(共19张PPT)
第1节 行星的运动
学习目标
1.了解人类对行星运动规律的认识历程,了解观察在认识行星运动规律中的作用。
2.初步理解开普勒行星运动定律。
3.体会科学家实事求是、尊重客观事实、不迷信权威、敢于坚持真理和勇于探索的科学态度和科学精神。体会对自然界和谐的追求是科学研究的动力之一。
4.知道开普勒行星运动定律的科学价值。
5.了解开普勒第三定律中k值的大小只与中心天体有关。
自主学习
教材提炼
[知识梳理]
地球
一、地心说与日心说
1.地心说: 是宇宙的中心,是 的,太阳、月亮以及其他行星都绕 运动。
2.日心说: 是静止不动的,地球和其他行星都绕 运动。
静止不动
地球
太阳
太阳
二、开普勒行星运动定律
椭圆
焦点
开普勒行星
运动定律 内容 图示
第一定律 所有行星绕太阳运动的轨道都是 ,太阳处在椭圆的一个 上
相等
公转周期
相等
无关
[练一练]
1.物理学发展历史中,在前人研究基础上经过多年的尝试性计算,首先发表行星运动的三个定律的科学家是( )
A.哥白尼 B.第谷
C.伽利略 D.开普勒
D
解析:哥白尼提出了日心说,第谷对行星进行了大量的观察和记录,开普勒在第谷的观察记录的基础上提出了行星运动的三个定律,选项D正确,A,B,C错误。
2.关于行星运动,下列说法正确的是( )
A.地球是宇宙的中心,太阳、月亮及其他行星都绕地球运动
B.太阳是宇宙的中心,地球是围绕太阳的一颗行星
C.宇宙中任何天体每时每刻都是运动的,“静止”是没有意义的
D.不论是日心说还是地心说,在研究行星运动时都是有局限性的
D
解析:宇宙是一个无限的空间,太阳系只是其中很小的一个星系,太阳和地球都不是宇宙的中心,宇宙中任何天体都在运动,但选择合适参考系,“静止”是有意义的,故选项D正确。
3.关于日心说被人们所接受的原因是( )
A.以地球为中心来研究天体的运动有很多无法解决的问题
B.以太阳为中心来研究天体的运动,许多问题都可以解决,行星运动的描述也变得简单了
C.地球是围绕太阳运转的
D.太阳总是从东边升起,从西边落下
B
解析:日心说的观点主要是以太阳为参考系来研究其他行星的运动,这样其他行星的运动形式变得简单,便于描述和研究.而地心说以地球为参考系,来研究太阳及其他星体的运动,运动形式非常复杂,不便于描述和研究,选项B正确。
4.开普勒分别于1609年和1619年发表了他发现的行星运动规律,后人称之为开普勒行星运动定律。关于开普勒行星运动定律,下列说法正确的是( )
A.所有行星绕太阳运动的轨道都是圆,太阳处在圆心上
B.对任何一颗行星来说,离太阳越近,运行速率就越大
C.在牛顿发现万有引力定律后,开普勒才发现了行星的运行规律
D.开普勒独立完成了观测行星的运行数据、整理观测数据、发现行星运动规律等全部工作
B
解析:根据开普勒第一定律:所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上,所以A错误;根据开普勒第二定律:对任意一颗行星而言,它与太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等,所以对任何一颗行星来说,离太阳越近,运行速率就越大,所以B正确;在开普勒发现了行星的运行规律后,牛顿才发现万有引力定律,故C错误;开普勒整理第谷的观测数据后,发现了行星运动的规律,所以D错误。
5.下列关于行星绕太阳运动的说法中正确的是( )
A.所有行星都在同一椭圆轨道上绕太阳运动
B.行星绕太阳运动时太阳位于行星轨道的中心处
C.离太阳越近的行星的运动周期越长
D.所有行星的轨道半长轴的三次方跟公转周期的二次方成正比
D
要点 关于开普勒定律的理解
课堂探究
[例题] 地球沿近似于圆的椭圆轨道绕太阳运动,其公转周期是365天,关于地球的下列说法正确的是( )
A.绕太阳运动的角速度不变
B.近日点处线速度大于远日点处的线速度
C.远日点处加速度大于近日点处加速度
D.其椭圆轨道半长轴的立方与公转周期的平方之比是一个与地球质量有关的常数
B
思路探究:根据开普勒第二定律可知,做椭圆运动的天体能否是匀速率运动?
