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  • 2021-05-27 发布

课标版2021高考物理一轮复习专题五万有引力与航天课件

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考点一    天体的运动 考点清单 一、开普勒行星运动定律 定律 内容 图示 说明 开普勒 第一定 律(轨道 定律) 所有行星绕太阳运动 的轨道都是 椭圆 ,太阳 处在椭圆的一个焦点 上   行星运动的轨道必有 近日点和远日点 开普勒 第二定 律(面积 定律) 对于每一个行星而言, 太阳和行星的连线在 相等的时间内扫过的 面积相等   行星从近日点向远日 点运动时,速率变小; 从 远日点向近日点运动 时,速率变大 考向基础 开普勒 第三定 律(周期 定律) 所有行星的轨道半 长 轴 r 的三次方与其公转 周期 T 的二次方 的比值 都相等,即 r 3 / T 2 = k   比值 k 只与被环绕天体 有关,与行星无关 二、万有引力定律 内容 自然界中任何两个物体都相互 吸引,引力的方向在它们的连线 上,引力的大小 F 与物体的质量 m 1 和 m 2 的乘积成正比,与它们之 间距离 r 的二次方成反比 公式 F = G   ,引力常量 G =6.67 × 10 -11 N·m 2 /kg 2 适用条件 (1) 两质点间的作用 (2) 可视为质点的物体间的作用 (3) 质量分布均匀的球体间的作 用 万有引力的特性 普遍性 任何有质量的客观存在的物体 间都有这种引力 相互性 满足牛顿第三定律 宏观性 通常情况下万有引力非常小,只 有在质量巨大的星体间或其附 近空间才有意义 确定性 两物体间的万有引力只与它们 本身的质量和距离有关,而与物 体所在空间的性质、是否受到 其他外力等无关 三、引力常量 数值 6.67 × 10 -11 N·m 2 /kg 2 测定人 英国物理学家 卡文迪许 物理 意义 数值上等于两个质量都是 1 kg 的物体相距 1 m 时 的相互引力 测定 意义 (1)有力地证明了 万有引力 的存在 (2)使定量计算得以实现 (3)开创了测量弱相互作用的新时代 实验装置   P :石英丝     M :平面镜     O :光源     N :刻度尺     Q :倒立T形架 实验思想 主要思想:放大 (1)利用四个球间引力 (2)利用T形架的转动即利用力矩增大引力的可 观察效果 (3)利用小平面镜对光的反射来增大可测量的扭 转角度 考向一    天体的运动 行星的运行轨道都是椭圆轨道,实际上,行星的轨道与圆十分接近,不管是 椭圆轨道,还是圆周轨道,在计算或比较运行周期时都可采用开普勒第三定 律:   =   。 考向突破 例1 哈雷彗星是人一生中唯一可以裸眼看见两次的彗星,其绕日运行的 周期为 T 年,若测得它在近日点距太阳中心的距离是地球公转轨道半长轴 的 N 倍,则由此估算出哈雷彗星在近日点时受到太阳的引力是在远日点受 太阳引力的   (  ) A. N 2 倍      B.(2   - N ) 2 N -2 倍 C.(2   N -1 -1)倍     D.   N 2 倍 答案    B 解析 设哈雷彗星椭圆轨道长轴的长度为 d ,地球绕日公转轨道半长轴为 R 0 ,由开普勒第三定律有   =   ,又 T 0 =1年,得 d =2   R 0 。哈雷彗星椭圆轨道 近日点离太阳的距离 R 近 = NR 0 ,远日点离太阳的距离 R 远 = d - NR 0 =(2   - N ) R 0 ,根 据万有引力定律 F = G   ,可知在近日点与远日点处受到的万有引力的比 值   =   =(2   - N ) 2 N -2 。 考向二    万有引力定律及其应用 一、对重力的理解 1.地球表面物体的重力与万有引力 地面上的物体所受地球的吸引力产生两个效果,其中一个分力提供了物体 绕地轴做圆周运动的向心力,另一个分力等于重力。(1)在两极,向心力等 于零,重力等于万有引力;(2)除两极外,物体的重力都比万有引力小;(3)在赤 道处,物体的万有引力分解为两个分力( F 向 和 mg ),两分力在一条直线上,有 F = F 向 + mg ,所以 mg = F - F 向 =   - mRω 2 。 2.地球表面附近(脱离地面)物体的重力与万有引力 物体在地球表面附近(脱离地面)绕地球转时,物体所受的重力等于万有引 力,即 mg =   , R 为地球半径, g 为地球表面附近的重力加速度,上式变形得 GM = gR 2 。 3.距地面一定高度处物体的重力与万有引力 物体在距地面一定高度 h 处绕地球转时, mg '=   , R 为地球半径, g '为该 高度处的重力加速度。 4.