2023屆高一物理必修二學(xué)案-6.3-萬有引力定律

2023屆6.3萬有引力定律學(xué)案（人教版必修2）1．假定維持月球繞地球運(yùn)動(dòng)的力與使得蘋果下落的力真的是同一種力，同樣遵從“____________”的規(guī)律，由于月球軌道半徑約為地球半徑(蘋果到地心的距離)的60倍，所以月球軌道上一個(gè)物體受到的引力是地球上的________倍．根據(jù)牛頓第二定律，物體在月球軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度(月球______________加速度)是它在地面附近下落時(shí)的加速度(____________加速度)的________．根據(jù)牛頓時(shí)代測出的月球公轉(zhuǎn)周期和軌道半徑，檢驗(yàn)的結(jié)果是____________________．2．自然界中任何兩個(gè)物體都____________，引力的方向在它們的連線上，引力的大小與________________________成正比、與__________________________成反比，用公式表示即________________．其中G叫____________，數(shù)值為________________，它是英國物理學(xué)家______________在實(shí)驗(yàn)室利用扭秤實(shí)驗(yàn)測得的．3．萬有引力定律適用于________的相互作用．近似地，用于兩個(gè)物體間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物體本身的大小時(shí)；特殊地，用于兩個(gè)均勻球體，r是________間的距離．4．關(guān)于萬有引力和萬有引力定律的理解正確的是()A．不能看做質(zhì)點(diǎn)的兩物體間不存在相互作用的引力B．只有能看做質(zhì)點(diǎn)的兩物體間的引力才能用F＝eq\f(Gm1m2,r2)計(jì)算C．由F＝eq\f(Gm1m2,r2)知，兩物體間距離r減小時(shí)，它們之間的引力增大D．萬有引力常量的大小首先是由牛頓測出來的，且等于6.67×10－11N·m2/kg25．對(duì)于公式F＝Geq\f(m1m2,r2)理解正確的是()A．m1與m2之間的相互作用力，總是大小相等、方向相反，是一對(duì)平衡力B．m1與m2之間的相互作用力，總是大小相等、方向相反，是一對(duì)作用力與反作用力C．當(dāng)r趨近于零時(shí)，F(xiàn)趨向無窮大D．當(dāng)r趨近于零時(shí)，公式不適用6．要使兩物體間的萬有引力減小到原來的eq\f(1,4)，下列辦法不可采用的是()A．使物體的質(zhì)量各減小一半，距離不變B．使其中一個(gè)物體的質(zhì)量減小到原來的eq\f(1,4)，距離不變C．使兩物體間的距離增為原來的2倍，質(zhì)量不變D．使兩物體間的距離和質(zhì)量都減為原來的eq\f(1,4)【概念規(guī)律練】知識(shí)點(diǎn)一萬有引力定律的理解1．關(guān)于萬有引力定律的適用范圍，下列說法中正確的是()A．只適用于天體，不適用于地面上的物體B．只適用于球形物體，不適用于其他形狀的物體C．只適用于質(zhì)點(diǎn)，不適用于實(shí)際物體D．適用于自然界中任何兩個(gè)物體之間2．兩個(gè)大小相同的實(shí)心小鐵球緊靠在一起，它們之間的萬有引力為F，若兩個(gè)半徑是小鐵球2倍的實(shí)心大鐵球緊靠在一起，則它們之間的萬有引力為()A.eq\f(1,4)F B．4F C.eq\f(1,16)F D．16F3．一名宇航員來到一個(gè)星球上，如果該星球的質(zhì)量是地球質(zhì)量的一半，它的直徑也是地球直徑的一半，那么這名宇航員在該星球上所受的萬有引力大小是它在地球上所受萬有引力的()A．0.25倍B．0.5倍C．2.0倍D．4.0倍知識(shí)點(diǎn)二用萬有引力公式計(jì)算重力加速度4．設(shè)地球表面重力加速度為g0，物體在距離地心4R(R是地球的半徑)處，由于地球的作用而產(chǎn)生的加速度為g，則g/g0為()A．