高三一輪復(fù)習(xí)-萬有引力定律及其應(yīng)用

1、第五章萬有引力定律第一單元萬有引力定律及其應(yīng)用基礎(chǔ)知識 一.開普勒運動定律(1)開普勒第一定律：所有的行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在所有橢圓的一個焦點上(2)開普勒第二定律：對于每一個行星而言，太陽和行星的連線在相等的時間內(nèi)掃過的面積相等(3)開普勒第三定律：所有行星的軌道的半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等二.萬有引力定律(1)內(nèi)容：宇宙間的一切物體都是互相吸引的，兩個物體間的引力大小，跟它們的質(zhì)量的乘積成正比，跟它們的距離的平方成反比(2)公式：FG,其中，稱為為有引力恒量。(3)適用條件：嚴(yán)格地說公式只適用于質(zhì)點間的相互作用，當(dāng)兩個物體間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物體本身的大小時，

2、公式也可近似使用，但此時r應(yīng)為兩物體重心間的距離對于均勻的球體,r是兩球心間的距離 注意：萬有引力定律把地面上的運動與天體運動統(tǒng)一起來，是自然界中最普遍的規(guī)律之一，式中引力恒量G的物理意義是：G在數(shù)值上等于質(zhì)量均為1千克的兩個質(zhì)點相距1米時相互作用的萬有引力三、萬有引力和重力 重力是萬有引力產(chǎn)生的，由于地球的自轉(zhuǎn)，因而地球表面的物體隨地球自轉(zhuǎn)時需要向心力重力實際上是萬有引力的一個分力另一個分力就是物體隨地球自轉(zhuǎn)時需要的向心力，如圖所示，由于緯度的變化，物體做圓周運動的向心力F向不斷變化，因而表面物體的重力隨緯度的變化而變化，即重力加速度g隨緯度變化而變化，從赤道到兩極逐漸增大通常的計算中因重力

3、和萬有引力相差不大，而認(rèn)為兩者相等，即m2gG, g=GM/r2常用來計算星球表面重力加速度的大小，在地球的同一緯度處，g隨物體離地面高度的增大而減小，即gh=GM/（r+h）2，比較得gh=（）2·g 在赤道處，物體的萬有引力分解為兩個分力F向和m2g剛好在一條直線上，則有 FF向m2g，所以m2g=F一F向Gm2R自2因地球目轉(zhuǎn)角速度很小G» m2R自2,所以m2g= G假設(shè)地球自轉(zhuǎn)加快，即自變大，由m2gGm2R自2知物體的重力將變小，當(dāng)G=m2R自2時，m2g=0，此時地球上物體無重力，但是它要求地球自轉(zhuǎn)的角速度自，比現(xiàn)在地球自轉(zhuǎn)角速度要大得多.四.天體表面重力加速

4、度問題設(shè)天體表面重力加速度為g,天體半徑為R，由mg=得g=,由此推得兩個不同天體表面重力加速度的關(guān)系為五天體質(zhì)量和密度的計算 原理：天體對它的衛(wèi)星（或行星）的引力就是衛(wèi)星繞天體做勻速圓周運動的向心力 G=mr，由此可得：M=；=（R為行星的半徑）由上式可知，只要用實驗方法測出衛(wèi)星做圓周運動的半徑r及運行周期T，就可以算出天體的質(zhì)量M若知道行星的半徑則可得行星的密度規(guī)律方法1、萬有引力定律的基本應(yīng)用【例1】如圖所示，在一個半徑為R、質(zhì)量為M的均勻球體中，緊貼球的邊緣挖去一個半徑為R/2的球形空穴后，對位于球心和空穴中心連線上、與球心相距d的質(zhì)點m的引力是多大？分析 把整個球體對質(zhì)點的引力看成是

