【物理】萬有引力定律的應(yīng)用、人類對太空的不懈探索課件-2023-2024學年高一下魯科版（2019）必修第二冊

第節(jié)2、3萬有引力定律的應(yīng)用人類對太空的不懈探索高中物理必修第二冊第4章1.理解萬有引力與重力的關(guān)系。2.掌握天體質(zhì)量求解的基本思路。3.了解衛(wèi)星的發(fā)射、運行等情況。知道三個宇宙速度的含義,會計算第一宇宙速度。4.了解海王星的發(fā)現(xiàn)過程,掌握研究天體(或衛(wèi)星)運動的基本方法,并能用萬有引力定律解決相關(guān)問題。學習目標思考：萬有引力定律如何幫助人們實現(xiàn)“飛天”的夢想？嫦娥三號奔月古代“飛天”傳說夢想實現(xiàn)引入思考：能通過杠桿原理（天平）直接稱量地球的質(zhì)量嗎？阿基米德:“給我一個支點，我可以撬動地球”?卡文迪許被稱為能“稱出地球質(zhì)量”的人。

一、天體質(zhì)量的計算1.重力、萬有引力和向心力之間的關(guān)系

重力和向心力是萬有引力的兩個分力（1）靜止在地面上的物體，若考慮地球自轉(zhuǎn)的影響F引GF向F引

F引GF向r

思考：可以不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響么？

結(jié)論：向心力遠小于重力，萬有引力大小近似等于重力。因此一般粗略計算中不考慮（或忽略）地球自轉(zhuǎn)的影響。

RMθωrmgF向F引m（2）靜止在地面上的物體，若不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響萬有引力全部用來提供向心力

RMθωrmgF引思考：你還有其他辦法測量出地球的質(zhì)量嗎？需要測量那些物理量呢？根據(jù)衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動m

方法1、選定一顆繞地球轉(zhuǎn)動的衛(wèi)星(例如月球），測定衛(wèi)星的軌道半徑和周期。

方法2、若已知衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的的軌道半徑r和運行的線速度v。中心天體M轉(zhuǎn)動天體m軌道半經(jīng)r天體半經(jīng)R①將行星（或衛(wèi)星）的運動看成是勻速圓周運動。②萬有引力充當向心力F引=Fn或在球體表面附近F引=G重在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》中，牛頓設(shè)想拋出速度很大時，物體就不會落回地面。牛頓的設(shè)想思考：當物體速度非常大時，物體會怎樣運動？

人造衛(wèi)星二、人造衛(wèi)星上天【方法一】萬有引力提供物體作圓周運動的向心力【方法二】在地面附近，重力提供物體作圓周運動的向心力

那么，拋出速度為多大時，物體將不會落回地面而繞著地球表面運動呢？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2,地球質(zhì)量M=5.98×1024kg,地球半徑R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2)說明：（１）如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運轉(zhuǎn)；（２）等于這個速度，衛(wèi)星剛好能在地球表面附近作勻速圓周運動；（環(huán)繞速度）

物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度，叫做第一宇宙速度。

v1=7.9km/s1、第一宇宙速度環(huán)繞速度：指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動的線速度。發(fā)射速度：指衛(wèi)星進入軌道時的初速度。注意：7.9km/s是最小的發(fā)射速度,最大的環(huán)繞速度。探究:若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于7.9km/s，會怎樣呢？

v=7.9km/s11.2>v>7.9v>11.2km/s

使衛(wèi)星掙脫地球引力的束縛，成為繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度。2、第二宇宙速度

使衛(wèi)星掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外的最小發(fā)射速度。3、第三宇宙速度

（脫離速度）（逃逸速度）地球思考：對于繞地球運動的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越_____.

（2）離地面越高，線速度越_____.（3）離地面越高，周期越_____.（4）離地面越高，角速度越____.小大小小根據(jù)人造衛(wèi)星運行的動力學方程赤道軌道其它軌道極地軌道所有衛(wèi)星都在以地心為圓心的圓或橢圓軌道上。①赤道軌道，衛(wèi)星軌道在赤道平面，衛(wèi)星始終處于赤道上方②極地軌道，衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直，衛(wèi)星通過兩極上空③一般軌道，衛(wèi)星軌道和赤道成一定角度。人造地球衛(wèi)星的運行軌道（1）近地衛(wèi)星

所有地球衛(wèi)星運行速度小于7.9km/s、周期大于1.4小時。近地衛(wèi)星地球

對衛(wèi)星：所以：特殊衛(wèi)星的規(guī)律（2）地球同步衛(wèi)星：位于地面上方高度約36000km處，周期和地球自轉(zhuǎn)周期相同。其中一種的軌道平面與赤道平面成0度角，運動方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同。因其相對地面靜止，也稱靜止衛(wèi)星。所以h≈3.6×104km（是定值）同步衛(wèi)星地球

