新教材高中物理第4章万有引力定律及航天第2节万有引力定律的应用和第3节人类对太空的不懈探索课件鲁科版必 40页

第 2 节　万有引力定律的应用 第 3 节　人类对太空的不懈探索 核心素养 物理观念 科学探究 科学思维 科学态度与责任 1. 会用万有引力定律计算天体质量，掌握天体质量求解的基本思路。 2. 了解卫星的发射、运行等情况。 3. 知道三个宇宙速度的含义，会计算第一宇宙速度。 4. 了解海王星的发现过程，掌握研究天体 ( 或卫星 ) 运动的基本方法，并能用万有引力定律解决相关问题。 人造卫星的发射过程。 人造卫星的运行规律及其参量的比较。 了解人类探索太空的历史、现状及其未来发展的方向。 知识点一　天体质量的计算 [ 观图助学 ] 以上三图都是称量物体质量的仪器，能过用它们称量地球的质量吗？我们如何 “ 称量 ” 地球的质量？ 1. 天体质量的计算 重力 万有引力 2. 重力与万有引力的关系 物体随地球自转做圆周运动 重力 mg [ 思考判断 ] (1) 在地球表面，物体受到的地球的万有引力就是重力。 ( ) (2) 若已知天体 m 绕天体 M 做圆周运动的周期和轨道半径，可以求出 m 的质量。 ( ) (3) 在地球的两极，物体的重力等于物体受到地球的万有引力。 ( ) × × √ 知识点二　人造卫星与宇宙速度 1. 人造卫星 (1) 牛顿的设想：如图所示，当 足够大时，物体将会围绕地球旋转而不再落回地面，成为一颗绕地球转动的 。 抛出速度 卫星 万有引力 2. 宇宙速度 (1) 第一宇宙速度大小为 ，也叫环绕速度。 (2) 第二宇宙速度大小为 ，也叫脱离速度。 (3) 第三宇宙速度大小为 ，也叫逃逸速度。 [ 思考判断 ] (1) 人造地球卫星的最小运转半径是地球半径。 ( ) (2) 第一宇宙速度是发射地球卫星的最小速度。 ( ) (3) 当发射速度 v ＞ 7.9 km/s 时，卫星将脱离地球的吸引，不再绕地球运动。 ( ) 7.9 km/s 11.2 km/s 16.7 km/s √ √ × 知识点三　预测未知天体　人类对太空的探索 1. 预测未知天体 (1) 海王星的发现 在观测天王星时，发现其实际轨道与万有引力计算的轨道不吻合，并由此预测存在另一行星，这就是后来发现的 。 (2) 意义 巩固了 的地位，展现了科学理论超前的预见性。 海王星 万有引力定律 2. 人类对太空的探索 (1) 两种学说   内容 局限性 地心说 ________ 是宇宙的中心，而且是静止不动的，太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动 都把天体的运动看得很神圣，认为天体的运动必然是最完美、最和谐的 ____________ 运动，而和丹麦天文学家 ________ 的观测数据不符 日心说 ________ 是宇宙的中心，且是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动 地球 太阳 匀速圆周 第谷 (2) 牛顿的大综合 牛顿在前人研究的基础上，逐步建立了 ，是物理学的第一次大综合，形成了以 为基础的力学体系。 [ 思考判断 ] (1) 天王星的计算轨道与实际轨道不符是因为受到的未知天体海王星的影响。 ( ) (2) 对海王星的预测和发现巩固了万有引力定律的地位。 ( ) (3) 太阳是宇宙的中心，且是静止不动的。 ( ) 万有引力定律 牛顿三大运动定律 √ √ × 天体质量和密度的计算 核心要点 [ 要点归纳 ] 1. 天体质量的计算   “ 自力更生法 ” “ 借助外援法 ” 情景 已知天体 ( 如地球 ) 的半径 R 和天体 ( 如地球 ) 表面的重力加速度 g 行星或卫星绕中心天体做匀速圆周运动 2. 天体密度的计算 [ 经典示例 ] [ 例 1] 我国航天技术飞速发展，设想数年后宇航员登上了某星球表面。宇航员从距该星球表面高度为 h 处，沿水平方向以初速度 v 抛出一小球，测得小球做平抛运动的水平距离为 L ，已知该星球的半径为 R ，引力常量为 G 。求： (1) 该星球表面的重力加速度； (2) 该星球的平均密度。 审题提示 　 (1) 应用小球做平抛运动可以求出星球表面的重力加速度。 (2) 在星球的表面重力近似等于万有引力。 方法总结　求解天体质量时应明确的问题 万有引力定律和圆周运动知识的结合，应用牛顿运动定律解决天体问题是非常典型的一种题型。解答此类问题应明确以下三点： (1) 利用天体运动求解天体质量时，只能将被求天体作为中心天体，所研究的环绕天体的运动近似为匀速圆周运动进行求解。 (2) 由于向心力表达式较多，要根据已知条件选择合适的公式求解。 (3) 正确理解向心力表达式中的 r 的含义，它不是环绕天体到中心天体表面的距离，而是环绕天体球心到中心天体球心的距离。 [ 针对训练 1] 未来世界中，在各个星球间进行远航旅行将成为一件小事。某一天，小华驾驶一艘宇宙飞船绕一个不知名的行星表面做匀速圆周运动飞行，飞船只受到该行星引力的作用，已知万有引力常量为 G ，要测定该行星的密度，仅仅只需测出下列哪一个量 ( 　　 ) A. 飞船绕行星运行的周期 B. 飞船运行的轨道半径 C. 飞船运行时的速度大小 D. 该行星的质量 答案 　 A 宇宙速度及其理解 [ 问题探究 ] 如图所示，美国有部电影叫《光速侠》，是说一个叫 Daniel Light 的家伙在一次事故后，发现自己拥有了能以光速奔跑的能力。