在匀质球体(质量为 M )内部距离球心 r 处的质点(质量为 m )受到的万有引 力等于球体内半径为 r 的同心球体(质量为 M ')对其的万有引力,即 F = G   , 而   =   ,而该处物体的重力在数值上等于该处的万有引力,则有   = mg ',得   r = mg '。因此球体内距球心 r 处的重力随着 r 的增大成正比增 加。 例2 已知质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为0。假设地球是一半 径为 R 的质量分布均匀的球体,地球表面的重力加速度大小为 g 。试求: (1)在地面上方离地面距离为   处的重力加速度大小与在地面下方地球内 部离地面距离为   处的重力加速度大小之比为多少? (2)设想地球的密度不变,自转周期不变,但地球球体半径变为原来的一半, 仅考虑地球和同步卫星之间的相互作用力,则该“设想地球”的同步卫星 的轨道半径与以前地球的同步卫星的轨道半径的比值是多少? 解析 (1)由万有引力等于重力知   = mg 1   = mg 2 且有   =   =   则   =   (2)地球对同步卫星的万有引力提供同步卫星转动的向心力   = m '   r 1   = m '   r 2 答案 (1)8∶9 (2)   M = ρ ·   π R 3 M 1 = ρ ·   π   解得   =   二、天体的质量、密度 通过观察绕天体做匀速圆周运动的卫星的周期 T 、半径 r ,由万有引力等于 向心力即 G   = m   · r ,得 天体质量 M =   。 (1)若知道天体的半径 R ,则天体的密度 ρ =   =   =   。 (2)若天体的卫星环绕天体表面运动,其轨道半径 r 近似等于天体半径 R ,其 周期为 T ,则天体密度 ρ =   。 例3 随着地球资源的枯竭和空气污染如雾霾的加重,星球移民也许是最 好的方案之一。美国NASA于2016年发现一颗迄今为止与地球最类似的 太阳系外的行星,与地球的相似度为0.98,并且可能拥有大气层和流动的水, 这颗行星距离地球约1400光年,公转周期约为37年,这颗名叫Kepler452b的 行星,它的半径大约是地球的1.6倍,重力加速度与地球的相近。已知地球 的第一宇宙速度为7.9 km/s,则下列说法正确的是   (  ) A.飞船在Kepler452b表面附近运行时的速度小于7.9 km/s B.该行星的质量约为地球质量的1.6倍 C.该行星的平均密度约是地球平均密度的   D.在地球上发射航天器到达该星球,航天器的发射速度至少要达到第三宇 宙速度 答案    CD 解析    飞船在该行星表面附近运行时的速度 v K =   =   >   =7.9 km/s,A项错误。由   = mg ,得 M =   ,则   =   =1.6 2 ,则 M K = 1.6 2 M 地 =2.56 M 地 ,B项错误。由 ρ =   , V =   π R 3 , M =   ,得 ρ =   ,则   =   =   ,C项正确。因为该行星在太阳系之外,则在地球上发射航天器到达该星 球,航天器的发射速度至少要达到第三宇宙速度,D项正确。 考点二    人造卫星、宇宙航行 一、三个宇宙速度   考向基础 二、同步卫星的六个“一定” 考向一    人造卫星 1.卫星的轨道参量随轨道半径变化的规律 考向突破 动力学特征 G   = ma n = m   = mω 2 r = m (   ) 2 r 向心加速度 a n a n = G   ,即 a n ∝   线速度 v v =   ,即 v ∝   角速度 ω ω =   ,即 ω ∝   周期 T T =   ,即 T ∝   2.人造地球卫星的轨道 由于万有引力提供向心力,因此所有人造地球卫星的轨道圆心都在地心 上。 (1)赤道轨道:卫星的轨道在赤道平面内,同步卫星轨道就是其中的一种。 (2)极地轨道:卫星的轨道过南北两极,即在垂直于赤道的平面内,如极地气 象卫星轨道。 (3)其他轨道:除以上两种轨道外的卫星轨道,轨道平面一定通过地球的球 心。 例1    (2017课标Ⅲ,14,6分)2017年4月,我国成功发射的天舟一号货运飞船 与天宫二号空间实验室完成了首次交会对接,对接形成的组合体仍沿天宫 二号原来的轨道(可视为圆轨道)运行。与天宫二号单独运行时相比,组合 体运行的   (  ) A.周期变大  B.速率变大 C.动能变大  D.向心加速度变大 解析 天宫二号单独运行时的轨道半径与组合体运行的轨道半径相同。 由运动周期 T =2π   ,可知周期不变,A项错误。由速率 v =   ,可知速 率不变,B项错误。因为( m 1 + m 2 )> m 1 ,质量增大,故动能增大,C项正确。