5、挖去的小球體和剩余部分對質(zhì)點的引力之和，即可得解解 完整的均質(zhì)球體對球外質(zhì)點m的引力這個引力可以看成是：m挖去球穴后的剩余部分對質(zhì)點的引力F1與半徑為R/2的小球?qū)|(zhì)點的引力F2之和，即F=F1+F2因半徑為R/2的小球質(zhì)量M/為，則所以挖去球穴后的剩余部分對球外質(zhì)點m的引力說明 （1）有部分同學(xué)認(rèn)為，如果先設(shè)法求出挖去球穴后的重心位置，然后把剩余部分的質(zhì)量集中于這個重心上，應(yīng)用萬有引力公式求解這是不正確的萬有引力存在于宇宙間任何兩個物體之間，但計算萬有引力的簡單公式卻只能適用于兩個質(zhì)點或均勻球體，挖去球穴后的剩余部分已不再是均勻球了，不能直接使用這個公式計算引力（2）如果題中的球穴挖在大球的

6、正中央，根據(jù)同樣道理可得剩余部分對球外質(zhì)點m的引力上式表明，一個均質(zhì)球殼對球外質(zhì)點的引力跟把球殼的質(zhì)量（7M/8）集中于球心時對質(zhì)點的引力一樣【例2】某物體在地面上受到的重力為160 N，將它放置在衛(wèi)星中，在衛(wèi)星以加速度a½g隨火箭加速上升的過程中，當(dāng)物體與衛(wèi)星中的支持物的相互壓力為90 N時，求此時衛(wèi)星距地球表面有多遠(yuǎn)？（地球半徑R6.4×103km,g取10m/s2）解析：設(shè)此時火箭上升到離地球表面的高度為h，火箭上物體受到的支持力為N,物體受到的重力為mg/，據(jù)牛頓第二定律Nmg/=ma在h高處mg/ 在地球表面處mg=把代入得 =1.92×104 km.說

7、明:在本問題中，牢記基本思路,一是萬有引力提供向心力，二是重力約等于萬有引力【例3】有人利用安裝在氣球載人艙內(nèi)的單擺來確定氣球的高度。已知該單擺在海平面處的周期是T0。當(dāng)氣球停在某一高度時，測得該單擺周期為T。求該氣球此時離海平面的高度h。把地球看作質(zhì)量均勻分布的半徑為R的球體。解析：根據(jù)單擺周期公式：其中l(wèi)是單擺長度，g0和g分別是兩地點的重力加速度。根據(jù)萬有引力公式得其中G是引力常數(shù)，M是地球質(zhì)量。由以上各式解得【例4】登月火箭關(guān)閉發(fā)動機(jī)在離月球表面112 km的空中沿圓形軌道運動，周期是120.5 min,月球的半徑是1740 km,根據(jù)這組數(shù)據(jù)計算月球的質(zhì)量和平均密度解析：設(shè)月球半徑為

8、R，月球質(zhì)量為M，月球密度為，登月火箭軌道離月球表面為h，運動周期為T，火箭質(zhì)量為m，由GMm/r2=m42r/T2得M=42r3/（GT2），=M/V，其中V=42R3/3，則F向=m2r=m42（R+h）/T2，F(xiàn)引=GMm/（R+h）2，火箭沿軌道運行時有F引=F向，即GMm/（R+h）2= m42（R+h）/T2故M=42（R+h）3/（GT2）2=7.2×1022kg,=3M/4R3=3.26×103kg/m3【例5】已知火星上大氣壓是地球的1/200火星直徑約為球直徑的一半，地球平均密度地=5.5×103kg/m3，火星平均密度火=4×103

9、kg/m3試求火星上大氣質(zhì)量與地球大氣質(zhì)量之比分析 包圍天體的大氣被吸向天體的力就是作用在整個天體表面（把它看成平面時）的大氣壓力利用萬有引力算出火星上和地球上的重力加速度之比，即可算出它們的大氣質(zhì)量之比解 設(shè)火星和地球上的大氣質(zhì)量、重力加速度分別為m火、g火、m地、g地，火星和地球上的大氣壓分別為據(jù)萬有引力公式，火星和地球上的重力加速度分別為綜合上述三式得【例6】一個宇航員在半徑為R的星球上以初速度v0豎直上拋一物體，經(jīng)ts后物體落回宇航員手中為了使沿星球表面拋出的物體不再落回星球表面，拋出時的速度至少為多少？解析：物體拋出后，受恒定的星球引力作用，做勻減速運動，遵循著在地面上豎直上拋時的同