根据所学物理知识分析，如果 “ 光速侠 ” 要以光速从纽约跑到洛杉矶救人，可能实现吗？ 核心要点 答案 　不可能实现。当人或物体的速度超过第一宇宙速度时，会脱离地球表面，即在地表运动的速度不能超过第一宇宙速度 7.9 km/s 。 [ 探究归纳 ] 1. 三个宇宙速度及其理解   数值 意义 说明 第一宇宙速度 ( 环绕速度 ) 7.9 km/s 发射的人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的最小发射速度 7.9 km/s 是卫星的最小发射速度，也是卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度，发射速度 7.9 km/s ＜ v ＜ 11.2 km/s ，卫星在椭圆轨道上绕地球旋转 第二宇宙速度 ( 脱离速度 ) 11.2 km/s 发射物体挣脱地球引力束缚，离开地球的最小发射速度 当 11.2 km/s ≤ v ＜ 16.7 km/s 时，卫星脱离地球的束缚，成为太阳系的一颗 “ 小行星 ” 第三宇宙速度 ( 逃逸速度 ) 16.7 km/s 发射物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去的最小发射速度 当 v ≥ 16.7 km/s 时，卫星脱离太阳的引力束缚，跑到太阳系以外的宇宙空间中去 2. 第一宇宙速度的理解及计算 (1) 对第一宇宙速度的理解： ①“ 最小发射速度 ” ：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力。近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。 (2) 第一宇宙速度的计算：对于近地人造卫星，轨道半径 r 近似等于地球半径 R ＝ 6 400 km ，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，取 g ＝ 9.8 m/s 2 ，则 [ 经典示例 ] [ 例 2] ( 多选 ) 下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是 ( 　　 ) A. 第一宇宙速度 v 1 ＝ 7.9 km/s ，第二宇宙速度 v 2 ＝ 11.2 km/s ，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于 v 1 ，小于 v 2 B. 美国发射的 “ 凤凰号 ” 火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度 C. 第二宇宙速度是物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造小行星的最小发射速度 D. 第一宇宙速度 7.9 km/s 是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度 答案 　 CD [ 针对训练 2] 已知地球的质量约为火星质量的 10 倍，地球的半径约为火星半径的 2 倍，则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为 ( 　　 ) A.3.5 km/s B.5.0 km/s C.17.7 km/s D.35.2 km/s 答案 　 A [ 问题探究 ] 在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动。请思考： 人造地球卫星的运动规律及应用 核心要点 (1) 这些卫星的运动的向心力都是由什么力提供？这些卫星的轨道平面有什么特点？ (2) 这些卫星的线速度、角速度、周期跟什么因素有关呢？ [ 探究归纳 ] 1. 人造卫星的轨道 ：卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力提供向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道。当然也存在着与赤道平面呈某一角度的圆轨道。 2. 卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系 3. 地球同步卫星 (1) 概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，叫做地球同步卫星。 (2) 特点： ① 确定的转动方向：和地球自转方向一致； ② 确定的周期：和地球自转周期相同，即 T ＝ 24 h ； ③ 确定的角速度：等于地球自转的角速度； ④ 确定的轨道平面：所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合； ⑤ 确定的高度：离地面高度固定不变 (3.6 × 10 4 km) ； ⑥ 确定的环绕速率：线速度大小一定 (3.1 × 10 3 m/s) 。 [ 经典示例 ] [ 例 3] ( 多选 ) 三颗人造地球卫星 A 、 B 、 C 绕地球做匀速圆周运动，如图所示，已知 m A ＝ m B ＜ m C ，则对于三颗卫星，正确的是 ( 　　 ) 答案 　 ABD