答案:由开普勒第二定律可知:行星从近日点向远日点运动时,其速率减小,由远日点向近日点运动时,其速率增大,故做椭圆运动的天体其速率一定是变化的,不可能做匀速率运动。
误区警示
开普勒定律的理解
(1)开普勒第二定律不仅适用于以太阳为中心天体的运动,而且也适用于以地球或其他星体为中心天体的运动。
(2)由开普勒第二定律可知:行星从近日点向远日点运动,其速率减小,而由远日点向近日点运动,其速率增大。
针对训练1:如图所示,地球经过绕太阳公转轨道上的AB,CD两段弧线时所用的时间相等,地球和太阳连线所扫过的面积分别是S1,S2。根据开普勒行星运动规律,下列说法正确的是( )
A.S1>S2
B.S1C.S1=S2
D.S1与S2大小关系不确定
C
解析:开普勒第二定律又叫面积定律,它是针对同一个行星而言的,行星与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等,故A,B,D错误,C
正确。
针对训练2:为了探测引力波,“天琴计划”预计发射地球卫星P,其轨道半径约为地球半径的16倍;另一地球卫星Q的轨道半径约为地球半径的4倍。P与Q的周期之比约为( )
A.2∶1 B.4∶1 C.8∶1 D.16∶1
C
课堂达标
1.地球绕太阳的运行轨道是椭圆,北半球冬至这天地球离太阳最近,夏至这天最远。下列关于地球在这两天绕太阳公转速度大小的说法中,正确的是( )
A.地球公转速度是不变的 B.冬至这天地球公转速度大
C.夏至这天地球公转速度大 D.无法确定
B
解析:北半球冬至这天地球与太阳的连线短,夏至这天长。根据开普勒第二定律,要在相等的时间内扫过的面积相等,则在相等的时间内冬至时地球运动的路径就要比夏至时长,所以冬至时地球公转的速度比夏至时的速度大,故选项B正确。
2.如图所示,某行星沿椭圆轨道运行,远日点离太阳的距离为a,近日点离太阳的距离为b,过远日点时行星的速率为va,过近日点时行星的速率为vb,则( )
A.va=vb B.va>vb
C.vaC
解析:由开普勒第二定律知,太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积,所以远日点速率小。
3.关于行星运动的规律,下列说法符合史实的是( )
A.开普勒在牛顿定律的基础上,导出了行星运动的规律
B.开普勒在天文观测数据的基础上,总结出了行星运动的规律
C.开普勒总结出了行星运动的规律,找出了行星按照这些规律运动的
原因
D.开普勒总结出了行星运动的规律,发现了万有引力定律
B
解析:开普勒在大量研究前人常年观测天文数据的基础上,总结出了行星运动的规律.牛顿发现了万有引力定律,揭示了行星按这些规律运动的原因,选项A,C,D错误,B正确。
4.长期以来“卡戎星(Charon)”被认为是冥王星唯一的卫星,它的公转轨道半径r1=19 600 km,公转周期T1=6.39天。2006年3月,天文学家新发现两颗冥王星的小卫星,其中一颗的公转轨道半径r2=48 000 km,则它的公转周期T2最接近于( )
A.15天 B.25天 C.35天 D.45天
B
(共21张PPT)
第2节 太阳与行星间的引力
学习目标
1.通过对行星运动状态的分析,知道行星绕太阳做圆周运动需要向心力。
2.通过对行星绕太阳做圆周运动的向心力分析,认识太阳对行星有引力
作用。
3.运用牛顿第三定律推知行星对太阳也有引力作用。
4.知道太阳与行星间引力的方向和表达式,知道太阳与行星间引力表达式推导过程中所依据的规律。
5.领会将不易测量的物理量转化为易测量的物理量的方法。
自主学习
教材提炼
[知识梳理]
直线运动
一、牛顿的思考与推论
1.思考:在前人对惯性研究的基础上,牛顿开始思考“物体怎样才会不沿
