下载文档原格式
姓名，年级：时间：专题五万有引力与航天考点1 万有引力定律及其应用400考向1 万有引力定律的理解与应用1.［2019天津高考，1，6分]2018年12月8日,肩负着亿万中华儿女探月飞天梦想的嫦娥四号探测器成功发射，“实现人类航天器首次在月球背面巡视探测,率先在月背刻上了中国足迹”.如图,已知月球的质量为M、半径为R，探测器的质量为m,引力常量为G，嫦娥四号探测器围绕月球做半径为r的匀速圆周运动时,探测器的（）A。
周期为√4π2r3GM B.动能为GMm2RC。
角速度为√Gmr3D.向心加速度为GMR2必备知识：万有引力定律、天体运动的动力学方程及运行周期、角速度、向心加速度和动能的表达式。
关键能力：天体运动模型构建能力.解题指导:对嫦娥四号构建匀速圆周运动模型,建立涉及线速度、运动角速度和运动周期的动力学方程，进而求解问题。
考向2运用万有引力定律求天体质量问题2.[2017北京高考，17,6分］利用引力常量G和下列某一组数据，不能计算出地球质量的是()A。
地球的半径及重力加速度(不考虑地球自转）B.人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周期C。
月球绕地球做圆周运动的周期及月球与地球间的距离D。
地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与太阳间的距离考法1 开普勒行星运动定律的应用1北斗卫星定位系统由地球静止轨道卫星（同步卫星）、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成.地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行，它们距地面的高度分别约为地球半径的6倍和3.4倍，下列说法正确的是A.地球静止轨道卫星的周期约为中轨道卫星的2倍B.地球静止轨道卫星的线速度大小约为中轨道卫星的2倍C.地球静止轨道卫星的角速度大小约为中轨道卫星的17D.地球静止轨道卫星的向心加速度大小约为中轨道卫星的17设中轨道卫星的周期和轨道半径分别为T1、R1，线速度和向心加速度分别为v1、a1;静止轨道卫星的周期和轨道半径分别为T2、R2,线速度和向心加速度分别为v2、a2;地球半径为R，则R1=4.4R、R2=7R。
高考物理第一轮考点复习 （1）万有引力定律及应用学习、解析+练习基础知识一.开普勒运动定律(1)开普勒第一定律：所有的行星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)开普勒第二定律：对于每一个行星而言，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过的面积相等．(3)开普勒第三定律：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． 二.万有引力定律(1)内容：宇宙间的一切物体都是互相吸引的，两个物体间的引力大小，跟它们的质量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比．(2)公式：F ＝G 221rmm ,其中2211/1067.6kg m N G ⋅⨯=-，称为为有引力恒量。
(3)适用条件：严格地说公式只适用于质点间的相互作用，当两个物体间的距离远远大于物体本身的大小时，公式也可近似使用，但此时r 应为两物体重心间的距离．对于均匀的球体,r 是两球心间的距离．注意：万有引力定律把地面上的运动与天体运动统一起来，是自然界中最普遍的规律之一，式中引力恒量G 的物理意义是：G 在数值上等于质量均为1千克的两个质点相距1米时相互作用的万有引力．三、万有引力和重力重力是万有引力产生的，由于地球的自转，因而地球表面的物体随地球自转时需要向心力．重力实际上是万有引力的一个分力．另一个分力就是物体随地球自转时需要的向心力，如图所示，由于纬度的变化，物体做圆周运动的向心力F 向不断变化，因而表面物体的重力随纬度的变化而变化，即重力加速度g 随纬度变化而变化，从赤道到两极逐渐增大．通常的计算中因重力和万有引力相差不大，而认为两者相等，即m 2g ＝G 221rm m , g=GM/r2常用来计算星球表面重力加速度的大小，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g h =GM/（r+h ）2，比较得g h =（hr r +）2·g 在赤道处，物体的万有引力分解为两个分力F 向和m 2g 刚好在一条直线上，则有F ＝F 向＋m 2g ，所以m 2g=F 一F 向＝G 221rm m －m 2R ω自2因地球目转角速度很小G 221r m m » m 2R ω自2,所以m 2g= G 221rm m假设地球自转加快，即ω自变大，由m 2g ＝G 221r m m －m 2R ω自2知物体的重力将变小，当G 221r m m =m 2Rω自2时，m 2g=0，此时地球上物体无重力，但是它要求地球自转的角速度ω自＝13Gm R ，比现在地球自转角速度要大得多.