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1、 高一理化生高一理化生 万有引力典万有引力典型题型题(2)“(2)“天上天上”：万有引力提供向心力万有引力提供向心力（1 1）“人间人间”：万有引力万有引力近似近似等于重等于重力力微型问题一、加速度问题微型问题一、加速度问题忽略星球自传，星球表面重力加速度忽略星球自传，星球表面重力加速度忽略星球自传，离星球表面忽略星球自传，离星球表面h高处重力加速度高处重力加速度不同星球表面、不同高度处的重力加速度不同星球表面、不同高度处的重力加速度g不同不同若考虑星球自转，赤道上自转半径最大，若考虑星球自转，赤道上自转半径最大，g最小自转的向心加速最小自转的向心加速度最大度最大 g 由星球本身决定，与其它因
2、素无关由星球本身决定，与其它因素无关.为纬度角为纬度角当当万有引力全部万有引力全部充当充当自转向心力自转向心力时，时，是是飘瓦解飘瓦解的临界状态，而的临界状态，而赤道赤道上上最先最先达到这种状态达到这种状态高频考点典型问题剖析高频考点典型问题剖析：1.飞船以ag/2的加速度匀加速上升，由于超重现象，用弹簧秤测得质量为10 kg的物体重量为75 N由此可知，飞船所处位置距地面高度为多大？(地球半径为6400 km， g10 m/s2) 2.假如地球的自转速度加快，使赤道上的物体完全漂浮起来，（即处于完全失重状态）那么地球自转一周的时间等于 h.（地球半径R=6.4106m,结果取两位有效数字）3
3、.3.中子星是恒星演化过程的一种可能结果。中子星是恒星演化过程的一种可能结果。它的密度很大，现有一中子星，观测到它它的密度很大，现有一中子星，观测到它的自转周期为的自转周期为T=1/30sT=1/30s，问该中子星的最，问该中子星的最小密度应是多少才能维持该星体的稳定，小密度应是多少才能维持该星体的稳定，不致因自转而瓦解？计算时星体可视为均不致因自转而瓦解？计算时星体可视为均匀球体。（匀球体。（G=6.6710G=6.6710-11-11m m3 3/Kgs/Kgs2 2）、中心天体质量的计算中心天体质量的计算（1）若已知卫星绕中心天体做圆周运动的周期）若已知卫星绕中心天体做圆周运动的周期T、
4、半径、半径 r（2）若已知卫星绕中心天体做圆周运动的半径）若已知卫星绕中心天体做圆周运动的半径 r，卫星运，卫星运 行的线速度行的线速度对于有卫星的中心天体，分两种情况对于有卫星的中心天体，分两种情况对无卫星的中心天体或虽有卫星但不知卫星运行的有关数据对无卫星的中心天体或虽有卫星但不知卫星运行的有关数据常常是忽略天体自传影响，认为万有引力等于物体重力常常是忽略天体自传影响，认为万有引力等于物体重力 微型问题二：质量和密度问题微型问题二：质量和密度问题总结求g的方法、 中心天体密度的计算中心天体密度的计算式中式中r为卫星轨道半径，为卫星轨道半径，R为天体半径为天体半径若若卫星绕天体表面飞行卫星绕
5、天体表面飞行，式中，式中r = R，天体密度为天体密度为近地卫星,T=1.4h3.3.宇航员站在一星球表面上的某高宇航员站在一星球表面上的某高处，沿水平方向抛出一小球经时间处，沿水平方向抛出一小球经时间t t，小球落到星球表面，测得抛出，小球落到星球表面，测得抛出点与落地点的距离为点与落地点的距离为L L，若抛出时，若抛出时的初速度增大到的初速度增大到2 2倍，则抛出点与倍，则抛出点与落地点之间的距离为落地点之间的距离为 ，已知两落，已知两落地点在同一平面上，该星球的半径地点在同一平面上，该星球的半径为为R R，万有引力常量为，万有引力常量为G G，求该星球，求该星球的质量的质量M M。4.4
6、.黑洞黑洞”是一个密度极大的星球，从黑洞发出的光是一个密度极大的星球，从黑洞发出的光子，在黑洞的引力作用下，都将被黑洞吸引回去，子，在黑洞的引力作用下，都将被黑洞吸引回去，使光子不能达到地球，因而地球上观察不到这种星使光子不能达到地球，因而地球上观察不到这种星球，因此称之为球，因此称之为“黑洞黑洞”。现有一光子，沿黑洞表。现有一光子，沿黑洞表面出射，恰能沿黑洞做匀速圆周运动，周期为面出射，恰能沿黑洞做匀速圆周运动，周期为T T，则，则此黑洞的平均密度（此黑洞的平均密度（ ）拓展：拓展：宇航员乘飞船靠近某行星表面，能不能只用宇航员乘飞船靠近某行星表面，能不能只用一只表估测该行星的平均密度？一只表
7、估测该行星的平均密度？由由 微型问题三：微型问题三：卫星问题（天上）卫星问题（天上）依据：万有引力提供向心力，那个高度的依据：万有引力提供向心力，那个高度的依据：万有引力提供向心力，那个高度的依据：万有引力提供向心力，那个高度的万有引力万有引力万有引力万有引力就是就是就是就是那那那那个高度的个高度的个高度的个高度的重力重力重力重力5.两颗人造卫星两颗人造卫星A A、B B绕地球作圆周绕地球作圆周运动，周期之比为运动，周期之比为T TA A：T TB B=1=1：8 8，则，则轨道半径之比和运动速率之比分别轨道半径之比和运动速率之比分别为（为（ ）（RA：RB=1：4；VA：VB=2：1）1.卫