”的问题,他的回答是:以任何方式改变速度(包括改变速度的方向)都需要 。
2.推论:行星沿圆或椭圆运动,需要指向 或椭圆焦点的力,这个力应该就是 。这种引力存在于所有物体之间,从而阐述了普遍意义下的 。
力
圆心
太阳对它的引力
万有引力定律
正比
二、太阳与行星间的引力
反比
正比
反比
[练一练]
1.关于行星绕太阳运动的原因,下列说法中正确的是( )
A.由于行星做匀速圆周运动,故行星不受任何力的作用
B.由于行星周围存在旋转的物质
C.由于受到太阳的引力
D.除了受到太阳的引力,还必须受到其他力的作用
C
解析:行星绕太阳运动的原因就是太阳对行星的引力提供了行星做圆周运动的向心力,选项C正确。
2.牛顿由下列哪些依据想到太阳与行星间存在有引力( )
①行星绕太阳做的椭圆轨道运动是一种变速运动
②牛顿第二定律
③牛顿第三定律
④开普勒第三定律
A.①③ B.②④
C.②③④ D.①②④
A
解析:牛顿是以物体做曲线运动的条件和牛顿第三定律为依据,猜想到太阳与行星间存在有引力。进而再运用牛顿第二定律和开普勒第三定律推导,得到太阳与行星间引力的大小的有关因素。
A.公式中的G是引力常量,是人为规定的
B.太阳与行星间的引力是一对平衡力
C.公式中的G是比例系数,与太阳、行星都没有关系
D.公式中的G是比例系数,与太阳的质量有关
C
要点一 太阳与行星间的引力
课堂探究
[例1] 若认为行星绕太阳做圆周运动,则关于行星对太阳的引力的说法正确的是( )
A.太阳对行星的引力就是行星运动的动力
B.太阳对行星的引力大小与行星的质量成正比,与行星和太阳间的距离成反比
C.太阳对行星的引力是由实验得出的
D.太阳对行星的引力与行星对太阳的引力大小相等
D
思路探究:(1)行星受到太阳的引力的作用是什么?
(2)太阳对行星的引力公式是通过什么规律推导出来的?
答案:(1)行星受到太阳的引力的作用是提供行星绕太阳做圆周运动的向心力。
(2)太阳对行星的引力公式是在实验的基础上利用开普勒定律和匀速圆周运动的规律推导出来的。
解析:太阳对行星有引力,引力提供行星运动时的向心力,向心力只改变速度方向,不改变速度大小,所以不能称为动力,太阳与行星间存在相互作用力,这两个力大小相等,方向相反。选项D正确。
规律方法
太阳与行星间关系的理解
(1)由力的作用是相互的可知,太阳与行星间的引力具有相互性,满足牛顿第三定律。
(2)太阳对行星的引力的作用是产生重力,同时也可以提供做圆周运动的向心力。
针对训练1:关于太阳对行星的引力,下列说法中正确的是( )
C
要点二 太阳与行星间的引力与行星运动的关系
[例2] 已知太阳光从太阳射到地球需要500 s,地球绕太阳的公转周期约为3.2×107 s,地球的质量约为6×1024 kg。求太阳对地球的引力为多大?
(保留一位有效数字)
思路探究:(1)实际地球绕太阳运转的轨道是圆形还是椭圆?本题将怎样处理?
(2)地球绕太阳运转,什么力提供向心力?
(3)怎样求出地球到太阳的距离?
答案:(1)实际地球绕太阳运转的轨道是椭圆;本题将椭圆轨道看做圆形轨道处理。
(2)地球绕太阳运转,是太阳对地球的引力提供了地球做圆周运动的向心力。
(3)地球到太阳的距离通过太阳光从太阳射到地球需要的时间与光速的乘积来求解。
答案:3×1022 N
规律方法
天体运行问题的分析方法
(1)将天体运动看做匀速圆周运动来处理;
(2)向心力由天体间的引力来提供;
(3)列出做圆周运动向心力的方程即可解决。
针对训练2:物体或卫星受地球的引力与行星受太阳的引力都可以用同样的方法计算分析。地球通信卫星(同步卫星)离地面高度为3.6×107 m,地球半径R=6.4×106 m,则卫星在运行轨道上受到的地球引力是它在地面时所受引力的多少倍?