向心 加速度 a =   不变,D项错误。 答案    C 例2 我国相继完成“神十”与“天宫”对接、“嫦娥”携“玉兔”落月 两大航天工程。某航天爱好者提出“玉兔”回家的设想:如图,将携带“玉 兔”的返回系统由月球表面发射到 h 高度的轨道上,与在该轨道绕月球做 圆周运动的飞船对接,然后由飞船送“玉兔”返回地球。设“玉兔”质量 为 m ,月球半径为 R ,月面的重力加速度为 g 月 。以月面为零势能面,“玉兔” 在 h 高度的引力势能可表示为 E p =   ,其中 G 为引力常量, M 为月球质 量。若忽略月球的自转,从开始发射到对接完成需要对“玉兔”做的功为   (  )   答案    D A.   ( h +2 R )      B.   ( h +   R ) C.          D.     解析 对“玉兔”,由 G   = m   得 v =   ,动能 E k =   mv 2 ,势能 E p =   且 GM = R 2 g 月 ,由功能关系知对“玉兔”做的功 W = E k + E p =     ,故D项正确。 考向二    宇宙航行 卫星变轨问题 卫星绕天体稳定运行时,万有引力提供了卫星做匀速圆周运动的向心力。 由 G   = m   ,得 v =   ,由此可知轨道半径 r (卫星到天体中心的距离)越 大,卫星的速度 v 越小。当卫星由于某种原因速度 v 突然改变时, F 万 和 m   不 再相等,因此就不能再根据 v =   来确定 r 的大小。当 F 万 > m   时,卫星做 “近心”运动;当 F 万 < m   时,卫星做“离心”运动。 例3    (2019安徽淮北宿州一模)2018年12月12日16时39分,“嫦娥四号”探 测器结束地月转移段飞行,按计划顺利完成近月制动,并成功进入100~400 km环月椭圆轨道Ⅱ。其轨道示意图如图,环月轨道Ⅰ为圆形轨道,环月轨 道Ⅱ为椭圆轨道,两轨道在制动点 A 相切。则“嫦娥四号”   (  )   A.由 A 向 B 点运动过程中机械能增大 B.由 A 向 B 点运动过程中速度大小不变 C.从轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需要在 A 点进行点火加速 D.沿轨道Ⅰ运动的周期大于沿轨道Ⅱ运动的周期   解析 “嫦娥四号”在轨道Ⅱ上运动时,只有万有引力做功,故机械能守 恒,故A错误; B 点为近月点,故 B 点的速度大于 A 点的速度,故B错误;从高轨道 Ⅰ进入低轨道Ⅱ需要进行减速,故C错误;根据开普勒行星运动定律知,在轨 道Ⅰ上运行时的半长轴大于在轨道Ⅱ上运行时的半长轴,故在轨道Ⅰ上运 行的周期要大,故D正确。故选D。   答案    D 天体运动中的双星问题处理方法 方法 1 方法技巧 1.宇宙中存在独立的双星系统,它们的共同特点是系统中各星的角速度相 等,各自所需的向心力由彼此间的万有引力提供。 2.宇宙中四分之三以上的星体以双星的形式存在。被相互引力系在一起, 互相绕转的两颗星就叫双星系统。双星是绕公共圆心转动的一对恒星。 如图所示双星系统具有以下几个特点:   m 1 + m 2 =   (1)各自需要的向心力由彼此间的万有引力提供,即   = m 1   r 1 ,   = m 2   r 2 (2)两颗星的周期及角速度都相同,即 T 1 = T 2 , ω 1 = ω 2 (3)两颗星的运动轨道半径与它们之间的距离关系为 r 1 + r 2 = L (4)两颗星到轨道圆心的距离 r 1 、 r 2 与星体质量成反比   =   (5)双星的运动周期 T =2π   (6)双星的总质量 例1 双星系统由两颗恒星组成,两恒星在相互引力的作用下,分别围绕其 连线上的某一点做周期相同的匀速圆周运动。研究发现,双星系统演化过 程中,两星的总质量、距离和周期均可能发生变化。若某双星系统中两星 做圆周运动的周期为 T ,经过一段时间演化后,两星总质量变为原来的 k 倍, 两星之间的距离变为原来的 n 倍,则此时圆周运动的周期为   (  ) A.   T      B.   T      C.   T      D.   T 答案    B 解析 设双星质量各为 m 1 、 m 2 ,相距 L ,做圆周运动的半径分别为 r 1 、 r 2 ,则 G   = m 1   G   = m 2   r 1 + r 2 = L 可得   =   T =   所以 T '=   T 故B正确,A、C、D错误。 随地球转和绕地球转问题的分析 方法 2 同步卫星既是卫星又与地球赤道表面的物体“同步”运动,因此赤道上随 地球自转的物体利用同步卫星这一“中介”可与地球卫星进行比较。 1.轨道半径:近地卫星与赤道上物体的轨道半径相同,同步卫星的轨道半径 较大, r 同 > r 近 = r 物 。 