万有引力与航天_

【本讲主要内容】 万有引力与航天 万有引力定律及万有引力在天文学上的应用 【知识掌握】 【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/kg2 2. 条件：适用于质点，或可视为质点的均匀球体。 二. 重力和地球的万有引力： 1. 地球对其 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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： ，所以 ，因地球自转角速度很小， ，所以 。 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 。 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。 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 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： ，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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 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）2 3. 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= ，r越大，v越小。 （2）由G·M·m/r2=m·r·ω2得 ，r越大，ω越小。 （3）由G·M·m/r2=m·r·（2π/T）2得 ，r越大，T越大。 在地表附近，可以认为T= =83. 7h。 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/（ π•R3）=4π2•r3/（G•T2• π•R3）=3π•r3/（G•T2•R3） 若卫星绕天体表面圆周运动，则：ρ=3π/（G•T2） 5. 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 ，得 ，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。 6. 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 ，所以有 。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= =4. 2×104km （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 得v1= =7. 9km/s ②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/s ③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/s 【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， 卫星距地面的高度等于R， 卫星距地面的高度等于3R，则 、 两卫星周期之比 _________。 解析：由万有引力提供向心力： ， 得： 这就是开普勒第三定律 得 例题2、某中子星的质量大约与太阳的质量相等为 。但是它的半径为10km，已知万有引力常量 ，求： （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 在中子星表面： EMBED Equation.3 （2）贴近中子星表面，小卫星的轨道半径 由万有引力提供向心力，得 得 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： 在赤道： 又 ，代入数据 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 ，若在地球上高 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： 在地球表面的物体： 则加速度之比为： 平抛物体时 ， 所以 。 则水平射程之比为 星球表面的水平射程 【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. C. D. （2）地球同步通信卫星所受的地球对它的万有引力F的大小为 A. m B. mω20（R0+h） C. m D. m （3）地球同步通信卫星离地面的高度h为 A. 因地球同步通信卫星和地球自转同步，则卫星离地面的高度就被确定 B. －R0 C. －R0 D. 地球同步通信卫星的角速度虽已确定，但卫星离地面的高度可以选择. 高度增加，环绕速度增大，高度降低，环绕速度减小，仍能同步 解析： （1）设地球同步卫星离地心的高度为r， 则r=R0+h，则环绕速度v=ω0r=ω0（R0+h） 同步卫星圆周运动由万有引力提供向心力： 即G 得v= 又有G =mω02，所以r= 则v=ω0r=ω0 = = 故选项A、B、C、D均正确。 （2）地球同步卫星的重力加速度为g'=（ ）2·g0，地球对它的万有引力大小可认为等于同步卫星的重力mg0 来提供向心力：即mg0 =mω02（R0+h） 所以h= －R0 F向=mω02（R0+h）=m 故选项A、B、C、D均正确。 （3）因为h= －R0，式中R0、g0、ω0都是确定的，故h被确定。 但ω0= ，所以h= －R0故选项A， C正确。 例题2、（2000年全国，20）2000年1月26日我国发射了一颗同步卫星，其定点位置与东经 的经线在同一平面内，若把甘肃省嘉峪关处的经度和纬度近似取为东经 和北纬 EMBED Equation.3 ，已知地球半径为R，地球自转周期为T，把地球表面重力加速度 和光速 视为常量，试求：该同步卫星发出的微波信号传到嘉峪关处的接收站所需的时间（要求用题给的已知量的符号表示）。 解析：设 为卫星质量，M为地球质量， 为卫星到地心的距离，T为卫星绕地心转动的周期，也就是地球自转周期，由万有引力定律得 物体在地面上 由以上两式得 设嘉峪关到卫星的距离为L，如图 由余弦定理得 故所求时间为 【达标测试】 1、已知人造地球卫星靠近地面运行时的环绕速度约为 ，则在离地面的高度等于地球半径处运行的速度为（ ） A. B. C. D. 2、两颗人造地球卫星，它们的轨道半径之比为 ，它们角速度之比 EMBED Equation.3 ___________。 3、设地球表面的重力加速度为 ，物体在距地心 （ 是地球半径）处，由于地球的作用而产生的重力加速度 ，则： 为（ ） A. 1 B. C. D. 4、已知月球质量是地球质量的 ，月球的半径是地球半径的 ，那么在月球和地球表面附近，以同样的初速度分别竖直上抛一个物体时，忽略空气阻力，上升的最大高度之比是多少？ 5、人造地球卫星由于受大气的阻力作用，其轨道半径将缓慢地减小，其相应的线速度和周期的变化情况是 A. 速度减小，周期增大 B. 速度减小，周期减小 C. 速度增大，周期增大 D. 速度增大，周期减小 6、地核的体积约为整个地球体积的16%，地核的质量约为地球质量的34%，经估算，地核的平均密度为kg/m3。（结果取两位有效数字，引力常量 ，地球半径 ） 7、欧洲航天局用阿里亚娜火箭发射地球同步卫星。该卫星发射前在赤道附近（北纬5°左右）南美洲的法属圭亚那的库卢基地某个发射场上等待发射时为1状态，发射到近地轨道上做匀速圆周运动时为2状态，最后通过转移、调试，定点在地球同步轨道上时为3状态。将下列物理量按从小到大的顺序用不等号排列： ①这三个状态下卫星的线速度大小______； ②向心加速度大小______； ③周期大小______。 8、已知地球半径为6.4×106m，又知月球绕地球的运动可近似看作匀速圆周运动，则可估算出月球到地心的距离约为__________m。（结果只保留一位有效数字） 9、在某星球上，宇航员用弹簧秤称量一个质量为m的物体，其重力为F。宇宙飞船在靠近该星球表面飞行，测得其环绕周期为T。已知万有引力常量为G，试由以上数据求出该星球的质量。 10、2002年3月25日，我国自行研制的新型“长征”运载火箭，将模拟载人航天试验飞船“神州3号”送入预定轨道，飞船绕地球遨游太空 后又顺利返回。飞船在运动过程中进行了预定的空间科学实验，获得圆满成功。设飞船轨道离地高度为 ，地面重力加速度 ，地球半径为 ，则“神舟3号”飞船绕地球正常运转多少圈？ 11、1986年2月20日发射升空的“和平号”空间站，在服役15年后于2001年3月23日坠落在南太平洋。“和平号”风风雨雨15年铸就了辉煌业绩，已成为航天史上的永恒篇章。“和平号”空间站总质量137t，工作容积超过400m3，是迄今为止人类探索太空规模最大的航天器，有“人造天宫”之称。在太空运行的这一“庞然大物”按照地面指令准确坠落在预定海域，这在人类历史上还是第一次。“和平号”空间站正常运行时，距离地面的平均高度大约为350km。为保证空间站最终安全坠毁，俄罗斯航天局地面控制中心对空间站的运行做了精心安排和控制。在坠毁前空间站已经顺利进入指定的低空轨道，此时“和平号”距离地面的高度大约为240km。设“和平号”沿指定的低空轨道运行时，其轨道高度平均每昼夜降低2.7km。设“和平号”空间站正常运转时沿高度为350km圆形轨道运行，在坠落前沿高度为240km的指定圆形低空轨道运行，而且沿指定的低空轨道运行时，每运行一周空间站高度变化很小，因此计算时对空间站的每一周的运动都可以作为匀速圆周运动处理。 （1）简要说明，为什么空间站在沿圆轨道正常运行过程中，其运动速率是不变的？ （2）空间站沿正常轨道运行时的加速度与沿指定的低空轨道运行时加速度大小的比值多大？计算结果保留2位有效数字。 （3）空间站沿指定的低空轨道运行时，每运行一周过程中空间站高度平均变化多大？计算中取地球半径R=6. 4×103km，计算结果保留1位有效数字。 【综合测试】 1、“神舟三号”顺利发射升空后，在离地面340km的圆轨道上运行了108圈。运行中需要多次进行“轨道维持”。所谓“轨道维持”就是通过控制飞船上发动机的点火时间和推力的大小方向，使飞船能保持在预定轨道上稳定运行。