课时17　万有引力理论的成就 复习学案（含答案）2024年江苏省普通高中学业水平合格性物理考试

课时17　万有引力理论的成就
相对论时空观与牛顿力学的局限性
1.人造地球卫星
牛顿在思考万有引力定律时就曾想过，从高山上水平抛出物体，速度一次比一次大，落地点就一次比一次远.如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为　　　　.所有人造地球卫星环绕地球做圆周运动的轨道平面都通过　　　　.地球静止卫星的周期等于地球的　　　　周期，其轨道一定在地球的　　　　上空.
2.宇宙速度
（1）第一宇宙速度：大小为　　　　km/s.
（2）第二宇宙速度：大小为　　　　km/s.
（3）第三宇宙速度：大小为　　　　km/s.
3.牛顿力学的局限性
牛顿力学只适用于　　　　运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于　　　　世界.牛顿力学经历了实验检验，不会被新的科学所否定，它以某种特殊情形被包含在新的理论之中.
1.绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10 km/s.（　　）
2.在地面上发射火星探测器的速度应为11.2 km/s＜v＜16.7 km/s.（　　）
3.由v＝，高轨道卫星运行速度小，故发射高轨道卫星比发射低轨道卫星更容易.（　　）
4.对于宏观物体的低速运动问题，相对论、量子力学与牛顿力学是一致的.（　　）
1.天体运动的物理量与轨道半径的关系
（1）由G＝m得v＝.
（2）由G＝mω2r得ω＝.
（3）由G＝mr得T＝2π.
（4）由G＝ma得a＝.
【例1】（2024届镇江合格性考试模拟）把太阳系中各行星的运动近似看作匀速圆周运动，则离太阳越远的行星（　　）
A.周期越大　　B.线速度越大　　
C.角速度越大　　D.加速度越大
2.宇宙速度
思路一：万有引力提供向心力，由G＝m得v＝.
思路二：重力提供向心力，由mg＝m得v＝.
【例2】（2023届徐州合格性考试模拟）在地面上发射飞行器，如果发射速度大于7.9 km/s而小于11.2 km/s，则它将（　　）
A.绕地球做椭圆运动　　　　　
B.绕地球做圆周运动
C.挣脱地球的束缚绕太阳运动　　
D.挣脱太阳的束缚飞离太阳系
【例3】（2024届南京合格性考试模拟）假设地球质量不变，而地球的半径增大到原来的2倍，那么从地球发射人造卫星的第一宇宙速度的大小应为原来的（　　）
A.　　B.2倍　　C.倍　　D.
3.人造地球卫星
（1）卫星的轨道平面可以在赤道平面内（如同步轨道），可以通过两极上空（极地轨道），也可以和赤道平面成任意角度.
（2）因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球做圆周运动的向心力，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心.
（3）地球静止卫星：
①定周期：所有静止卫星的周期均为T＝24 h.
②定轨道：静止卫星轨道必须在地球赤道的正上方，运转方向必须跟地球自转方向一致，即由西向东.
③定高度：由G＝m（R＋h）可得，静止卫星离地面高度为h＝－R≈3.58×104 km≈6R.
④定速度：由于静止卫星的高度确定，则其轨道半径确定，因此线速度、角速度大小均不变.
⑤定加速度：由于静止卫星的高度确定，则其轨道半径确定，因此向心加速度大小也不变.
【例4】（2024届江苏合格性考试模拟）静止卫星相对于地面静止不动，犹如悬挂在天空中.下列说法正确的是（　　）
A.静止卫星处于平衡状态　　B.静止卫星的速度是不变的
C.静止卫星的高度是一定的　　D.线速度应大于第一宇宙速度
4.牛顿力学的局限性与相对论时空观
（1）牛顿力学适用于低速运动的物体，相对论阐述了物体在以接近光速运动时所遵循的规律.
（2）牛顿力学适用于宏观世界；量子力学能够正确描述微观粒子的运动规律.
