太阳的质量相等为kg30102。但是它的半径为10km，已知万有引力常量2211/1067.6kgmNG，求：建校8年，有口皆碑选择中天=选择成功！中天教育：赤峰初高中辅导第1品牌！ProfessionalEducationSince2006A.D.第5页（1）此中子星表面的重力加速度。（2）贴近中子星的表面，沿圆轨道运动的小卫星的速度。解析：（1）设中子星表面的重力加速度为'g在中子星表面：2'RMmGmg22430112/)10(1021067.6smRGMg212/1033.1sm（2）贴近中子星表面，小卫星的轨道半径Rr由万有引力提供向心力，得RvmRMmG22得smRgRGMv/1015.1'8例题3、某球形行星“一昼夜”时间为T=6h，在该行星上用弹簧秤称同一物体的质量，发现其“赤道”上的读数比其在“南极”处读数小9%，若设想该行星的自转速度加快，在其“赤道”上的物体会自动“漂浮”起来，这时该行星的自转周期T'多大？解析：由万有引力定律，可得在南极：mgRMmG2在赤道：2)2(%9TmRmg又22)'2(TmRRMmG，代入数据hT8.1'例题4、某星球的质量约为地球质量的9倍，半径约为地球半径的21，若在地球上高h处平抛一物体，水平射程为60m，则在该星球上从同样高度以同样的初速度平抛同一物体，水平射程为多少？解析：由平抛运动知识知，水平射程取决于竖直方向的时间和初速度。当从同样高度以同样的初速度在不同的星体表面平抛同一物体，由于不同星体表面的重力加速度不同，因而下落同样的高度所用的时间不同，即以同样的初速度抛出时，水平射程不同。故此题转化为求星球和地球表面的重力加速度之比。在星球表面的物体：星星星mgRmGM2在地球表面的物体：地地地mgRmGM2则加速度之比为：3614922星地地星地星RMRMgg平抛物体时vts，221gth所以ghvs2。建校8年，有口皆碑选择中天=选择成功！中天教育：赤峰初高中辅导第1品牌！ProfessionalEducationSince2006A.D.第6页则水平射程之比为61星地地星ggss星球表面的水平射程mmss10606161地星【考点突破】【考点指要】卫星运行问题与物理知识（如万有引力定律、匀速圆周运动、牛顿运动定律等）及地理知识有十分密切的相关性，是考生备考应试的难点，也是新高考突出学科内及跨学科间综合创新能力考查的命题热点，近几年北京高考均会出一道选择题，如2006年18题、2005年和2004年的20题。涉及到的问题包括：线速度、角速度、周期与运行半径间的关系，重力加速度的理解，第一宇宙速度的计算，中心天体质量和密度的计算。解题中通常要由万有引力与重力加速度的对应、绕行中万有引力充当向心力两条主线穿插。【典型例题分析】例题1、用m表示地球同步通信卫星的质量、h表示卫星离地面的高度、M表示地球的质量、R0表示地球的半径、g0表示地球表面处的重力加速度、T0表示地球自转的周期、ω0表示地球自转的角速度，则：（1）地球同步通信卫星的环绕速度v为A.ω0（R0+h）B.hRGM0C.30GMD.302TGM（2）地球