四.天体表面重力加速度问题设天体表面重力加速度为g,天体半径为R ，由mg=2Mm G R 得g=2MG R,由此推得两个不同天体表面重力加速度的关系为21212212g R M g R M =*五．天体质量和密度的计算原理：天体对它的卫星（或行星）的引力就是卫星绕天体做匀速圆周运动的向心力． G2rmM =m224Tπr ，由此可得：M=2324GT r π；ρ=VM=334R M π=3223R GT r π（R 为行星的半径）由上式可知，只要用实验方法测出卫星做圆周运动的半径r 及运行周期T ，就可以算出天体的质量M ．若知道行星的半径则可得行星的密度 规律方法1、万有引力定律的基本应用【例1】如图所示，在一个半径为R 、质量为M 的均匀球体中，紧贴球的边缘挖去一个半径为R/2的球形空穴后，对位于球心和空穴中心连线上、与球心相距d 的质点m 的引力是多大？ 分析 把整个球体对质点的引力看成是挖去的小球体和剩余部分对质点的引力之和，即可得解．解 完整的均质球体对球外质点m 的引力这个引力可以看成是：m 挖去球穴后的剩余部分对质点的引力F 1与半径为R/2的小球对质点的引力F 2之和，即F=F 1+F 2．因半径为R/2的小球质量M /为M R M R R M 8134234234333/=⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=ππρπ， 则()()22/22/82/R d Mm GR d mM GF -=-=所以挖去球穴后的剩余部分对球外质点m 的引力 ()22212/8R d Mm Gd Mm GF F F --=-=()22222/8287R d d R dR d GMm-+-=说明 （1）有部分同学认为，如果先设法求出挖去球穴后的重心位置，然后把剩余部分的质量集中于这个重心上，应用万有引力公式求解．这是不正确的．万有引力存在于宇宙间任何两个物体之间，但计算万有引力的简单公式2r MmGF =却只能适用于两个质点或均匀球体，挖去球穴后的剩余部分已不再是均匀球了，不能直接使用这个公式计算引力． （2）如果题中的球穴挖在大球的正中央，根据同样道理可得剩余部分对球外质点m 的引力()()2222/221878/dMm Gd mM GdMm Gd mM GdMm GF F F =-=-=-=上式表明，一个均质球壳对球外质点的引力跟把球壳的质量（7M/8）集中于球心时对质点的引力一样．【例2】某物体在地面上受到的重力为160 N ，将它放置在卫星中，在卫星以加速度a ＝½g 随火箭加速上升的过程中，当物体与卫星中的支持物的相互压力为90 N 时，求此时卫星距地球表面有多远？（地球半径R ＝6.4×103km,g 取10m/s 2）解析：设此时火箭上升到离地球表面的高度为h ，火箭上物体受到的支持力为N,物体受到的重力为mg /，据牛顿第二定律．N －mg /=ma ……①在h 高处mg /＝()2h R MmG+……② 在地球表面处mg=2R Mm G……③把②③代入①得()ma R h mgR N ++=22∴⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=1ma N mg R h =1.92×104km. 说明:在本问题中，牢记基本思路,一是万有引力提供向心力，二是重力约等于万有引力．【例3】有人利用安装在气球载人舱内的单摆来确定气球的高度。
2021年高考物理一轮复习：万有引力与天体运动考点一 开普勒定律与万有引力定律1．开普勒行星运动定律图示2.万有引力定律(1)内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体__质量的乘积__成正比，与它们之间__距离的平方__成反比．(2)公式：__F ＝G m 1m 2r 2__，式中G 为__引力常量__， G ＝__6.67×10－11N ·m 2/kg 2__．(3)适用条件：万有引力定律适用于两质点间万有引力大小的计算． 【理解巩固1】 判断下列说法的正误．(1)所有行星绕太阳运行的轨道都是椭圆．( )(2)行星在椭圆轨道上运行速率是变化的，离太阳越远，运行速率越大．( ) (3)只有天体之间才存在万有引力．( )(4)只要知道两个物体的质量和两个物体之间的距离，就可以由F ＝G m 1m 2r 2计算物体间的万有引力．