答案:0.023倍
课堂达标
1.根据牛顿运动定律,地球绕着太阳旋转所需的向心力来自( )
A.地球本身的重力
B.太阳与地球之间的引力
C.太阳与月球吸引地球的力的合力
D.太阳及其他行星对地球引力的合力
B
解析:太阳与行星间有相互作用的引力,正是引力的作用使行星绕太阳运行。
2.陨石落向太阳是因为( )
A.陨石对太阳的吸引力远小于太阳对陨石的吸引力,所以陨石才落向
太阳
B.陨石对太阳的引力和太阳对陨石的引力大小相等,但陨石的质量小,加速度大,所以改变运动方向落向太阳
C.太阳不再吸引陨石,所以陨石落向太阳
D.陨石是因受到其他星球斥力作用落向太阳的
B
解析:两个物体间的引力是一对作用力与反作用力,它们大小相等,且在任何情况下都存在,它们的大小与质量和距离有关,故A,C,D错误,陨石落向太阳是由于陨石的质量和太阳质量相比小得多,故运动状态容易改变且加速度大,B正确。
3.如果地球对地面上物体的引力与太阳对行星的引力表达方式相同,如图所示,P,Q为质量均为m的两个质点,分别置于地球表面上的不同纬度上,如果把地球看成一个均匀球体,P,Q两质点随地球自转做匀速圆周运动,则下列说法正确的是( )
A.P,Q受地球引力大小不相等
B.P,Q做圆周运动的向心力大小相等
C.P,Q做圆周运动的角速度大小相等
D.P所受地球引力大于Q所受地球引力
C
4.在牛顿发现太阳与行星间引力的过程中,得出太阳对行星的引力表达式后推出行星对太阳的引力表达式,这是一个很关键的论证步骤,这一步骤采用的论证方法是( )
A.研究对象的选取 B.理想化过程
C.类比 D.等效
C
(共24张PPT)
第3节 万有引力定律
学习目标
1.了解万有引力定律发现的思路和过程,知道重物下落与天体运动的统
一性。
2.知道万有引力是一种存在于所有物体之间的吸引力。
3.知道万有引力定律公式的适用范围,会用万有引力定律公式解决简单的引力计算问题。
4.了解万有引力定律在科学史上的意义,体会科学规律发现过程中猜想与求证的重要性。
自主学习
教材提炼
[知识梳理]
物体
一、月—地检验
1.目的:验证月球绕地球运动的力与使得苹果下落的力是同一种力,从而将太阳与行星间的引力规律推广到宇宙中的一切物体之间。
二、万有引力定律
1.内容:自然界中任何两个物体都 ,引力的方向在它们的连线上,引力的大小与物体的质量m1和m2的 成正比、与它们之间距离r的 成反比。
相互吸引
乘积
二次方
2.表达式:F= ,式中质量的单位用 kg,距离的单位用m,力的单位用N,G是比例系数,叫做 。
引力常量
3.引力常量
(1)大小:G=6.67×10-11 ,数值上等于两个质量都是1 kg 的质点相距1 m时的相互吸引力的大小。
(2)测定:英国物理学家 在实验室比较准确地测出了G的数值。
N·m2/kg2
卡文迪许
[练一练]
1.牛顿认为任何客观存在的有质量的物体之间都存在着相互吸引的力。每当我们看到潮水滚滚而来的时候,便会惊叹大自然磅礴的力量和微妙的机制。月盈月亏与潮起潮落之间的关系,便是引力作用最直观而生动的演示。关于潮汐现象的形成原因,以下说法中正确的是( )
A.潮汐现象是由于地球和太阳对月球引力共同作用的结果
B.潮汐现象是由于只有月球对地球上的潮水引力作用的结果
C.潮汐现象是由于只有太阳对地球上的潮水引力作用的结果
D.潮汐现象是由于太阳对地球上的潮水引力和月球对地球上的潮水引力共同作用的结果
D
2.苹果落向地球,而不是地球向上运动碰到苹果,这是司空见惯的事。发生这个现象的原因是( )
A.由于苹果质量小,对地球的引力小,而地球质量大,对苹果引力大造
成的
B.由于地球对苹果有引力,而苹果对地球没有引力造成的
C.苹果与地球间的相互作用力是相等的,由于地球质量极大,不可能产生明显加速度
D.以上说法都不对
C
3.(2018·浙江6月学考)2018年6月5日,我国在西昌卫星发射中心成功发射“风云二号H星”。假设该卫星质量为m,在离地面高度为h的轨道上绕地球做匀速圆周运动。已知地球质量为M,半径为R,引力常量为G,则地球对卫星的万有引力大小为( )
D
D
要点一 对万有引力定律的理解
课堂探究
D
思路探究:(1)m1对m2的引力和m2对m1的引力是否是同一性质的力,依据是什么?