10、樣規(guī)律設(shè)星球?qū)ξ矬w產(chǎn)生的“重力加速度”為gx，則由豎直上拋運動的公式得為使物體拋出后不再落回星球表面，應(yīng)使它所受到的星球引力正好等于物體所需的向心力，即成為衛(wèi)星發(fā)射了出去。，這個速度即是這個星球上發(fā)射衛(wèi)星的第一宇宙速度。【例7】在“勇氣”號火星探測器著陸的最后階段，著陸器降落到火星表面上，再經(jīng)過多次彈跳才停下來。假設(shè)著陸器第一次落到火星表面彈起后，到達(dá)最高點時高度為h，速度方向是水平的，速度大小為v0，求它第二次落到火星表面時速度的大小，計算時不計大氣阻力。已知火星的一個衛(wèi)星的圓軌道半徑為r，周期為T。火星可視為半徑為r0的均勻球體。分析：第一次落到火星表面彈起在豎直方向相當(dāng)于豎直上拋，在最高

11、點由于只有水平速度故將做平拋運動，第二次落到火星表面時速度應(yīng)按平拋處理。無論是豎直上拋還是平拋的計算，均要知道火星表面的重力加速度g/。利用火星的一個衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)可以求出g/。解：設(shè)火星的一個衛(wèi)星質(zhì)量為m，任一物體的質(zhì)量為m/，在火星表面的重力加速度為g/，火星的質(zhì)量為M。任一物體在火星表面有: 火星的衛(wèi)星應(yīng)滿足：第一次落到火星表面彈起在豎直方向滿足：v122g/h第二次落到火星表面時速度應(yīng)按平拋處理：由以上4式可解得2、討論天體運動規(guī)律的基本思路基本方法：把天體的運動看成是勻速圓周運動，其所需向心力由萬有引力提供。【例8】2000年1月26日我國發(fā)射了一顆同步衛(wèi)星，其定點位置與東經(jīng)980的

12、經(jīng)線在同一平面內(nèi)若把甘肅省嘉峪關(guān)處的經(jīng)度和緯度近似為東經(jīng)980和北緯400，已知地球半徑R、地球自轉(zhuǎn)周期T,地球表面重力加速度g（視為常數(shù)）和光速c，試求該同步衛(wèi)星發(fā)出的微波信號傳到嘉峪關(guān)處的接收站所需的時間（要求用題給的已知量的符號表示）解析：設(shè)m為衛(wèi)星質(zhì)量，M為地球質(zhì)量，r為衛(wèi)星到地球中心的距離，為衛(wèi)星繞地心轉(zhuǎn)動的角速度由萬有引力定律和牛頓定律有，式中G為萬有引力恒量，因同步衛(wèi)星繞地心轉(zhuǎn)動的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相等，有=2/T；因，得GM=gR2設(shè)嘉峪關(guān)到同步衛(wèi)星的距離為L，如圖所示，由余弦定律得：所求的時間為tL/c由以上各式得【例9】在天體運動中，將兩顆彼此相距較近的行星稱為雙星。

13、它們在相互的萬有引力作用下間距保持不變，并沿半徑不同的同心圓軌道做勻速圓周運動。如果雙星間距為L，質(zhì)量分別為M1和M2，試計算：（1）雙星的軌道半徑；（2）雙星的運行周期；（3）雙星的線速度。解析：因為雙星受到同樣大小的萬有引力作用，且保持距離不變，繞同一圓心做勻速圓周運動，所以具有周期、頻率和角速度均相同；而軌道半徑、線速度不同的特點。（1）根據(jù)萬有引力定律可得：（2）同理，還有所以，周期為（3）根據(jù)線速度公式，【例10】興趣小組成員共同協(xié)作，完成了下面的兩個實驗：當(dāng)飛船停留在距X星球一定高度的P點時，正對著X星球發(fā)射一個激光脈沖，經(jīng)時間t1后收到反射回來的信號，此時觀察X星球的視角為，如圖