( )(5)地面上的物体所受地球的引力方向一定指向地心．( ) (6)两物体间的距离趋近于零时，万有引力趋近于无穷大．( )(7)牛顿总结了前人的科研成果，在此基础上，经过研究得出了万有引力定律．( )(8)牛顿利用扭秤实验装置比较准确地测出了引力常量．( ) [答案] (1)√ (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)√ (8)×开普勒定律1(多选)如图所示，近地人造卫星和月球绕地球的运行轨道可视为圆．设卫星、月球绕地球运行周期分别为T卫、T月，地球自转周期为T地，则()A．T卫＜T月B．T卫＞T月C．T卫＜T地D．T卫＝T地[解析] 因r月＞r同＞r卫，由开普勒第三定律r3T2＝k可知，T月＞T同＞T卫，又同步卫星的周期T同＝T地，故有T月＞T地＞T卫，选项A、C正确．[答案] AC万有引力定律2关于万有引力定律的适用范围，下列说法中正确的是()A．只适用于天体，不适用于地面物体B．只适用于球形物体，不适用于其他形状的物体C．适用于自然界中任意两个物体之间D．由万有引力定律可知，如果将一个物体放在地球的球心上，地球对它的万有引力是无穷大[解析] 万有引力定律既适用于天体，也适用于地面物体；故A错误；万有引力定律适用于其他形状的物体；故B错误；万有引力定律适用于宇宙万物任意两个物体之间；故C 正确；把地球分成无限份(可视为质点)，各部分对物体的引力适用公式条件，由对称性可得地球对物体的万有引力为零；故D错误．[答案] C考点二万有引力与重力的关系1．万有引力与重力的关系(1)在赤道处：G MmR 2＝mg 1＋mω2R.(2)在两极处：G MmR2＝mg 2.(3)在一般位置：万有引力G MmR2等于重力mg 与向心力F 向的矢量和．越靠近南、北两极，g 值越大．由于物体随地球自转所需的向心力较小，常认为万有引力近似等于重力，即G MmR2＝mg.2．星体表面及上空的重力加速度(1)在地球表面附近的重力加速度g(不考虑地球自转)：mg ＝G Mm R 2，得g ＝GMR 2.(2)在地球上空距离地心r ＝R ＋h 处的重力加速度g′：mg′＝G Mm（R ＋h ）2，得g′＝GM（R ＋h ）2，所以g g′＝（R ＋h ）2R 2.【理解巩固2】 已知地球两极的重力加速度大小为g 0，赤道上的重力加速度大小为g.若将地球视为质量均匀分布、半径为R 的球体，地球同步卫星的轨道半径为( )A ．R ⎝⎛⎭⎫g 0g 0－g 13 B ．R ⎝⎛⎭⎫gg 0－g 13C ．R ⎝⎛⎭⎫g 0＋g g 013 D ．R ⎝⎛⎭⎫g 0＋g g 13[解析] 设地球质量为M ，地球赤道上物体的质量为m ，地球同步卫星的轨道半径为h ，地球的自转周期为T ，则地球两极的物体受到引力等于其重力，即为G MmR 2＝mg 0，而赤道上物体受到引力与支持力差值提供向心力，即为G MmR 2－mg ＝m 4π2T 2R ，同步卫星所受万有引力等于向心力G Mm r 2＝m 4π2T 2r ，故地球同步卫星轨道半径为r ＝R ⎝⎛⎭⎫g 0g 0－g 13，故A 正确．[答案] A对应学生用书p 80不考虑“自转”情况下万有引力与重力的关系3 在浩瀚的宇宙中某恒星的质量是地球质量的p倍，该恒星的半径是地球半径的q 倍，那么该恒星表面的重力加速度与地球表面的重力加速度大小之比为________，恒星与地球的密度之比为________．[解析] (1)设天体表面某物体的质量为m ，恒星的质量为M 1、半径为R 1、体积为V 1、密度为ρ1、地球的质量为M 2、半径为R 2、体积为V 2、密度为ρ2，GM 1mR 21＝mg 1 ① GM 2mR 22＝mg 2 ② 两式相比得：g 1g 2＝M 1R 22M 2R 21＝p q 2 ρ＝MV ③V ＝43πR 3 ④ρ1ρ2＝M 1V 1M 2V 2⑤ 联立化简得：ρ1ρ2＝pq 3[答案] g 1g 2＝p q 2 ρ1ρ2＝p q 3考虑“自转”情况下万有引力与重力的关系4 假设地球是质量分布均匀的球体，半径为R.已知某物体静止在两极时与静止在赤道上时对地面的压力差为ΔF ，则地球的自转周期为( )A ．T ＝2πR m ΔFB ．T ＝2πm ΔFR C ．T ＝2πR ΔFmD ．T ＝2πmRΔF[解析] 在赤道上：G Mm R 2＝mg 1＋m 4π2T 2R ①在两极：G MmR 2＝mg 2 ②静止的物体有mg 1＝F 1 ③ mg 2＝F 2 ④ F 2－F 1＝ΔF ⑤ 联立①②③④⑤得T ＝2πmR ΔF. [答案] D, 1.不考虑地球自转时，地球表面上的重力加速度g ＝GMR2.2．地球赤道上的物体随地球自转的向心力由万有引力与支持力的合力提供，而地球表面附近做匀速圆周运动的卫星由万有引力提供向心力．)