【物理】萬有引力與宇宙航行（課件）

第七單元

萬有引力與宇宙航行

講要點(diǎn)三：對天體運(yùn)動的處理方法要點(diǎn)四：萬有引力定律要點(diǎn)六：計(jì)算天體質(zhì)量要點(diǎn)三：對天體運(yùn)動的處理方法要點(diǎn)四：萬有引力定律要點(diǎn)六：計(jì)算天體質(zhì)量1.地心說:地球是宇宙的中心,并且靜止不動,太陽、月亮以及其它行星圍繞地球做圓周運(yùn)動。

代表人物是古希臘科學(xué)家托勒密.2.日心說:太陽是宇宙的中心,并且靜止不動,地球和其它行星都圍繞太陽做圓周運(yùn)動。日心說的代表人物是哥白尼.

1.定律內(nèi)容：第一定律(軌道定律)：所有的行星圍繞太陽運(yùn)動的軌道都是橢圓，太陽處在所有橢圓的一個焦點(diǎn)上.第二定律(面積定律)：從太陽到行星的連線在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積.(1)行星和太陽的連線掃過的面積大的運(yùn)動過程，運(yùn)動時間長。

要點(diǎn)三：對天體運(yùn)動的處理方法由于大多數(shù)行星繞太陽運(yùn)動的軌道與圓十分接近，因此，可以按圓軌道處理，開普勒三定律就可以這樣表述：1.行星繞太陽運(yùn)動的軌道十分接近圓，太陽處在圓心；2.對某一行星來說，它繞太陽做圓周運(yùn)動的角速度(或線速度)不變，即行星做勻速圓周運(yùn)動；

要點(diǎn)四：萬有引力定律一、萬有引力定律的概念

2.萬有引力的特性

(2)相互性：兩個物體間相互作用的引力是一對作用力和反作用力，符合牛頓第三定律.(3)宏觀性：天體間萬有引力很大，它是支配天體運(yùn)動的原因.地面物體間、微觀粒子間的萬有引力很小，不足以影響物體的運(yùn)動，故常忽略不計(jì).3.萬有引力公式的適用條件(1)兩個質(zhì)點(diǎn)間.(2)兩個質(zhì)量分布均勻的球體間，其中r為兩個球心間的距離.(3)一個質(zhì)量分布均勻的球體與球外一個質(zhì)點(diǎn)間，r為球心到質(zhì)點(diǎn)的距離.

(2)引力常量測定的意義卡文迪許利用扭秤裝置通過改變小球的質(zhì)量和距離，得到了G的數(shù)值及驗(yàn)證了萬有引力定律的正確性.引力常量的確定使萬有引力定律能夠進(jìn)行定量的計(jì)算，顯示出真正的實(shí)用價值.二、萬有引力和重力的關(guān)系

要點(diǎn)五：“稱量”地球質(zhì)量1.天體表面物體受引力問題①不考慮自轉(zhuǎn)

要點(diǎn)六：計(jì)算天體質(zhì)量

2.天體密度的計(jì)算方法

要點(diǎn)七：天體運(yùn)動的分析與計(jì)算

要點(diǎn)八：宇宙航行一、人造地球衛(wèi)星的運(yùn)動特點(diǎn)1.所有衛(wèi)星的軌道平面過地心.

二、同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星的特點(diǎn)1.定軌道平面：所有地球同步衛(wèi)星的軌道平面均在赤道平面內(nèi).

三、宇宙速度宇宙速度是地球上滿足不同要求的衛(wèi)星發(fā)射速度.

(2)理解：第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動的最大運(yùn)行速度.

要點(diǎn)九：相對論時空觀與牛頓力學(xué)的局限性一、相對論時空觀1.19世紀(jì),英國物理學(xué)家麥克斯韋根據(jù)電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在,并證明了電磁波的速度等于光速C。

3.狹義相對論的兩個基本假設(shè)①愛因斯坦相對性原理:在不同的參考系中,一切物理規(guī)律都是相同②)光速不變原理:真空中的光速在不同的參考系中都是相同的。

二、牛頓力學(xué)的成就和局限性1.成就:牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律,牛頓運(yùn)動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域,包括天體力學(xué)的研究中接受了實(shí)踐的檢驗(yàn),取得了巨大的成就。2.局限性:牛頓力學(xué)能夠精確的描述宏觀物體的運(yùn)動規(guī)律,但對微觀粒子的波粒二象性無能力,量子力學(xué)能夠正確地描述微觀粒子運(yùn)動的規(guī)律性。3.經(jīng)典力學(xué)適用范圍只能用于宏觀、低速(與光速相比)的情形,且只在慣性參考系中成立。【典例1】提出“日心說”的科學(xué)家是(

)A.第谷

B.牛頓

C.哥白尼【詳解】提出“日心說”的科學(xué)家是哥白尼，C正確。故選C?！套兪?-1、在物理學(xué)建立、發(fā)展的過程中，許多物理學(xué)家的科學(xué)發(fā)現(xiàn)推動了人類歷史的進(jìn)步。關(guān)于科學(xué)家和他們的貢獻(xiàn)，下列說法中正確的是(

)