答案:(1)根据牛顿第三定律可知,任何物体间的万有引力都是同一性质的力。
(2)公式的适用条件是质点和质量分布均匀的球体。
误区警示
利用万有引力定律解题时应注意的问题
(1)理解万有引力定律的内容和适用范围;
(2)知道万有引力不是特殊的一种力,它同样满足牛顿运动定律;
(3)明确公式中各物理量的含义及公式的使用方法。
针对训练1:在讨论地球潮汐成因时,地球绕太阳运行轨道与月球绕地球运行轨道可视为圆轨道。已知太阳质量约为月球质量的2.7×107倍,地球绕太阳运行的轨道半径约为月球绕地球运行的轨道半径的400倍。关于太阳和月球对地球上相同质量海水的引力,以下说法正确的是( )
A.太阳引力远大于月球引力
B.太阳引力与月球引力相差不大
C.月球对不同区域海水的吸引力大小相等
D.月球对海水的吸引力与潮汐成因无关
A
要点二 万有引力与重力的关系
思路探究:(1)测试仪器受到哪些力的作用?
(2)求出该处的重力加速度,如何求火箭此时离地面的高度?
答案:(1)受重力、支持力两个力的作用。
(2)通过重力等于该处的万有引力求出火箭此时离地面的高度。
规律方法
黄金代换式的应用
针对训练2:一物体静置在平均密度为ρ的球形天体表面的赤道上。已知引力常量为G,若由于天体自转使物体对天体表面压力恰好为零,则天体自转周期为( )
D
课堂达标
1.两个密度均匀的球体,两球心相距r,它们之间的万有引力为10-8 N,若它们的质量、球心间的距离都增加为原来的2倍,则它们间的万有引力为( )
A.10-8 N B.0.25×10-8 N
C.4×10-8 N D.10-4 N
A
A.公式只适用于星球之间的引力计算,不适用于质量较小的物体
B.根据公式,处在球壳中心的质点所受球壳对其的万有引力趋近于无
穷大
C.两物体间的万有引力也符合牛顿第三定律
D.在不同星球上,公式中G的数值不一样
C
3.若飞船质量为m,距地面高度为h,地球质量为M,半径为R,引力常量为G,则飞船所在处的重力加速度大小为( )
B
D
(1)在火星上宇航员所受的重力为多少?
答案:(1)222.2 N
(2)宇航员在地球上可跳1.5 m高,他以相同初速度在火星上可跳多高?
(取地球表面的重力加速度g=10 m/s2)
答案:(2)3.375 m
(共24张PPT)
第4节 万有引力理论的成就
学习目标
1.了解万有引力定律在天文学上的重要应用。
2.了解“称量地球质量”的基本思路。
3.了解计算太阳质量的基本思路,会用万有引力定律计算天体质量。
4.认识万有引力定律的成就,体会科学的迷人魅力。
自主学习
教材提炼
[知识梳理]
自转
1.地球质量的计算
(1)思路:若不考虑地球 ,质量为m的物体在地球表面所受
的重力等于地球对它的万有引力,即mg= 。
2.太阳质量的计算
(1)思路:行星绕太阳做 运动的向心力是由它们之间的 提供的。
匀速圆周
万有引力
周期
行星
二、发现未知天体
1.已发现天体的轨道推算
18世纪,人们观测到太阳系第七颗行星——天王星的运动轨道和用万有引力定律计算出来的轨道有一些偏差。
2.未知天体的发现
根据已发现的天体的运行轨道,结合万有引力定律推算出未知天体的轨道,如海王星就是这样发现的。
[练一练]
1.应用万有引力定律计算天体质量的基本思路之一,是对某运动天体建立所受万有引力等于做圆周运动的向心力的方程,再根据有关的运动参数即可求解,如图所示。对这一思路的理解,以下说法正确的是( )
A.可根据中心天体的有关运动参数求得运动天体的质量m
B.可根据运动天体的有关运动参数求得运动天体的质量m
C.可根据运动天体的有关运动参数求得中心天体的质量M
D.可根据中心天体的有关运动参数求得中心天体的质量M
C
2.有一星球的密度跟地球密度相同,但它表面处的重力加速度是地球上重力加速度的4倍,则该星球的质量是地球质量的( )
B
3.(2018·浙江4月选考)土星最大的卫星叫“泰坦”(如图),每16天绕土星一周,其公转轨道半径约为1.2×106 km。已知引力常量G=6.67×
10-11 N·m2/kg2,则土星的质量约为( )
A.5×1017 kg B.5×1026 kg
C.7×1033 kg D.4×1036 kg
B
C
4.2018年2月,我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J0318+
0253”,其自转周期T=5.19 ms。假设星体为质量均匀分布的球体,已知引力常量为6.67×10-11 N·m2/kg2。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为( )
A.5×109 kg/m3 B.5×1012 kg/m3 C.5×1015 kg/m3 D.5×1018 kg/m3
要点一 计算天体的质量、密度
课堂探究
A
[例1] 英国物理学家卡文迪许测出引力常量G,卡文迪许被人们称为能称出地球质量的人。若已知引力常量G,地球表面处的重力加速度g,地球半径R,地球上一个昼夜的时间T1(地球自转周期),一年的时间T2(地球公转周期),地球中心到月球中心的距离l1,地球中心到太阳中心的距离l2。能计算出( )
思路探究:(1)已知地球半径R,地面重力加速度g,引力常量G,如何求解地球质量?