考点三 人造卫星运行参量的分析与计算对应学生用书p 801．人造卫星 (1)卫星的轨道①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．②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，如极地气象卫星．③其他轨道：除以上两种轨道外的卫星轨道． 所有卫星的轨道平面一定通过地球的__球心__． (2)向心力所有卫星都是由万有引力提供向心力做圆周运动，即：F 万＝GMm r 2＝m v 2r ＝mω2r ＝m 4π2T 2r.2．地球的同步卫星相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星．同步卫星有以下“七个一定”的特点：(1)轨道平面一定：轨道平面与__赤道平面__共面．(2)周期一定：与地球自转周期__相同__，即T ＝__24__ h .(3)角速度一定：与地球自转的角速度__相同__．(4)高度一定：由G Mm（R ＋h ）2＝m 4π2（R ＋h ）T 2得地球同步卫星离地面的高度h ＝3GMT 24π2－R ≈3.6×107 m . (5)速率一定：v ＝GMR ＋h≈3.1×103 m /s . (6)向心加速度一定：由GMm （R ＋h ）2＝ma n 得a n ＝GM（R ＋h ）2＝g h ＝0.23 m /s 2，即同步卫星的向心加速度等于轨道处的重力加速度．(7)绕行方向一定：运行方向与地球自转方向一致．【理解巩固3】 如图所示，在轨飞行两年多的“天宫二号”太空实验室目前状态稳定，已于2019年7月受控离轨．天宫二号绕地飞行一圈时间约为90 min ，而地球同步卫星绕地球一圈时间为24 h ，根据此两个数据不能求出的是( )A ．天宫二号与地球同步卫星的角速度之比B ．天宫二号与地球同步卫星的离地高度之比C ．天宫二号与地球同步卫星的线速度之比D ．天宫二号与地球同步卫星的向心加速度之比[解析] 由题可知二者的周期关系，由G mM r 2＝m 4π2T 2r 得：T ＝2πrrGM，所以由题可以求出二者的轨道半径关系．卫星的角速度为ω＝2πT＝GMr 3，由二者的轨道半径关系即可求出天宫二号与地球同步卫星的角速度之比，故A 不符合题意；由T ＝2πrrGM ，则可以求出二者的轨道半径的关系，但由于地球的半径未知，所以不能求出二者距离地面的高度的比值，故B 符合题意；由万有引力提供向心力，得：G mM r 2＝m v 2r，解得：v ＝GMr，由二者的轨道半径关系即可求出天宫二号与地球同步卫星的线速度之比，故C 不符合题意；向心加速度：a ＝GMr 2，由二者的轨道半径关系即可求出天宫二号与地球同步卫星的加速度之比，故D 不符合题意；本题选择不能求出的，故选B .[答案] B对应学生用书p 81人造卫星运行线速度、角速度、周期及向心加速度大小的计算5 2019年1月，我国在西昌卫星发射中心成功发射了“中星2D ”卫星．“中星2D ”是我国最新研制的通信广播卫星，可为全国提供广播电视及宽带多媒体等传输任务．“中星2D ”的质量为m 、运行轨道距离地面高度为h.已知地球的质量为M 、半径为R ，引力常量为G ，根据以上信息可知“中星2D ”在轨运行时( )A ．速度的大小为GmR ＋h B ．角速度大小为GM（R ＋h ）2C ．加速度大小为GM（R ＋h ）2D ．周期为2πRR GM[解析] “中星2D ”在轨运行时，由万有引力提供向心力，由牛顿第二定律得：G Mmr 2＝m v 2r ＝mω2r ＝ma ＝m 4π2T2r ，根据题意有 r ＝R ＋h. v ＝GMR ＋h，A 错误； ω＝GM（R ＋h ）3，B 错误；a ＝GM （R ＋h ）2，C 正确； T ＝2π(R ＋h)R ＋hGM，D 错误． [答案] C近地卫星、同步卫星和赤道上物体的运行问题6如图所示，a是静止在地球赤道地面上的一个物体，b是与赤道共面的某近地卫星，c、d均为地球的卫星，其中d是地球的同步卫星，以下关于a、b、c、d四者的线速度、角速度、周期，以及向心加速度的大小关系正确的是()A．v a>v b>v c>v d B．ωa>ωb>ωc>ωdC．T b<T d＝T a D．a a>a b>a c>a d[审题指导] 赤道上物体a与同步卫星d的周期相同，以同步卫星d为“桥梁”进行比较．[解析] 对于b、c、d三个卫星来说，万有引力提供其做圆周运动的向心力根据上题的结论“高轨低速长周期”可知：v b>v c>v d，ωb>ωc>ωd，a n b>a n c>a n d，T b<T c<T d.对于a物体来说它属于地球的一部分，它转动的角速度以及周期与地球自转的相同，而地球自转的角速度、周期又与地球同步卫星的相同，即ωa＝ω自＝ωd，T a＝T自＝T d.