如果不进行轨道维持，由于飞船受轨道上稀薄空气的摩擦阻力，轨道高度会逐渐降低，在这种情况下飞船的动能、重力势能和机械能变化情况将会是 A. 动能、重力势能和机械能都逐渐减小 　　B. 重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能不变 　　C. 重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，机械能不变 　　D. 重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能逐渐减小 2、同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星 A. 它可以在地面上任一点的正上方，且离地面高度可任意选择 B. 它可以在地面上任一点的正上方，且离地面的高度一定 C. 它只能在赤道正上方，但离地面高度任意选择 D. 它只能在赤道正上方且离地面高度一定 3、当人造卫星进入轨道做匀速圆周运动后，下列叙述中正确的有 A. 卫星内的一切物体均不再受到支持力作用 B. 卫星内的一切物体仍受重力作用，并可用弹簧秤直接测出所受重力的大小 C. 如果在卫星内将一物体自由释放，则卫星内的观察者便看到物体做自由落体运动 D. 如果在卫星内悬挂一小球，给小球一垂直于悬线的速度后，小球将做匀速圆周运动 4、据观测，某行星外围有一模糊不清的环，为了判断该环是连续物还是卫星群，又测出了环中各层的线速度v的大小与该层至行星中心的距离R，以下判断中正确的是 A. 若v与R成正比，则环是连续物 B. 若v与R成反比，则环是连续物 C. 若v2与R成反比，则环是卫星群 D. 若v2与R成正比，则环是卫星群 5、在圆轨道上运动的质量为m的人造地球卫星，它到地面的距离等于地球半径R，地面上的重力加速度为g，则 A. 卫星运动的速度为 B. 卫星运动的周期为  C. 卫星运动的加速度为 g D. 卫星的动能为 mRg 6、已知地球表面重力加速度为g，地球半径为R，万有引力恒量为G，用以上各量表示地球质量M=__________。 7、两颗人造地球卫星A、B的质量之比m1∶m2=1∶2，它们的轨道半径之比r1∶r2=3∶1，可知这两颗卫星的线速度之比v1∶v2=__________，向心加速度之比a1∶a2=__________，所受向心力之比F1∶F2=__________，周期之比T1∶T2=__________。 8、如图所示，发射同步卫星的一种程序是：先让卫星进入一个近地的圆轨道，然后在P点点火加速，进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P，远地点为同步圆轨道上的Q），到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在P点短时间加速后的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在Q点短时间加速后进入同步轨道后的速率为v4。试比较v1、v2、v3、v4的大小，并用小于号将它们排列起来______。 9、某行星上一昼夜的时间t=6h，在该行星赤道处用弹簧秤测得一物体的重力大小比在该行星两极处小10%，则该行星的平均密度多大？（G取6. 67×10－11N·m2/kg2） 10、一颗在赤道上空飞行的人造地球卫星，其轨道半径为r=3R（R为地球半径），已知地球表面重力加速度为g，则该卫星的运行周期是多大？若卫星的运动方向与地球自转方向相同，已知地球自转角速度为 0，某一时刻该卫星通过赤道上某建筑物的正上方，再经过多少时间它又一次出现在该建筑物正上方？ 11、在月球上以初速度v0自h高处水平抛出的小球，射程可达x远，已知月球半径为R. 如果在月球上发射一颗月球的卫星，它在月球表面附近环绕月球运行的周期是多大？ 12、关于地球同步卫星请回答下列问题： （1）简要说明地球同步卫星为什么只能在赤道平面上绕地球转动？ （2）取地球半径R=6. 4×103km，月球公转周期27天，月球轨道半径为地球半径的60倍，由这些数据估算地球同步卫星离地面的高度. （保留两位有效数字） 【达标测试答案】 1、解析：万有引力提供向心力： 得 得 答案应选C 2、解析：由万有引力提供向心力： 得： 可得 3、解析：由 得： 所以： ，故正确的选项为D。 4、解析：在忽略空气阻力的情形下，上升的高度 与初速度的关系为 ，当以同样的初速度分别竖直上抛一个物体时，高度与加速度成反比。 设月球的质量、半径和表面的重力加速度分别为 、 、 ；地球的质量、半径和表面的重力加速度分别为 、 、 ，由万有引力提供重力得 ， 于是上升的最大高度之比为 5、解析：考查卫星运动的状态分析及基本规律的运用。 由v= 知r减小，v增大。 再由T= ，知T减小。 答案：D 6、解析：题目中将地核的体积和质量联系起来，本身就对解题思路做了明显的提示，即先求地球的密度，再求地核的密度，由于此题是估算，可以利用地球表面的重力加速度与地球的质量、半径的关系求出地球的质量，进而确定地球的密度，由 得地球的平均密度为 ，代入数据得 ，据题设得 ， ，由 得： ，则地核的平均密度为 。 7、解析： ①比较2、3状态，都是绕地球做匀速圆周运动，因为r2