(2)从题给条件,已知地球围绕太阳做匀速圆周运动的周期和半径,中心天体是太阳,由此如何求出太阳质量?
误区警示
估算天体问题应注意三点
(1)天体质量估算中常有隐含条件,如地球的自转周期为24 h,公转周期为365天等。
(2)注意黄金代换式GM=gR2的应用。
针对训练1:一飞船在某行星表面附近绕该行星飞行,若认为行星是密度均匀的球体,则要确定该行星的密度,只需要测量( )
A.飞船的轨道半径 B.飞船的运行速度
C.飞船的运行周期 D.行星的质量
C
要点二 发现未知天体
C
A.108 m/s2 B.1010 m/s2
C.1012 m/s2 D.1014 m/s2
思路探究:(1)黑洞是怎样形成的?
(2)通过什么方程求黑洞表面重力加速度?
答案:(1)由于星球的密度太大,吸引力大到连光都射不出来,即外界不能观察其“面容”。
规律方法
特殊天体的研究
对于特殊天体,要抓住其特殊性的根本原因,分析向心力的来源,利用其存在的特殊性列出万有引力提供向心力的方程,同时借助黄金代换式解决问题。
A.1∶10 B.1∶1
C.5∶1 D.10∶1
B
课堂达标
1.下列说法正确的是( )
A.海王星和冥王星是人们依据万有引力定律计算出轨道而发现的
B.天王星是人们依据万有引力定律计算出轨道发现的
C.天王星的运行轨道偏离根据万有引力定律计算出来的轨道,其原因是天王星受到轨道内侧其他行星的引力作用
D.以上说法都不对
A
解析:海王星和冥王星都是人们先根据万有引力定律计算出轨道,然后又被天文工作者观察到的。天王星是人们通过望远镜观察发现的。在发现天王星的过程中,天王星的运行轨道偏离根据万有引力定律计算出来的轨道,这引起了人们的思考,推测天王星外面存在其他行星。综上所述,选项A正确。
2.若知道太阳的某一颗行星绕太阳运转的轨道半径为r,周期为T,引力常量为G,则可求得( )
A.该行星的质量 B.太阳的质量
C.该行星的平均密度 D.太阳的平均密度
B
3.设太阳质量为M,某行星绕太阳公转周期为T,轨道可视作半径为r的圆。已知引力常量为G,则描述该行星运动的上述物理量满足( )
A
D
4.天文学家新发现了太阳系外的一颗行星。这颗行星的体积是地球的4.7倍,质量是地球的25倍。已知某一近地卫星绕地球运动的周期约为1.4小时,G=6.67×10-11 N·m2/kg2,由此估算该行星的平均密度约为
( )
A.1.8×103 kg/m3 B.5.6×103 kg/m3
C.1.1×104 kg/m3 D.2.9×104 kg/m3
5.已知太阳光从太阳射到地球需时间t,地球公转轨道可近似看成圆轨道,公转周期为T,地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,试粗略计算太阳质量M与地球质量m之比。(真空中的光速为c)
(共36张PPT)
第5节 宇宙航行
第6节 经典力学的局限性
学习目标
1.了解人造地球卫星的最初构想。
2.会分析人造地球卫星的受力和运动情况。
3.知道三个宇宙速度的含义和数值,会推导第一宇宙速度。
4.会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。
5.了解经典力学的发展历程和伟大成就。
6.认识经典力学的局限性和适用范围。体会科学理论总是在不断发
展的。
自主学习
教材提炼
[知识梳理]
速度
一、人造地球卫星
1.概念
如果 足够大,物体就不再落回地面,它将绕地球运动,成为人造地球卫星。
2.运动规律
一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做 运动。
3.向心力来源
人造地球卫星的向心力由地球对它的 提供。
匀速圆周
万有引力
7.9
地面附近
2.第二宇宙速度:其大小为 km/s,如果物体的速度等于或大于第二宇宙速度,它就会克服地球的引力而永远离开地球。
3.第三宇宙速度:大小为 km/s,如果物体的速度等于或大于第三宇宙速度,它将挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系以外的宇宙空间去。
11.2
16.7
三、梦想成真
1957年10月前苏联成功发射了第一颗人造地球卫星;