故有：ωb>ωc>ωd＝ωa，T b<T c<T d＝T a，B错误、C正确．a n＝ω2r，ωa＝ωd＝ω，r d>r a，得a n d>a n a，得a b>a c>a d>a a，D错误．v＝ωr，ωa＝ωd＝ω，r d>r a，得v d>v a，得v b>v c>v d>v a，A错误．[答案] C, 1.比较同一个中心天体外围若干绕行天体之间的线速度、角速度、向心加速度以及周期的大小可以记住口诀：“高轨低速长周期”．即当绕行天体的轨道半径增大时其线速度、角速度、向心加速度减小，绕行周期变大．2．比较中心天体表面的建筑物与绕行天体各参数的大小时，不能直接进行比较，要借助同步卫星的“桥梁”作用，即建筑物与同步卫星具有共同大小的角速度与周期．)考点四 中心天体质量和密度的计算对应学生用书p 811．基本方法把天体(或人造卫星)的运动看成是匀速圆周运动，其所需向心力由__万有引力__提供． 2．解决天体圆周运动问题的两条思路(1)在地球表面的物体所受重力和地球对该物体的万有引力差别很小，在一般讨论和计算时，可以认为G MmR2＝mg ，则有__GM ＝gR 2__．(2)天体做圆周运动的向心力由天体间的万有引力来提供，公式为G Mm r 2＝m v 2r ＝mrω2＝m ⎝⎛⎭⎫2πT 2r ＝m(2πf)2r. 3．天体质量M 、密度ρ的估算测出卫星绕中心天体做匀速圆周运动的半径r 和周期T ，由G Mm r 2＝m⎝⎛⎭⎫2πT 2r 得M ＝4π2r 3GT 2，ρ＝M V ＝M43πR 30＝__3πr 3GT R 30__(R 0为中心天体的半径)． 当卫星沿中心天体__表面__绕天体运动时，r ＝R 0，则ρ＝__3πGT2__．【理解巩固4】 某人造地球卫星沿圆轨道运行，轨道半径r ＝6.8×103 km ，周期T ＝5.6×103 s ，已知万有引力常量G ＝6.67×10－11 N ·m 2/kg 2.根据这些数据可以求得的物理量为( )A ．地球的质量B ．地球的平均密度C ．地球表面的重力加速度大小D ．地球对该卫星的万有引力大小[解析] 根据万有引力提供向心力G mM r 2＝m 4π2T 2r ，M ＝4π2r 3GT 2；代入数据可得：M ＝6×1024 kg ，故A 正确；由于没有给出地球的半径，所以不能求出地球的密度，故B 错误；由于没有给出地球的半径，所以不能根据万有引力定律求出地球表面的重力加速度大小，故C 错误；由于没有给出卫星的质量，所以不能根据万有引力定律求出地球对该卫星的万有引力大小．故D 错误．[答案] A对应学生用书p 82中心天体质量的计算7 (多选)天文爱好者观测卫星“高景一号”绕地球做匀速圆周运动时，发现该卫星每经过时间t 通过的弧长为l ，该弧长对应的圆心角为θ弧度．已知引力常量为G ，则( )A ．高景一号卫星的质量为t 2G θl 3B ．高景一号卫星的角速度为θtC ．高景一号卫星的线速度大小为2πltD ．地球的质量为l 3G θt 2[解析] 高景一号卫星的质量不可求，选项A 错误；由题意知，卫星绕地球做匀速圆周运动的角速度ω＝θt ，选项B 正确；卫星绕地球做匀速圆周运动线速度的大小v ＝lt ，选项C错误；由v ＝ωr 得r ＝l θ，该卫星做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，由G Mmr 2＝mω2r ，解得地球的质量M ＝l 3G θt 2，选项D 正确．[答案] BD中心天体密度的计算8 我国预计在2020年左右发射“嫦娥六号”卫星．以下是某同学就有关月球的知识设计的两个问题，请你解答：(1)若已知地球半径为R ，地球表面的重力加速度为g ，月球中心与地球中心间距离r ，且把月球绕地球的运动近似看做是匀速圆周运动，试求出月球绕地球运动的周期为T ；(2)若宇航员随“嫦娥六号”登陆月球后，站在月球表面以初速度 v 0水平抛出一个小球，小球飞行一段时间 t 后恰好垂直地撞在倾角为θ＝37°的的斜坡上，已知月球半径为R 0，月球质量分布均匀，引力常量为G ，试求月球的密度．(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)[解析] (1)设地球的质量为M ，月球的轨道半径为r ，则根据万有引力提供向心力：G Mmr 2＝m 4π2r T2在地球表面有： m ′g ＝G Mm′R 2由以上两式得T ＝2πrRr g.(2)设月球表面的重力加速度为g 月，由斜面平抛运动规律得： tan θ＝v 0g 月t解得：g 月＝v 0t tan θ.