2.运行周期:同步卫星与赤道上物体的运行周期相同。由 T =2π   可知, 近地卫星的周期要小于同步卫星的周期, T 近 < T 同 = T 物 。 3.向心加速度:由 G   = ma 知,同步卫星的向心加速度小于近地卫星的向心 加速度。 由 a = rω 2 = r   知,同步卫星的向心加速度大于赤道上物体的向心加速度, a 近 > a 同 > a 物 。 4.动力学规律:近地卫星和同步卫星都只受到万有引力作用,由万有引力充 当向心力。满足万有引力充当向心力所决定的天体运行规律。赤道上的 物体由万有引力和地面支持力的合力充当向心力(或说成万有引力的分力 充当向心力),它的运动规律不同于卫星的运动规律。 例2 如图,同步卫星与地心的距离为 r ,运行速率为 v 1 ,向心加速度为 a 1 ,地球 赤道上的物体随地球自转的向心加速度为 a 2 。第一宇宙速度为 v 2 ,地球半 径为 R ,则下列比值正确的是   (  )   A.   =        B.   =   C.   =        D.   =   答案    AD 解析 本题中涉及三个物体,其已知量排列如下 地球同步卫星:轨道半径 r ,运行速率 v 1 ,加速度 a 1 地球赤道上的物体:轨道半径 R ,随地球自转的向心加速度 a 2 近地卫星:轨道半径 R ,运行速率 v 2 对于卫星,其共同特点是万有引力提供向心力,有 G   = m   ,故   =   ,故 选项D正确;根据同步卫星的“二重性”,既是卫星又是地球赤道表面的连 续物,故同步卫星和地球赤道上的物体,其共同特点是角速度相等,有 a = ω 2 r , 故   =   ,故选项A正确。 天体中的“追及相遇”问题 方法 3  天体中的“追及相遇”问题 “天体相遇”指两天体相距最近。若两天体的运转轨道在同一平面内,则 两天体与中心天体在同一直线上,且位于中心天体的同侧(或异侧)时相距 最近(或最远)。天体中的“追及相遇”类似于在田径场赛道上的循环长 跑比赛,跑得快的每隔一段时间多跑一圈追上并超过跑得慢的。解决这类 问题有两种常用方法:   1.角度关系 设天体1(离中心天体近些)与天体2(离中心天体远些)某时刻相距最近,如 果经过时间 t ,两天体与中心天体连线转过的角度之差等于2π的整数倍,则 两天体相距最近,即 ω 1 t - ω 2 t =2 n π( n =1,2,3, … )。如果经过时间 t ,两天体与中心 天体连线转过的角度之差等于π的奇数倍,则两天体相距最远,即 ω 1 t - ω 2 t = (2 n -1)π( n =1,2,3, … )。 2.圈数关系 最近:   -   = n ( n =1,2,3, … )。 最远:   -   =   ( n =1,2,3, … )。 例3 太阳系各行星几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动。当 地球恰好运行到某地外行星和太阳之间,且三者几乎排成一条直线的现象, 天文学称为“行星冲日”。据报道,2014年各行星冲日时间分别是:1月6日 木星冲日;4月9日火星冲日;5月11日土星冲日;8月29日海王星冲日;10月8 日天王星冲日。已知地球及各地外行星绕太阳运动的轨道半径如下表所 示,则下列判断正确的是   (  ) A.各地外行星每年都会出现冲日现象 B.在2015年内一定会出现木星冲日 C.天王星相邻两次冲日的时间间隔为土星的一半 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 轨道半径(AU) 1.0 1.5 5.2 9.5 19 30 D.地外行星中,海王星相邻两次冲日的时间间隔最短 解析 设地球和地外行星的公转周期分别为 T 地 和 T 星 ,公转轨道半径分别为 r 地 和 r 星 ,由 G   = m   r 解得 T =2π   ,所以   =   ,结合题给数据得 T 火 ≈ 1.84 T 地 , T 木 ≈ 11.86 T 地 , T 土 ≈ 29.28 T 地 , T 天王 ≈ 82.82 T 地 , T 海王 ≈ 164.32 T 地 。设地 外行星连续两次冲日的时间间隔为 t ,则 ω 地 t - ω 星 t =   t -   t =2π,解得 t =   =   > T 地 =1年,故各地外行星不会每年都出现冲日现象,A项错误; t 木 =   =   ≈ 1.09年,而2014年木星冲日时间为1月6日,下次冲日时 间应为2015年2月,B项正确; t 天王 =   =   年 ≈ 1.01年, t 土 =   =   年 ≈ 1.04年,C项错误;由 t =   知 T 星 越大, t 越小,故D项正确。 答案    BD