√

變式1-2、在萬有引力定律理論建立的過程中，有許多偉大的科學(xué)家做出了貢獻(xiàn)。關(guān)于科學(xué)家和他們的貢獻(xiàn)，下列說法中正確的是(

)A.牛頓進(jìn)行了“月一地檢驗(yàn)”，從而測出了地球與月球中心的距離B.牛頓第一、第二、第三定律都可以用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證C.開普勒通過研究行星觀測記錄，得出在相等時間內(nèi)，地球與太陽的連線和火星與太陽的連線掃過的面積相等的結(jié)論D.牛頓在萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程中，用到了“牛頓第二定律”、“力的作用是相互的"等理論作為推理依據(jù)√

【典例2】下列表述符合開普勒行星運(yùn)動定律的是(

)A.地球是宇宙的中心

B.行星繞太陽運(yùn)動的軌道是圓C.行星繞太陽運(yùn)動的軌道是橢圓

D.行星與太陽間距離保持不變【詳解】根據(jù)開普勒第一定律，所有行星繞太陽運(yùn)動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點(diǎn)上，所以行星與太陽的距離會改變。故選C?！套兪?-1、如圖為北半球二十四個節(jié)氣時地球在公轉(zhuǎn)軌道上位置的示意圖，其中冬至?xí)r地球離太陽最近。地球公轉(zhuǎn)線速度最大的節(jié)氣是(

)A.春分

B.夏至

C.秋分

D.冬至【詳解】根據(jù)開普勒第二定律，地球在近日點(diǎn)運(yùn)動速度最大，故地球公轉(zhuǎn)線速度最大的節(jié)氣是冬至。故選D。√

√

【典例3】下列萬有引力公式中，正確的是(

)

√

√

√

√

√

√

√

√

變式5-2、中子星是一種密度很大的特殊天體。若某中子星恰好能維持不解體，其自轉(zhuǎn)的周期為T，已知引力常量為G，則中子星的平均密度為(

)

√

√

√

變式6-2、2022年3月24日，國家航天局發(fā)布了由“天問一號”環(huán)繞器近期拍攝到的巡視區(qū)高分辨率影像，以及“祝融號”火星車自拍照等多張最新火星影像圖，如圖所示。假設(shè)地球和火星均為質(zhì)量分布均

√

【典例7】載人飛船的發(fā)射速度需大于地球的(

)A.第一宇宙速度

B.第二宇宙速度

C.第三宇宙速度【詳解】載人飛船沒有脫離地球的束縛，發(fā)射后成為地球的衛(wèi)星，可知，載人飛船的發(fā)射速度需大于地球的第一宇宙速度。故選A。√變式7-1、美國歷史上最大、最先進(jìn)的火星探測器毅力號于2021年2月19日在火星著陸，隨即送回火星地表的照片，邁出了人類探尋火星上是否存在過生命的任務(wù)的第一步。關(guān)于火星探測衛(wèi)星的發(fā)射速度，下列說法正確的是(

)

√變式7-2、關(guān)于宇宙速度，下列說法正確的是(

)A.同步衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的速度小于第一宇宙速度B.中國空間站繞地球運(yùn)行的速度大于第一宇宙速度C.第二宇宙速度是指飛行器脫離太陽的束縛，飛出太陽系的速度D.第三宇宙速度是指飛行器脫離地球的束縛，繞太陽運(yùn)行的速度√

√

√

√

【典例9】關(guān)于近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、赤道上的物體，以下說法正確的是(

)A.都是萬有引力等于向心力B.赤道上的物體和同步衛(wèi)星的周期、線速度大小、角速度都相等C.赤道上的物體和近地衛(wèi)星的線速度大小、周期都不相同D.同步衛(wèi)星的周期等于近地衛(wèi)星的周期√

√

本題選錯誤的，故選D。

√

√

√

變式10-2、2023年1月9日天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)有史以來距離最近的兩個黑洞，相距750光年，設(shè)質(zhì)量大的為A，質(zhì)量小的為B，它們在彼此之間的引力作用下互相環(huán)繞，周期相等，如圖所示，不考慮其它力對它們的作用，下列說法正確的是(

)A.A、B圓周運(yùn)動半徑之比等于它們質(zhì)量之比B.A、B的速度之比等于它們質(zhì)量之比C.若A、B的間距增大，則周期減小D.若A、B因吞噬物質(zhì)質(zhì)量都增大而其中心間距不變，則它們的角速度增大√

【典例11】在狹義相對論中，下列說法中正確的是(

)A.經(jīng)典物理學(xué)可視為相對論在低速運(yùn)動時的特例B.真空中光速在不同的慣性參考系中是不相同的C.在高速運(yùn)動情況下，慣性參考系中的物理規(guī)律不一定相同D.狹義相對論全面否定了經(jīng)典物理學(xué)√

變式11-1、下列物理情景中，

經(jīng)典的牛頓力學(xué)不再適用的是(

)A.電子以接近光的速度運(yùn)動B.射擊場上，從槍膛射出的子彈C.在武漢大學(xué)校園觀賞櫻花的游客D.體育課上，

被小明同學(xué)拋出的籃球【詳解】經(jīng)典的牛頓力學(xué)適用于宏觀、低速(遠(yuǎn)小于光速)運(yùn)動的物體，可知經(jīng)典的牛頓力學(xué)不再適用的是：電子以接近光