1 B．1/9 C．1/4 D．1/165．假設(shè)火星和地球都是球體，火星質(zhì)量M火和地球質(zhì)量M地之比為eq\f(M火,M地)＝p，火星半徑R火和地球半徑R地之比eq\f(R火,R地)＝q，那么離火星表面R火高處的重力加速度g火h和離地球表面R地高處的重力加速度g地h之比eq\f(g火h,g地h)＝________.【方法技巧練】一、用割補(bǔ)法求解萬有引力的技巧6．有一質(zhì)量為M、圖1半徑為R的密度均勻球體，在距離球心O為2R的地方有一質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)，現(xiàn)在從M中挖去一半徑為eq\f(R,2)的球體，如圖1所示，求剩下部分對(duì)m的萬有引力F為多大？二、萬有引力定律與拋體運(yùn)動(dòng)知識(shí)的綜合7．宇航員在地球表面以一定初速度豎直上拋一小球，經(jīng)過時(shí)間t小球落回原處；若他在某星球表面以相同的初速度豎直上拋同一小球，需經(jīng)過時(shí)間5t小球落回原處．(取地球表面重力加速度g＝10m/s2，空氣阻力不計(jì))(1)求該星球表面附近的重力加速度g′.(2)已知該星球的半徑與地球半徑之比為R星∶R地＝1∶4，求該星球的質(zhì)量與地球質(zhì)量之比M星∶M地．8．宇航員站在某一星球距離表面h高度處，以初速度v0沿水平方向拋出一個(gè)小球，經(jīng)過時(shí)間t后小球落到星球表面，已知該星球的半徑為R，引力常量為G，求：(1)該星球表面重力加速度g的大??；(2)小球落地時(shí)的速度大??；(3)該星球的質(zhì)量．參考答案課前預(yù)習(xí)練1．平方反比eq\f(1,602)公轉(zhuǎn)的向心自由落體eq\f(1,602)遵從相同的規(guī)律2．相互吸引物體的質(zhì)量m1和m2的乘積它們之間距離r的二次方F＝Geq\f(m1m2,r2)引力常量6.67×10－11N·m2/kg2卡文迪許3．質(zhì)點(diǎn)球心4．C[任何物體間都存在相互作用的引力，故稱萬有引力，A錯(cuò)；兩個(gè)質(zhì)量均勻的球體間的萬有引力也能用F＝eq\f(Gm1m2,r2)來計(jì)算，B錯(cuò)；物體間的萬有引力與它們距離r的二次方成反比，故r減小，它們間的引力增大，C對(duì)；引力常量G是由卡文迪許精確測出的，D錯(cuò)．]5．BD[兩物體間的萬有引力是一對(duì)相互作用力，而非平衡力，故A錯(cuò)，B對(duì)；萬有引力公式F＝Geq\f(m1m2,r2)只適用于質(zhì)點(diǎn)間的萬有引力計(jì)算，當(dāng)r→0時(shí)，物體便不能再視為質(zhì)點(diǎn)，公式不適用，故C錯(cuò)，D對(duì)．]6．D課堂探究練1．D2．D[小鐵球間的萬有引力F＝Geq\f(m2,(2r)2)＝eq\f(Gm2,4r2)大鐵球半徑是小鐵球半徑的2倍，其質(zhì)量為小鐵球m＝ρV＝ρ·eq\f(4,3)πr3大鐵球M＝ρV′＝ρ·eq\f(4,3)π(2r)3＝8·ρ·eq\f(4,3)πr3＝8m所以兩個(gè)大鐵球之間的萬有引力F′＝Geq\f(8m·8m,(4r)2)＝16·eq\f(Gm2,4r2)＝16F.]點(diǎn)評(píng)運(yùn)用萬有引力定律時(shí)，要準(zhǔn)確理解萬有引力定律公式中各量的意義并能靈活運(yùn)用．本題通常容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤是考慮兩球球心距離的變化而忽略球體半徑變化而引起的質(zhì)量變化，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤．3．C[由萬有引力定律公式，在地球上引力F＝Geq\f(Mm,R2)，在另一星球上引力F′＝Geq\f(M′m,R′2)＝Geq\f(\f(M,2)m,(\f(R,2))2)＝2Geq\f(Mm,R2)＝2F，故C正確．]點(diǎn)撥利用萬有引力定律分別計(jì)算宇航員在地球表面和星球表面所受到的萬有引力，然后比較即可得到結(jié)果．