在月球表面有：m′g 月＝G Mm′R 20由以上两式得： M 月＝ρ43πR 30 解得月球的密度ρ＝v 0Gt πR 0., 注意区别中心天体半径R 和卫星轨道半径r ，只有在天体表面附近的卫星才有r ≈R ；计算天体密度时，V ＝43πR 3中的R只能是中心天体的半径．)考点五 卫星变轨问题对应学生用书p 821．速度：如图所示，设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v 1、v 3，在轨道Ⅱ上过A 点和B 点时速率分别为v A 、v B .在A 点加速，则v A >v 1，在B 点加速，则v 3>v B ，又因v1>v3，故有v A>v1>v3>v B.2．加速度：因为在A点，卫星只受到万有引力作用，故不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A点，卫星的加速度都相同，同理，经过B点加速度也相同．3．周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上的运行周期分别为T1、T2、T3，轨道半径分别为r1、r2(半长轴)、r3，由开普勒第三定律r3T2＝k可知T1<T2<T3.4．机械能：在一个确定的圆(椭圆)轨道上机械能守恒．若卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E1、E2、E3，则E1<E2<E3.【理解巩固5】(多选)发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3，轨道1和2相切于Q点，轨道2和3相切于P点，设卫星在1轨道和3轨道正常运行的速度和加速度分别为v1、v3和a1、a3，在2轨道经过P点时的速度和加速度为v2和a2且当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时周期分别为T1、T2、T3，以下说法正确的是()A．v1>v2>v3B．v1>v3>v2C．a1>a2>a3D．T1<T2<T3[解析] 卫星在1轨道运行速度大于卫星在3轨道运行速度，在2轨道经过P点时的速度v2小于v3，选项A错误、B正确；卫星在1轨道和3轨道正常运行加速度a1>a3，在2轨道经过P点时的加速度a2＝a3，选项C错误．根据开普勒定律，卫星在1、2、3轨道上正常运行时周期T1<T2<T3，选项D正确．[答案] BD对应学生用书p839如图所示，假设月球半径为R，月球表面的重力加速度为g0，飞船在距月球表面高度为3R的圆形轨道Ⅰ上运动，到达轨道的A点点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ，到达轨道的近月点B再次点火进入近月轨道Ⅲ绕月球做圆周运动．则()A ．飞船在轨道Ⅰ上的运行速度为14g 0RB ．飞船在A 点处点火时，速度增加C ．飞船在轨道Ⅰ上运行时通过A 点的加速度大于在轨道Ⅱ上运行时通过A 点的加速度D ．飞船在轨道Ⅲ上绕月球运行一周所需的时间为2πR g 0[解析] 据题意，飞船在轨道Ⅰ上运动时有：G Mm （4R ）2＝m v 24R ，经过整理得：v ＝GM4R，而GM ＝g 0R 2，代入上式计算得v ＝g 0R4，所以A 选项错误；飞船在A 点处点火使速度减小，飞船做靠近圆心的运动，所以飞船速度减小，B 选项错误；据a ＝GM（4R ）2可知，飞船在两条运行轨道的A 点距地心的距离均相等，所以加速度相等，所以C 选项错误；飞船在轨道Ⅲ上运行时有：G MmR 2＝mR 4π2T2，经过整理得T ＝2πRg 0，所以D 选项正确． [答案] D考点六双星(或)多星问题对应学生用书p831．双星模型双星类问题要注意区分引力距离与运行半径．引力距离等于双星之间的距离，影响万有引力的大小．引力提供双星做匀速圆周运动的向心力，且双星具有相同的__角速度和周期__．双星运行的半径不等于引力距离的一半，更不等于双星之间的距离，而应先假设双星做匀速圆周运动的圆心，进而找到双星的运行半径与引力距离之间的关系．2．三星模型(1)三颗质量相同的星位于同一直线上．两颗星围绕中央星在同一半径为R的圆形轨道上运行(如图甲所示)．(2)三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点上，围绕三角形的中心O做匀速圆周运动(如图乙所示)．3．四星模型(1)其中一种是四颗质量相等的行星位于正方形的四个顶点上，沿着外接于正方形的圆形轨道做匀速圆周运动(如图丙所示)．(2)另一种是三颗行星始终位于正三角形的三个顶点上．另一颗位于中心O，外围三颗星绕中心星做匀速圆周运动(如图丁所示)．【理解巩固6】如图所示，银河系中有两黑洞A、B，它们以两者连线上的O点为圆心做匀速圆周运动，测得黑洞A、B到O点的距离分别2r和r.