14、所示當(dāng)飛船在X星球表面著陸后，把一個彈射器固定在星球表面上，豎直向上彈射一個小球，經(jīng)測定小球從彈射到落回的時間為t2. 已知用上述彈射器在地球上做同樣實驗時，小球在空中運動的時間為t，又已知地球表面重力加速度為g，萬有引力常量為G，光速為c，地球和X星球的自轉(zhuǎn)以及它們對物體的大氣阻力均可不計，試根據(jù)以上信息，求：（1）X星球的半徑R；（2）X星球的質(zhì)量M；（3）X星球的第一宇宙速度v；PX星球(4)在X星球發(fā)射的衛(wèi)星的最小周期T.解析：（1)由題設(shè)中圖示可知：（R½ct1）sinR，R= (2）在X星球上以v0豎直上拋t2，在地球上以v0豎直上拋：t，又由，（3）mg' (4

15、）當(dāng)v達(dá)第一宇宙速度時，有最小周期T. 【例11】天體運動的演變猜想。在研究宇宙發(fā)展演變的理論中，有一種說法叫做“宇宙膨脹說”，認(rèn)為引力常量在慢慢減小。根據(jù)這種理論，試分析現(xiàn)在太陽系中地球的公轉(zhuǎn)軌道平徑、周期、速率與很久很久以前相比變化的情況。【解析】地球在半徑為R的圓形軌道上以速率v運動的過程中，引力常數(shù)G減小了一個微小量，萬有引力公式。由于太陽質(zhì)量M,地球質(zhì)量m,r均未改變，萬有引力F引必然隨之減小，并小于公轉(zhuǎn)軌道上該點所需的向心力（速度不能突變）。由于慣性，地球?qū)⒆鲭x心運動，即向外偏離太陽，半徑r增大。地球在遠(yuǎn)離太陽的過程中，在太陽引力的作用下引起速率v減小，運轉(zhuǎn)周期增大。由此可以判斷，

16、在很久很久以前，太陽系中地球的公轉(zhuǎn)軌道半徑比現(xiàn)在小，周期比現(xiàn)在小，速率比現(xiàn)在大。 由引力常量G在慢慢減小的前提可以分析出太陽系中地球的公轉(zhuǎn)軌道半徑在慢慢變大，表明宇宙在不斷地膨脹。試題展示1已知太陽到地球與地球到月球的距離的比值約為390，月球繞地球旋轉(zhuǎn)的周期約為27天.利用上述數(shù)據(jù)以及日常的天文知識，可估算出太陽對月球與地球?qū)υ虑虻娜f有引力的比值約為A.0.2 B.2 C.20 D.200答案：B解析：設(shè)太陽質(zhì)量M，地球質(zhì)量m，月球質(zhì)量m0，日地間距離為R，月地間距離為r，日月之間距離近似等于R，地球繞太陽的周期為T約為360天，月球繞地球的周期為t=27天。對地球繞著太陽轉(zhuǎn)動，由萬有引力定

17、律：G=m，同理對月球繞著地球轉(zhuǎn)動：G=m0，則太陽質(zhì)量與地球質(zhì)量之比為M : m=；太陽對月球的萬有引力F= G，地球?qū)υ虑虻娜f有引力f= G，故F : f= ，帶入太陽與地球質(zhì)量比，計算出比值約為2，B對。21990年4月25日，科學(xué)家將哈勃天文望遠(yuǎn)鏡送上距地球表面約600 km的高空，使得 人類對宇宙中星體的觀測與研究有了極大的進(jìn)展。假設(shè)哈勃望遠(yuǎn)鏡沿圓軌道繞地球運行。已知地球半徑為6.4×106m，利用地球同步衛(wèi)星與地球表面的距離為3.6×107m這一事實可得到哈勃望遠(yuǎn)鏡繞地球運行的周期。以下數(shù)據(jù)中最接近其運行周期的是 A0.6小時 B1.6小時 C4.0小時 D24

18、小時答案：B解析：由開普勒行星運動定律可知，恒量，所以，r為地球的半徑，h1、t1、h2、t2分別表示望遠(yuǎn)鏡到地表的距離，望遠(yuǎn)鏡的周期、同步衛(wèi)星距地表的距離、同步衛(wèi)星的周期（24h），代入數(shù)據(jù)得：t1=1.6h3.火星的質(zhì)量和半徑分別約為地球的和，地球表面的重力加速度為g，則火星表面的重力加速度約為A0.2g B0.4g C2.5g D5g答案：B【解析】：考查萬有引力定律。星球表面重力等于萬有引力，G = mg，故火星表面的重力加速度 = = 0.4，故B正確。4假設(shè)太陽系中天體的密度不變，天體直徑和天體之間距離都縮小到原來的一半，地球繞太陽公轉(zhuǎn)近似為勻速圓周運動，則下列物理量變化正確的是B