【例5】（2024届江苏合格性考试模拟）下列运动不能用牛顿力学解释的是（　　）
A.火箭携带卫星飞向太空　　
B.电子以接近光速运动
C.战斗机从辽宁号航母上起飞　　
D.高铁列车从盐城向北京飞驰
1.（2024届江苏合格性模拟）下列关于物理学家及其贡献的说法正确的是（　　）
A.开普勒在牛顿的观测记录的基础上，研究总结出了行星绕太阳运动的定律
B.牛顿在前人的研究基础上，总结出万有引力定律，并测出了引力常量
C.牛顿运动定律有其局限性，仅适用于解决宏观低速问题
D.爱因斯坦提出的相对论否定了牛顿的万有引力定律
2.（2024届盐城合格性考试模拟）如图所示，在地面附近要发射一颗绕地球运行的卫星，发射速度（　　）
A.v＜7.9 km/s　　B.v＝11.2 km/s
C.7.9 km/s≤v＜11.2 km/s　　D.11.2 km/s≤v＜16.7 km/s
3.（2024届江苏合格性考试模拟）下列说法正确的是（　　）
A.牛顿力学适用于任何情况下的任何物体
B.相对论只适用于高速运动的物体
C.量子力学能够很好地描述微观粒子运动的规律
D.牛顿力学也适用于微观粒子的运动
4.（2024届江苏合格性考试模拟）如图所示的三颗人造地球卫星，下列说法正确的是（　　）
A.卫星可能的轨道为a、b、c
B.卫星可能的轨道为a、b
C.静止卫星可能的轨道为a
D.静止卫星可能的轨道为a、c
5.（2024届江苏合格性考试模拟）2020年12月1日，“嫦娥五号”月球探测器成功在月球正面预选着陆区着陆，在着陆前“嫦娥五号”绕月球的运动可视为匀速圆周运动.若“嫦娥五号”距月球表面的高度为h，月球的质量为m月，半径为R，引力常量为G，则“嫦娥五号”绕月球运动的线速度大小是（　　）
A.　　B.　　C.　　D.
6.（2023届泗阳合格性考试模拟）2021年10月16日“神舟十三号”载人飞船与空间站组合体完成了自主快速交会对接，执行此次航天任务的三名航天员在轨驻留六个月.空间站和静止卫星轨道的示意图如图所示，已知静止卫星的周期为T，地球表面的重力加速度为g，第一宇宙速度为v，下列对空间站的运动描述正确的是（　　）
A.周期大于T　　B.速度大于v
C.角速度小于　　D.加速度小于g
课时17　万有引力理论的成就
相对论时空观与牛顿力学的局限性
【一过考点】
1.人造卫星　地球的球心　自转　赤道
2.（1）7.9　（2）11.2　（3）16.7
3.低速　微观
【二过易错】
1.×　2.√　3.×　4.√
【三过典题】
【例1】A　【解析】由万有引力定律及牛顿第二定律得G＝mr，解得T＝2π，离太阳越远的行星轨道半径r越大，周期T越大，A正确；由牛顿第二定律得G＝m，解得v＝，离太阳越远的行星轨道半径r越大，线速度v越小，B错误；由牛顿第二定律得G＝mω2r，解得ω＝，离太阳越远的行星轨道半径r越大，角速度ω越小，C错误；由牛顿第二定律得G＝ma，解得a＝，离太阳越远的行星轨道半径r越大，加速度a越小，D错误.
【例2】A　【解析】根据万有引力提供向心力，有＝，在半径一定的情况下，速度越大，所需要的向心力越大.如果向心力不足，物体将做离心运动.物体在地球表面轨道上运动时，受到的向心力刚好对应的速度就是7.9 km/s.超过这个速度就要做离心运动.而要完全脱离地球引力，需要的速度为11.2 km/s.所以，当速度在7.9～11.2 km/s之间时，人造卫星既不能保持在地球附近做圆周运动，又无法完全逃离地球，最终轨迹就是一个椭圆，A正确，B、C、D错误.
【例3】D　【解析】由G＝m可得v＝，地球的质量不变，半径增大到原来的2倍，那么从地球发射人造卫星的第一宇宙速度的大小应为原来的，D正确.
【例4】C　【解析】静止卫星受到地球的万有引力提供向心力做匀速圆周运动，加速度不为零，不是处于平衡状态，A错误；静止卫星做匀速圆周运动，速度方向必然改变，B错误；因为静止卫星要和地球自转同步，即ω相同，根据F＝G＝mω2r，ω是一定值，则r也是一定值，所以它运行的轨道半径是确定的值，故静止卫星的高度是不变的，C正确；第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，是圆轨道卫星环绕地球运动的最大速度，所以静止卫星的速度小于第一宇宙速度，D错误.
【例5】B　【解析】牛顿力学的适用范围是宏观、低速、弱引力，故A、C、D选项内容可以用牛顿力学解释，A、C、D错误；电子速度接近光速，属于高速运动，不能用牛顿力学解释，B正确.
【四过集训】
1.C　2.C　3.C　
4.C　【解析】卫星围绕地球做圆周运动，万有引力提供圆周运动的向心力，由于万有引力指向地心，故卫星轨道的圆心为地心.由题图可知，轨道b的平面与地心不共面，故b不可能是地球卫星的轨道，A、B错误；静止卫星与地球自转同步，故其轨道平面与赤道平面重合，轨道c不与赤道共面，不可能是静止卫星轨道.静止卫星可能的轨道为a，C正确，D错误.
5.C　
6.D　【解析】由题图可知，空间站的轨道半径小于静止卫星的轨道半径，所以空间站的周期小于静止卫星的周期T，A错误；空间站的运行速度小于地球的第一宇宙速度v，B错误；空间站的角速度大于静止卫星的角速度，C错误；空间站的加速度小于地球表面的重力加速度g，D正确.