1969年7月美国阿波罗11号飞船登上月球;
2003年10月15日我国航天员 踏入太空。
杨利伟
四、经典力学的局限性
1.建立基础
经典力学的基础是 ,牛顿运动定律和万有引力定律在 、低速、弱引力的广阔领域,取得了巨大的成就。
2.从宏观到微观
经典力学的适用范围:只适用于 运动,不适用于 运动;只适用于 世界,不适用于 世界。
牛顿运动定律
宏观
低速
高速
宏观
微观
[练一练]
1.(2018·浙江6月学考)如图所示为1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中牛顿所画草图。他设想在高山上水平抛出物体,若速度一次比一次大,落点就一次比一次远。当速度足够大时,物体就不会落回地面,成为人造地球卫星。若不计空气阻力,这个速度至少为( )
A.7.9 km/s B.8.9 km/s
C.11.2 km/s D.16.7 km/s
A
解析:该速度即为第一宇宙速度,同时是卫星的最小发射速度和最大环绕速度,数值上为7.9 km/s。
2.(2019·浙江1月学考)据报道,2018年12月22日,我国在酒泉卫星发射中心成功发射了“虹云工程技术验证卫星”,卫星环绕地球运动的周期约为1.8 h。与月球相比,该卫星的( )
A.角速度更小 B.环绕速度更小
C.向心加速度更大 D.离地球表面的高度更大
C
3.2013年12月2日发射的“嫦娥三号”探月卫星经几次变轨于14日成功降落在月球表面。关于“嫦娥三号”的说法正确的是( )
A.“嫦娥三号”在地球表面的质量与在月球表面的质量不相等
B.“嫦娥三号”在地球表面受到的重力大小与在月球表面受到的重力大小相等
C.月球对“嫦娥三号”的引力效果是改变它的运动状态
D.“嫦娥三号”绕月球运行时,不再受重力作用
C
解析:“嫦娥三号”的质量在地球表面和月球表面是相等的,A错误。重力是由于地球(或月球)的吸引产生的,重力的大小与物体到地球(或月球)的距离有关,B,D错误。引力的作用效果是改变“嫦娥三号”的运动状态,选项C正确。
C
4.(2019·浙江4月选考)某颗北斗导航卫星属于地球静止轨道卫星(即卫星相对于地面静止)。则此卫星的( )
A.线速度大于第一宇宙速度
B.周期小于同步卫星的周期
C.角速度大于月球绕地球运行的角速度
D.向心加速度大于地面的重力加速度
D
5.关于经典力学和狭义相对论,下列说法中正确的是( )
A.经典力学既适用于低速运动,也适用于高速运动(速度接近于真空中的光速)
B.狭义相对论只适用于高速运动(速度接近于真空中的光速),不适用于低速运动
C.经典力学只适用于高速运动(速度接近于真空中的光速),不适用于低速运动
D.狭义相对论既适用于高速运动(速度接近于真空中的光速),也适用于低速运动
解析:经典力学只适用于低速运动,不适用于高速运动,狭义相对论是普遍适用的,故选项D正确。
要点一 宇宙速度
课堂探究
D
[例1] 恒星演化发展到一定阶段,可能成为恒星世界的“侏儒”——中子星。中子星的半径较小,一般在7～20 km,但它的密度大得惊人。若某中子星的半径为10 km,密度为 1.2×1017 kg/m3,那么该中子星上的第一宇宙速度约为( )
A.7.9 km/s B.16.7 km/s
C.2.9×104 km/s D.5.8×104 km/s
思路探究:(1)中子星的质量M怎样求出?
(2)如何求中子星表面的重力加速度g0?
规律方法
第一宇宙速度的理解与应用
(1)第一宇宙速度又称为环绕速度,是卫星紧贴星球表面运行时的速度,是发射卫星的最小速度,是卫星运行的最大速度。
针对训练1:某人在一星球上以速度v0竖直向上抛出一物体,经时间t后物体落回手中。若星球的半径为R,那么至少要用多大的速度将物体从星球表面抛出,才能使物体不再落回星球表面( )
B
要点二 人造地球卫星的运行规律
C
[例2] 如图所示,a,b,c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星,a,b质量相同,且小于c的质量,则( )
A.b,c周期相等,且小于a的周期
B.b所需向心力最大
C.b,c向心加速度相等,且小于a的向心加速度
D.b,c的线速度大小相等,且大于a的线速度
思路探究:(1)人造地球卫星的向心力由什么力提供?