19、CA地球的向心力變?yōu)榭s小前的一半B地球的向心力變?yōu)榭s小前的C地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期與縮小前的相同D地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期變?yōu)榭s小前的一半5天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了某恒星有一顆行星在圓形軌道上繞其運動，并測出了行星的軌道半徑和運行周期。由此可推算出C A行星的質(zhì)量 B行星的半徑 C恒星的質(zhì)量 D恒星的半徑6據(jù)報道，最近在太陽系外發(fā)現(xiàn)了首顆“宜居”行星，其質(zhì)量約為地球質(zhì)量的6.4倍，一個在地球表面重量為600 N的人在這個行星表面的重量將變?yōu)?60 N，由此可推知該行星的半徑與地球半徑之比約為BA0.5 B2. C3.2 D472007年4月24日，歐洲科學(xué)家宣布在太陽之外發(fā)現(xiàn)了一顆可能適合人類居住的類地行星Gli

20、ese581c。這顆圍繞紅矮星Gliese581運行的星球有類似地球的溫度，表面可能有液態(tài)水存在，距離地球約為20光年，直徑約為地球的1.5倍 ，質(zhì)量約為地球的5倍，繞紅矮星Gliese581運行的周期約為13天。假設(shè)有一艘宇宙飛船飛臨該星球表面附近軌道，下列說法正確是BcA飛船在Gliese581c表面附近運行的周期約為13天B飛船在Gliese581c表面附近運行時的速度大于7.9km/sC人在Gliese581c上所受重力比在地球上所受重力大DGliese581c的平均密度比地球平均密度小8太陽系八大行星公轉(zhuǎn)軌道可近似看作圓軌道，“行星公轉(zhuǎn)周期的平方”與“行星與太陽的平均距離的三次方”成

21、正比。地球與太陽之間平均距離約為1.5億千米，結(jié)合下表可知，火星與太陽之間的平均距離約為B水星金星地球火星木星土星公轉(zhuǎn)周期（年）0.2410.6151.01.8811.8629.5 A1.2億千米 B2.3億千米 C4.6億千米 D6.9億千米9. 已知萬有引力常量G，地球半徑R，月球和地球之間的距離r，同步衛(wèi)星距地面的高度h，月球繞地球的運轉(zhuǎn)周期T1，地球的自轉(zhuǎn)周期T2，地球表面的重力加速度g。某同學(xué)根據(jù)以上條件，提出一種估算地球質(zhì)量M的方法：同步衛(wèi)星繞地球作圓周運動，由得請判斷上面的結(jié)果是否正確，并說明理由。如不正確，請給出正確的解法和結(jié)果。請根據(jù)已知條件再提出兩種估算地球質(zhì)量的方法并解得

22、結(jié)果。（13分）(1)上面結(jié)果是錯誤的，地球的半徑R在計算過程中不能忽略。正確的解法和結(jié)果是：得（2）方法一：對月球繞地球作圓周運動，由得方法二：在地面重力近似等于萬有引力，由得 10天文學(xué)家將相距較近、僅在彼此的引力作用下運行的兩顆恒星稱為雙星。雙星系統(tǒng)在銀河系中很普遍。利用雙星系統(tǒng)中兩顆恒星的運動特征可推算出它們的總質(zhì)量。已知某雙星系統(tǒng)中兩顆恒星圍繞它們連線上的某一固定點分別做勻速圓周運動，周期均為T，兩顆恒星之間的距離為r，試推算這個雙星系統(tǒng)的總質(zhì)量。（引力常量為G）【解析】：設(shè)兩顆恒星的質(zhì)量分別為m1、m2，做圓周運動的半徑分別為r1、r2，角速度分別為1、2。根據(jù)題意有12r1r2r根據(jù)萬有引力定律和牛頓定律，有GG聯(lián)立以上各式解得根據(jù)解速度與周期的關(guān)系知聯(lián)立式解得11宇航員在地球表面以一定初速度豎直上拋一小球