對衛(wèi)星：注意：靜止衛(wèi)星的軌道一定，同步衛(wèi)星軌道必須在赤道上空，且與地球自轉(zhuǎn)方向相同。（2）周期一定：T=24h=86400s（3）角速度一定：相對于地面靜止。（4）速率一定特點:

（1）高度一定1781年，英國天文學家威廉·赫歇爾用望遠鏡發(fā)現(xiàn)了太陽系的第七顆行星——天王星；1821年，天文學家們發(fā)現(xiàn)天王星的實際軌道與由萬有引力定律計算出的理論軌道存在較大誤差。萬有引力定律是錯誤的？三、預(yù)測未知天體---海王星的發(fā)現(xiàn)亞當斯與勒維烈預(yù)測在天王星附近還有一顆行星。天王星？海王星1.古希臘人的探索(1)亞里士多德認為,地球在宇宙的中心靜止不動,其他星體繞地球轉(zhuǎn)動,很好地解釋了天體升落的現(xiàn)象。(2)阿波羅尼奧斯認為,行星沿某一圓周運動,該圓周的圓心沿另一圓周繞地球運動。(3)托勒密提出了地心體系,可以解釋已知天體的運動。四、人類對太空的不懈探索2.文藝復興的撞擊(1)哥白尼提出了“日心說”。太陽是宇宙的中心,水星、金星、地球、火星、木星及土星都繞太陽做勻速圓周運動,月球是地球的衛(wèi)星。(2)第谷通過觀測發(fā)現(xiàn),托勒密與哥白尼的理論計算結(jié)果都與觀測數(shù)據(jù)不相符。(3)開普勒研究了第谷的觀測數(shù)據(jù),經(jīng)過多年的埋頭計算,先后提出了三大定律。3.牛頓的大綜合牛頓的萬有引力定律是物理學的第一次大綜合,它將地上的力學與天上的力學統(tǒng)一起來,形成了以牛頓三大運動定律為基礎(chǔ)的力學體系。4.人類“飛天”夢的實現(xiàn)(1)1957年10月4日,蘇聯(lián)的人造地球衛(wèi)星上天,震驚了世界。(2)我國在1970年發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”,成為世界上第五個發(fā)射人造地球衛(wèi)星的國家。(3)1961年4月12日,世界上第一艘載人宇宙飛船發(fā)射升空,蘇聯(lián)宇航員加加林成功完成了人類第一次環(huán)繞地球的飛行。(4)1969年7月20日,美國的“阿波羅十一號”宇宙飛船將人類送上了月球。當時,上億人通過電視注視著走出登月艙的阿姆斯特朗。他在月球上邁出的一小步,卻是人類邁出的一大步,實現(xiàn)了人類的“飛天”夢。(5)1971年4月19日,蘇聯(lián)“禮炮一號”空間站成為人類進入太空的第一個空間站。(6)1971年12月2日,蘇聯(lián)“火星三號”探測器在火星表面著陸。(7)1981年4月12日,美國的第一架航天飛機“哥倫比亞號”成功發(fā)射。目前,科學家正在研究一種新型的航天器——空天飛機。(8)2003年10月15日,“神舟五號”載人飛船成功發(fā)射,中國成為世界上第三個獨立掌握載人航天技術(shù)的國家。本課小結(jié)1.(2019全國Ⅲ)金星、地球和火星繞太陽的公轉(zhuǎn)均可視為勻速圓周運動,它們的向心加速度大小分別為a金、a地、a火,它們沿軌道運行的速率分別為v金、v地、v火。已知它們的軌道半徑R金<R地<R火,由此可以判定(

)A.a金>a地>a火 B.a火>a地>a金C.v地>v火>v金 D.v火>v地>v金A當堂檢測2.有一星球的密度與地球的密度相同,但它表面處的重力加速度是地球表面處的重力加速度的4倍,則該星球的質(zhì)量是地球質(zhì)量的(

)A. B.4倍

C.16倍

D.64倍D3.通過觀測冥王星的衛(wèi)星,可以推算出冥王星的質(zhì)量。假設(shè)衛(wèi)星繞冥王星做勻速圓周運動,除了引力常量外,至少還需要兩個物理量才能計算出冥王星的質(zhì)量。這兩個物理量可以是(

)A.衛(wèi)星的質(zhì)量和軌道半徑B.衛(wèi)星的運行周期和角速度C.衛(wèi)星的質(zhì)量和角速度D.衛(wèi)星的速度和角速度D4.(多選)下列關(guān)于三種宇宙速度的說法正確的是(

)A.第一宇宙速度v1=7.9km/s,第二宇宙速度v2=11.2km/s,則人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運行時的速度大于等于v1,小于v2B.美國發(fā)射的鳳凰號火星探測衛(wèi)星,其發(fā)射速度大于第三宇宙速度C.第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛,成為繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最大運行速度解析:根據(jù)v=可知,衛(wèi)星的軌道半徑r越大,即距離地面越遠,衛(wèi)星的環(huán)繞速度越小,v1=7.9

km