4．D[地球表面：Geq\f(Mm,R2)＝mg0.離地心4R處：Geq\f(Mm,(4R)2)＝mg由以上兩式得：eq\f(g,g0)＝(eq\f(R,4R))2＝eq\f(1,16).]點(diǎn)評(píng)(1)切記在地球表面的物體與地心的距離為R.(2)物體在離地面h高度處，所受的萬有引力和重力相等，有mg＝eq\f(GMm,(R＋h)2).所以g隨高度的增加而減小，不再等于地面附近的重力加速度．(3)通常情況下，處在地面上的物體，不管這些物體是處于何種狀態(tài)，都可以認(rèn)為萬有引力和重力相等，但有兩種情況必須對(duì)兩者加以區(qū)別：一是從細(xì)微之處分析重力與萬有引力大小的關(guān)系，二是物體離地面高度與地球半徑相比不能忽略的情況．5.eq\f(p,q2)解析距某一星球表面h高處的物體的重力，可認(rèn)為等于星球?qū)υ撐矬w的萬有引力，即mgh＝Geq\f(M星m,(R＋h)2)，解得距星球表面h高處的重力加速度為gh＝Geq\f(M星,(R＋h)2).故距火星表面R火高處的重力加速度為g火h＝Geq\f(M火,(2R火)2)，距地球表面R地高處的重力加速度為g地h＝Geq\f(M地,(2R地)2)，以上兩式相除得eq\f(g火h,g地h)＝eq\f(M火,M地)·eq\f(R\o\al(2,地),R\o\al(2,火))＝eq\f(p,q2).點(diǎn)評(píng)對(duì)于星球表面上空某處的重力加速度gh＝Geq\f(M星,(R＋h)2)，可理解為gh與星球質(zhì)量成正比，與該處到星球球心距離的二次方成反比．6.eq\f(7GMm,36R2)解析一個(gè)質(zhì)量均勻分布的球體與球外的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的萬有引力可以用公式F＝Geq\f(mM,r2)直接進(jìn)行計(jì)算，但當(dāng)球體被挖去一部分后，由于質(zhì)量分布不均勻，萬有引力定律就不再適用．此時(shí)我們可以用“割補(bǔ)法”進(jìn)行求解．設(shè)想將被挖部分重新補(bǔ)回，則完整球體對(duì)質(zhì)點(diǎn)m的萬有引力為F1，可以看做是剩余部分對(duì)質(zhì)點(diǎn)的萬有引力F與被挖小球?qū)|(zhì)點(diǎn)的萬有引力F2的合力，即F1＝F＋F2.設(shè)被挖小球的質(zhì)量為M′，其球心到質(zhì)點(diǎn)間的距離為r′.由題意知M′＝eq\f(M,8)，r′＝eq\f(3R,2)；由萬有引力定律得F1＝Geq\f(Mm,(2R)2)＝eq\f(GMm,4R2)F2＝Geq\f(M′m,r′2)＝Geq\f(\f(M,8)m,(\f(3,2)R)2)＝eq\f(GMm,18R2)故F＝F1－F2＝eq\f(7GMm,36R2).方法總結(jié)本題易錯(cuò)之處為求F時(shí)將球體與質(zhì)點(diǎn)之間的距離d當(dāng)做兩物體間的距離，直接用公式求解．求解時(shí)要注意，挖去球形空穴后的剩余部分已不是一個(gè)均勻球體，不能直接運(yùn)用萬有引力定律公式進(jìn)行計(jì)算，只能用割補(bǔ)法．7．(1)2m/s2(2)1∶80解析(1)依據(jù)豎直上拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，地面上豎直上拋物體落回原地經(jīng)歷的時(shí)間為：t＝eq\f(2v0,g)在該星球表面上豎直上拋的物體落回原地所用時(shí)間為：5t＝eq\f(2v0,g′)所以g′＝eq\f(1,5)g＝2m/s2(2)星球表面物體所受重力等于其所受星體的萬有引力，則有mg＝Geq\f(Mm,R2)所以M＝eq\f(gR2,G)可解得：M星∶M地＝1∶80.8．(1)eq\f(2h,t2)(2)eq\r(v\o\al(2,0)＋\f(4h2,t2))(3)eq\f(2hR2,Gt2)解析(1)由平拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)知，在豎直方向小球做