黑洞A和黑洞B均可看成质量分布均匀的球体，不考虑其他星体对黑洞的引力，两黑洞的半径均远小于他们之间的距离．下列说法正确的是()A．黑洞A、B的质量之比为2∶1B．黑洞A、B的线速度之比为2∶1C．黑洞A、B的周期之比为2∶1D ．若从地球向黑洞A 发射一颗探测卫星，其发射速度只要大于7.9 km /s 就行[解析] 双星各自做匀速圆周运动的周期相同，则角速度相等，因为m 1r 1ω2＝m 2r 2ω2，知半径之比等于质量之反比，故质量之比为1∶2，故A 错误．由v ＝rω，知线速度与半径成正比，为2∶1，故B 正确；双星的周期相同，与质量无关，故C 错误．要在地球上发射一颗探测该黑洞信息的探测器，必须要离开太阳的束缚，故发射速度必大于16.7 km /s ，故D 错误．[答案] B对应学生用书p 83双星系统10 两个中子星相互吸引旋转并靠近最终合并成黑洞，科学家预言在此过程中释放引力波．根据牛顿力学，在中子星靠近的过程中( )A ．中子星间的引力变大B ．中子星的线速度变小C ．中子星的角速度变小D ．中子星的加速度变小[审题指导] 两个中子星做匀速圆周运动具有相同的角速度，靠相互间的万有引力提供向心力，且两个中子星之间的距离在不断减小，根据万有引力提供向心力得出两个中子星的轨道半径关系，从而确定出两个中子星的半径如何变化，以及得出两个中子星的角速度、线速度、加速度和周期的变化．[解析] 根据万有引力定律：F ＝Gm 1m 2L 2，可知两中子星的距离L 减小时，中子星间的引力变大，A 正确．根据Gm 1m 2L 2＝m 1v 21R 1，R 1＝L m 1＋m 2·m 2，解得v 1＝Gm 22L （m 1＋m 2），线速度增大，B 错误．由ω＝v 1R 1，L 减小，R 1减小，v 1增大，所以角速度会增大，C 错误．根据Gm 1m 2L 2＝m 1a 1＝m 2a 2知，L 变小，则两星的向心加速度增大，D 错误．故选A . [答案] A多星系统11 宇宙中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，通常可忽略其他星体对他们的引力作用．已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式：一种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星在同一半径为R 的圆轨道上运行；另一种形式是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆轨道运行．设每个星体的质量均为m.(1)试求第一种形式下，星体运动的线速度和周期；(2)假设两种形式星体的运动周期相同，第二种形式下星体之间的距离应为多少？[解析] (1)对于第一种运动情况，以某个运动星体为研究对象，根据牛顿第二定律和万有引力定律，有F 1＝G m 2R 2，F 2＝G m 2（2R ）2，F 1＋F 2＝m v 2R运动星体的线速度v ＝5GmR2R周期为T ，则有T ＝2πRv，T ＝4πR 35Gm(2)设第二种形式星体之间的距离为r ，则三个星体做圆周运动的半径为R′＝r 2cos 30°由于星体做圆周运动所需要的向心力靠其他两个星体的万有引力的合力提供．由力的合成和牛顿运动定律，有 F 合＝2G m 2r 2cos 30°F 合＝m 4π2T2R ′由以上四式，得r ＝⎝⎛⎭⎫12513R, 1.解决此类问题的核心是“谁”提供向心力的问题． 2．“双星问题”的隐含条件是两者的向心力相同、周期相同、角速度相同；轨道半径与质量成反比；m 1＋m 2＝4π2L 3GT 2(m 1、m 2分别为两星的质量，L 为两星之间的距离，T 为两星运行的周期)．3．多星问题中，每颗行星做圆周运动所需的向心力是由它们之间的万有引力的合力提供，即F 合＝m v 2r，以此列向心力方程进行求解．)考点七 三种宇宙速度 经典时空观和相对论时空观对应学生用书p 841．三种宇宙速度(1)在经典力学中，物体的质量是不随__运动状态__而改变的．(2)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__相同__的．3．相对论时空观(1)在狭义相对论中，物体的质量是随物体的运动速度的增大而__增大__的．(2)在狭义相对论中，同一物理过程发生的位移和对应的时间的测量结果在不同的参考系中是__不同__的，表现为尺缩效应和延时效应．【理解巩固7】 (多选)美国“新地平线”号探测器借助“宇宙神—5”火箭，从佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空，开始长达9年的飞向冥王星的太空之旅．