4.2-4.3万有引力定律的应用、人类对太空的不懈探索课件（共32张PPT）高一下学期物理鲁科版（2019）必修第二册

(共32张PPT)
第
节
2、3
万有引力定律的应用
人类对太空的不懈探索
高中物理 必修第二册
第4章
1.理解万有引力与重力的关系。
2.掌握天体质量求解的基本思路。
3.了解卫星的发射、运行等情况。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。
学习目标
思考：万有引力定律如何帮助人们实现“飞天”的梦想？
嫦娥三号奔月
古代 “飞天”传说
梦想
实现
引入
思考：能通过杠杆原理（天平）直接称量地球的质量吗？
阿基米德:“给我一个支点，我可以撬动地球”

卡文迪许被称为能“称出地球质量” 的人。
当时已知：地球的半径；地球表面重力加速度；卡文迪许已测出的引力常量
一、天体质量的计算
1.重力、万有引力和向心力之间的关系
两极:
赤道:
重力和向心力是万有引力的两个分力
（1）静止在地面上的物体，若考虑地球自转的影响
F引
G
F向
F引
F引
G
F向
r
思考： 可以不考虑地球自转的影响么？
结论：
向心力远小于重力，万有引力大小近似等于重力。因此一般粗略计算中不考虑（或忽略）地球自转的影响。
试求：
质量为1kg的物体静止在赤道上时的向心加速度。（已知地球半径=6.×106m)
答案：0.034m/s2
R
M
θ
ω
r
mg
F向
F引
m
（2）静止在地面上的物体，若不考虑地球自转的影响
万有引力全部用来提供向心力
已知 =9.8m/s2，地球的半径=6400km，
万有引力常量=6.67×10-11Nm2/kg2
R
M
θ
ω
r
mg
F引
思考：你还有其他办法测量出地球的质量吗？需要测量那些物理量呢？
根据卫星绕地球做匀速圆周运动
m
方法1、选定一颗绕地球转动的卫星(例如月球），测定卫星的轨道半径和周期。
方法2、若已知卫星绕地球做匀速圆周运动的的轨道半径r和运行的线速度v。
中心天体M
转动天体m
轨道半经r
天体半经R
①将行星（或卫星）的运动看成是匀速圆周运动。
②万有引力充当向心力F引=Fn或在球体表面附近F引=G重
在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想抛出速度很大时，物体就不会落回地面。
牛顿的设想
思考：当物体速度非常大时，物体会怎样运动？
人造卫星
二、人造卫星上天
【方法一】万有引力提供物体作圆周运动的向心力
【方法二】在地面附近，重力提供物体作圆周运动的向心力
那么，抛出速度为多大时，物体将不会落回地面而绕着地球表面运动呢？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2 , 地球质量M=5.98×1024kg, 地球半径R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2 )
说明：
　（１）如果卫星的速度小于第一宇宙速度，卫星将落到地面而不能绕地球运转；
　（２）等于这个速度，卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动；
（环绕速度）
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。
v1=7.9km/s
1、第一宇宙速度
环绕速度：指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度。
发射速度：指卫星进入轨道时的初速度。
注意：7.9km/s是最小的发射速度,最大的环绕速度。
探究: 若卫星的发射速度大于7.9km/s ，会怎样呢？
v=7.9km/s
11.2>v>7.9
v>11.2km/s
使卫星挣脱地球引力的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度。
2、第二宇宙速度
11.2km/s
使卫星挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最小发射速度。
3、第三宇宙速度
=16.7km/s
（脱离速度）
（逃逸速度）
地球
思考：对于绕地球运动的人造卫星：
（1）离地面越高，向心力越_____.
（2）离地面越高，线速度越_____.
（3）离地面越高，周期越_____.
（4）离地面越高，角速度越____.