(2)人造地球卫星运动的周期和线速度与哪些因素有关?
答案:(1)地球的引力。
(2)轨道半径r。
规律方法
卫星模型
卫星的运行量(线速度、加速度、周期等)是由卫星的运行轨道半径决定的,运行轨道半径越大,线速度越小,周期越大,加速度越小。
针对训练2:“北斗”卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星(同步卫星)、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成.地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行,它们距地面的高度分别约为地球半径的6倍和3.4倍.下列说法正确的是( )
A
要点三 卫星变轨问题
B
[例3] 宇宙飞船在轨道上运行,由于地面指挥人员发现某一火箭残体的轨道与飞船轨道有一交点,通知宇航员某一时间飞船有可能与火箭残体相遇。宇航员随即开动飞船上的发动机使飞船加速,脱离原轨道,关于飞船的运动,下列说法正确的是( )
A.飞船高度降低
B.飞船高度升高
C.飞船周期变小
D.飞船的向心加速度变大
思路探究:(1)宇航员随即开动飞船上的发动机使飞船加速,飞船开始做什么运动?
(2)飞船在新的轨道上做圆周运动时,其半径如何变化?随之带来的运行量如何变化?
答案:(1)飞船做离心运动,轨道半径增大。
(2)飞船在半径更大的新的轨道上做圆周运动,由于半径变大,飞船飞行的线速度减小,周期增大,加速度减小。
解析:当宇宙飞船加速时,它所需向心力增大,因此飞船做离心运动,轨道半径增大,由此知选项A错误,B正确;r增大,T增大,a变小,故选项C,D错误。
误区警示
卫星变轨的原因分析
(1)当卫星受到的万有引力不足以提供卫星做圆周运动所需的向心力时,卫星将做离心运动,当卫星受到的万有引力大于做圆周运动所需的向心力时,卫星将进入较低的椭圆轨道上运动,做近心运动。
B
针对训练3:1970年成功发射的“东方红一号”是我国第一颗人造地球卫星,该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运动。如图所示,设卫星在近地点、远地点的速度分别为v1,v2,近地点到地心的距离为r,地球质量为M,引力常量为G。则( )
课堂达标
1.关于宇宙速度的说法,正确的是( )
A.第一宇宙速度是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大速度
B.第一宇宙速度是地球同步卫星的发射速度
C.人造地球卫星运行时的速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间
D.第三宇宙速度是物体逃离地球的最小速度
A
解析:第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度,同时也是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大速度,故选项A正确,B,C错误;第二宇宙速度是物体逃离地球的最小速度,选项D错误。
2.火星探测器在地球上发射后向火星运动,最终绕火星做匀速圆周运动,则其发射速度可以是下列的哪些数据( )
A.等于或小于11.2 km/s
B.一定大于16.7 km/s
C.介于11.2 m/s～16.7 m/s
D.介于11.2 km/s～16.7 km/s
D
解析:火星位于太阳系之内地球之外,因此其发射速度介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之间,故选项D正确。
3.我国高分系列卫星的高分辨对地观察能力不断提高.“高分五号”轨道高度约为705 km,之前已运行的“高分四号”轨道高度约为36 000 km,它们都绕地球做圆周运动.与“高分四号”相比,下列物理量中“高分五号”较小的是( )
A.周期 B.角速度
C.线速度 D.向心加速度
A
A
4.在地球上空有许多用于通讯的地球同步卫星,关于这些同步卫星的下列说法中正确的是( )
A.它们的质量可能不同
B.它们离地心的距离可能不同
C.它们都以第一宇宙速度运行
D.它们中的个别卫星可运行到北京上空
5.火星有两颗卫星,分别记作火卫一和火卫二,它们的轨道近似为圆形。已知火卫一的运行周期为7小时39分,火卫二的运行周期为30小时18分。由此可以判断,这两颗卫星( )
A.火卫一距火星表面较近且线速度较小
B.火卫一距火星表面较近且向心加速度较大
C.火卫二距火星表面较近且线速度较大
D.火卫二距火星表面较近且角速度较小
B