拥有3级发动机的“宇宙神—5”重型火箭将以每小时5.76万公里的惊人速度把“新地平线”号送离地球，这个冥王星探测器将成为人类有史以来发射速度最大的飞行器．这一速度( )A ．大于第一宇宙速度B ．等于第二宇宙速度C ．大于第三宇宙速度D ．小于并接近于第三宇宙速度[解析] 地球的第二宇宙速度为v 2＝11.2 km /s ＝4.032×104 km /h ，第三宇宙速度v 3＝16.7 km /s ＝6.012×104 km /h ，速度5.76×104 km /h 大于第二宇宙速度，接近第三宇宙速度．故AD 正确，BC 错误．[答案] AD对应学生用书p 84三种宇宙速度12 (多选)据悉，我国的火星探测计划将于2020年展开.2020年左右我国将进行第一次火星探测，向火星发射轨道探测器和火星巡视器．已知火星的质量约为地球质量的19，火星的半径约为地球半径的12.下列关于火星探测器的说法中正确的是( ) A ．发射速度只要大于第一宇宙速度即可B ．发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C ．发射速度应大于第二宇宙速度且小于第三宇宙速度D ．火星探测器环绕火星运行的最大速度约为地球的第一宇宙速度的23[解析] 要将火星探测器发射到火星上去，必须脱离地球引力，即发射速度要大于第二宇宙速度，火星探测器仍在太阳系内运转，因此从地球上发射时，发射速度要小于第三宇宙速度，选项A 、B 错误，C 正确；由第一宇宙速度的概念，得G Mm R 2＝m v 21R ，得v 1＝GMR，故火星探测器环绕火星运行的最大速度与地球的第一宇宙速度的比值约为29＝23，选项D 正确．[答案] CD相对论时空观13 关于经典力学的适用范围和局限性，下列说法正确的是( )A ．经典力学过时了，应该被量子力学所取代B ．由于超音速飞机的速度太大，其运动不能用经典力学来解释C ．人造卫星的运动不适合用经典力学来描述D ．当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述[解析] 经典力学在低速宏观物理过程中适用，量子力学不可替代，故A 错误；超音速飞机的速度远低于光速，其运动能用经典力学来解释，故B 错误；人造卫星的运动速度远低于光速，适合用经典力学来描述，故C 错误；当物体速度接近光速时，其运动规律不适合用经典力学来描述，故D 正确．[答案] D。
课时规范练13 万有引力定律及其应用基础对点练1.(多选)(开普勒定律)下列说法正确的是( ) A.公式r 3T 2=k 中的常量k 是一个与中心天体有关的常量B.开普勒定律只适用于太阳系,对其他恒星系不适用C.已知金星绕太阳公转的周期小于地球绕太阳公转的周期,则可判定金星到太阳的距离小于地球到太阳的距离D.发现万有引力定律和测出引力常量的科学家分别是开普勒、伽利略 2.(万有引力定律的应用)12月3日,嫦娥五号上升器携带月壤样品成功回到预定环月轨道,这是我国首次实现地外天体起飞。
环月轨道可以近似为圆轨道,已知轨道半径为r,月球质量为m,引力常量为G 。
则上升器在环月轨道运行的速度为( ) A.Gm r2B.Gm rC.√Gm r2D.√Gmr3.(向心力与万有引力)北斗问天,国之夙愿。
我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星,其轨道半径约为地球半径的7倍,与近地轨道卫星相比,地球静止轨道卫星( ) A.周期大B.线速度大C.角速度大D.加速度大4.(对万有引力定律的理解)万有引力定律和库仑定律都满足与距离的二次方成反比的规律,因此引力场和电场之间有许多相似的性质,在处理有关问题时可以将它们进行类比。
例如电场中引入电场强度来反映电场的强弱,其定义式为E=Fq,在引力场中可以用一个类似的物理量来反映引力场的强弱。
设地球质量为m地,半径为R,地球表面处重力加速度为g,引力常量为G。
如果一个质量为m的物体位于距地心2R处的某点,则下列表达式中能反映该点引力场强弱的是( )A.G m地m(2R)2B.G m(2R)2C.G m地(2R)2D.g25.(向心力与万有引力)(江西模拟)宇宙中,两颗靠得比较近的恒星,只受到彼此之间的万有引力作用,分别围绕其连线上的某一点做周期相同的匀速圆周运动,称之为双星系统。
由恒星A与恒星B组成的双星系统绕其连线上的O点做匀速圆周运动,如图所示。
已知它们的运行周期为T,恒星A 的质量为m,恒星B的质量为3m,引力常量为G,则下列判断正确的是( )3A.两颗恒星相距√GmT2π2B.恒星A与恒星B的向心力之比为3∶1C.恒星A与恒星B的线速度之比为1∶3D.恒星A与恒星B的轨道半径之比为√3∶16.(双星问题)将某双星系统简化为理想的圆周运动模型,如图所示,两星球在相互的万有引力作用下,绕O点做匀速圆周运动。