小
大
小
小
根据人造卫星运行的动力学方程
赤道轨道
其它轨道
极地轨道
所有卫星都在以地心为圆心的圆或椭圆轨道上。
①赤道轨道，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方
②极地轨道，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空
③一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。
人造地球卫星的运行轨道
（1）近地卫星
所有地球卫星运行速度小于7.9km/s、周期大于1.4小时。
近地卫星
地球
地球表面的重力加速度
对卫星：
所以：
特殊卫星的规律
（2）地球同步卫星：位于地面上方高度约36000 km处，周期和地球自转周期相同。其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方向相同。因其相对地面静止，也称静止卫星。
所以 h≈3.6 × 104 km （是定值）
同步卫星
地球
对卫星：
注意：静止卫星的轨道一定，同步卫星轨道必须在赤道上空，且与地球自转方向相同。
（2）周期一定：T=24h=86400s
（3）角速度一定：相对于地面静止。
（4）速率一定
特 点:
“全部确定”
（1）高度一定
1781年，英国天文学家威廉·赫歇尔用望远镜发现了太阳系的第七颗行星——天王星；
1821年，天文学家们发现天王星的实际轨道与由万有引力定律计算出的理论轨道存在较大误差。
万有引力定律是错误的？
三、预测未知天体---海王星的发现
亚当斯与勒维烈预测在天王星附近还有一颗行星。
天王星
？
海王星
1.古希腊人的探索
(1)亚里士多德认为,地球在宇宙的中心静止不动,其他星体绕地球转动,很好地解释了天体升落的现象。
(2)阿波罗尼奥斯认为,行星沿某一圆周运动,该圆周的圆心沿另一圆周绕地球运动。
(3)托勒密提出了地心体系,可以解释已知天体的运动。
四、人类对太空的不懈探索
2.文艺复兴的撞击
(1)哥白尼提出了“日心说”。太阳是宇宙的中心,水星、金星、地球、火星、木星及土星都绕太阳做匀速圆周运动,月球是地球的卫星。
(2)第谷通过观测发现,托勒密与哥白尼的理论计算结果都与观测数据不相符。
(3)开普勒研究了第谷的观测数据,经过多年的埋头计算,先后提出了三大定律。
3.牛顿的大综合
牛顿的万有引力定律是物理学的第一次大综合,它将地上的力学与天上的力学统一起来,形成了以牛顿三大运动定律为基础的力学体系。
4.人类“飞天”梦的实现
(1)1957年10月4日,苏联的人造地球卫星上天,震惊了世界。
(2)我国在1970年发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”,成为世界上第五个发射人造地球卫星的国家。
(3)1961年4月12日,世界上第一艘载人宇宙飞船发射升空,苏联宇航员加加林成功完成了人类第一次环绕地球的飞行。
(4)1969年7月20日,美国的“阿波罗十一号”宇宙飞船将人类送上了月球。当时,上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗。他在月球上迈出的一小步,却是人类迈出的一大步,实现了人类的“飞天”梦。
(5)1971年4月19日,苏联“礼炮一号”空间站成为人类进入太空的第一个空间站。
(6)1971年12月2日,苏联“火星三号”探测器在火星表面着陆。
(7)1981年4月12日,美国的第一架航天飞机“哥伦比亚号”成功发射。目前,科学家正在研究一种新型的航天器——空天飞机。
(8)2003年10月15日,“神舟五号”载人飞船成功发射,中国成为世界上第三个独立掌握载人航天技术的国家。
本课小结
1.(2019全国Ⅲ)金星、地球和火星绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动,它们的向心加速度大小分别为a金、a地、a火,它们沿轨道运行的速率分别为v金、v地、v火。已知它们的轨道半径R金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
当堂检测
2.有一星球的密度与地球的密度相同,但它表面处的重力加速度是地球表面处的重力加速度的4倍,则该星球的质量是地球质量的(　　)
A. B.4倍 C.16倍 D.64倍
D
3. 通过观测冥王星的卫星,可以推算出冥王星的质量。假设卫星绕冥王星做匀速圆周运动,除了引力常量外,至少还需要两个物理量才能计算出冥王星的质量。这两个物理量可以是(　　)
A.卫星的质量和轨道半径
B.卫星的运行周期和角速度
C.卫星的质量和角速度
D.卫星的速度和角速度
D
4.(多选)下列关于三种宇宙速度的说法正确的是(　　)
A.第一宇宙速度v1=7.9 km/s,第二宇宙速度v2=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v1,小于v2
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.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚,成为绕太阳运行的人造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
解析:根据v= 可知,卫星的轨道半径r越大,即距离地面越远,卫
星的环绕速度越小,v1=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,选项D正确;实际上,由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径,故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度,选项A错误;美国发射的凤凰号火星探测卫星,仍在太阳系内,所以其发射速度小于第三宇宙速度,选项B错误;第二宇宙速度是使物体挣脱地球束缚而成为太阳的一颗人造小行星的最小发射速度,选项C正确。
CD