8、星的超重与失重卫星的超重与失重 卫星卫星发射发射过程中，卫星上的物体处于过程中，卫星上的物体处于超重超重状态，卫星状态，卫星进入轨道后进入轨道后正常运转时，卫星具有的正常运转时，卫星具有的向心加速度向心加速度等于轨道处等于轨道处的的重力加速度重力加速度g，卫星上的物体卫星上的物体完全失重完全失重，返回时返回时，卫星，卫星减速减速运动，卫星上的物体处运动，卫星上的物体处于于超重超重状态。状态。2.卫星的能量卫星的能量 轨道轨道半径越大半径越大，速度越小速度越小，动能越小动能越小，但，但重力势能越大重力势能越大，且，且总机总机械能也越大械能也越大，也就是轨道半径越大的卫星，运行速度虽小，但，也就是
9、轨道半径越大的卫星，运行速度虽小，但发射发射速度越大。速度越大。3.3.卫星变轨问题卫星变轨问题卫星在卫星在轨道变换轨道变换时，总是主动或由于其他原因时，总是主动或由于其他原因使速度发生变化使速度发生变化，导，导致致万有引力与向心力相等的关系被破坏万有引力与向心力相等的关系被破坏，继而发生，继而发生近心近心运动或者运动或者离离心心运动，发生运动，发生变轨变轨。在变轨过程中，可能出现。在变轨过程中，可能出现万有引力与向心力再万有引力与向心力再次相等次相等，卫星即定位于，卫星即定位于新的轨道新的轨道。卫星的几个注意的问题卫星的几个注意的问题：卫星上的物体卫星上的物体完全失重完全失重当物体的当物体的
10、向心加速度向心加速度等于等于重力加速度重力加速度时，引力方向时，引力方向上物体受的上物体受的弹力等于零弹力等于零，但物体的，但物体的重力并不等于重力并不等于零零；在卫星上或宇宙空间站上人可以做机械运动，；在卫星上或宇宙空间站上人可以做机械运动，但但不能测定物体的重力不能测定物体的重力。下列实验不能做成的有A、天平称物体的质量B、用弹簧秤测物体的重量C、用测力计测力D、用水银气压计测飞船上密闭仓内的气体压强E、用单摆测定重力加速度F、用打点计时器验证机械能守恒定律ABDE 一、运行速度和发射速度的区别一、运行速度和发射速度的区别运行速度运行速度是指人造地球卫星在轨道上运动的速度。是指人造地球卫星
11、在轨道上运动的速度。发射速度发射速度指指将卫星送到离地球较远的轨道上，在地面发射卫星时需要一次将卫星送到离地球较远的轨道上，在地面发射卫星时需要一次性所达到的速度，发射速度是以地心为参考系，在地球的赤道性所达到的速度，发射速度是以地心为参考系，在地球的赤道上，沿地球自转的方向发射卫星最节能。由于卫星发射后，克上，沿地球自转的方向发射卫星最节能。由于卫星发射后，克服地球引力做功，速度不断减小，到预定轨道上时，其运行速服地球引力做功，速度不断减小，到预定轨道上时，其运行速度必然小于发射速度。度必然小于发射速度。二、人造卫星的能量为运行的动能和引力势能之和二、人造卫星的能量为运行的动能和引力势能之和
12、可见，卫星运行半径越大，运行速度越小，动能越小；引力势能越大，总可见，卫星运行半径越大，运行速度越小，动能越小；引力势能越大，总能量越大，故发射起来越难，发射速度要求越大。能量越大，故发射起来越难，发射速度要求越大。卫星绕天体运行时，提供的向心力与所需要的向卫星绕天体运行时，提供的向心力与所需要的向心力关系决定着卫星变轨问题心力关系决定着卫星变轨问题卫星做圆周运动卫星做圆周运动提供的向心力提供的向心力需要的向心力需要的向心力rv 2mGMmr 2=卫星做近心运动卫星做近心运动提供的向心力提供的向心力需要的向心力需要的向心力rv 2mGMmr 2卫星做离心运动卫星做离心运动提供的向心力提供的向心
13、力需要的向心力需要的向心力rv 2mGMmr 2vv 卫星变轨卫星变轨卫星变轨卫星变轨 【卫星如何变轨】【卫星如何变轨】以发射同步卫星为例，先进入一个近地的圆轨道，然后在v2点火加速，进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点在近地圆轨道上，远地点在同步轨道上），到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。v1v2v3v4v2v1v4v3v1v4v2v1v4v3【分析思路】【分析思路】定态运行：定态运行：定态运行：定态运行： 看公式看公式看公式看公式动态变轨动态变轨动态变轨动态变轨：析供需析供需析供需析供需6、如图所示，发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆、如图所示，发射地球同步卫星时，先将卫
14、星发射至近地圆轨道轨道1，然后使其在椭圆轨道，然后使其在椭圆轨道2上运行，最后再将卫星送入同步上运行，最后再将卫星送入同步轨道轨道3，轨道，轨道1、2相切于相切于A点，轨道点，轨道2、3相切于相切于B点，为使卫星点，为使卫星进入同步轨道进入同步轨道3，下列说法正确的是，下列说法正确的是A. 在在A点点火使卫星加速，可实现卫星由轨道点点火使卫星加速，可实现卫星由轨道1进入轨道进入轨道2B. 在在A点点火使卫星减速，可实现卫星由轨道点点火使卫星减速，可实现卫星由轨道1进入轨道进入轨道2C. 卫星在轨道卫星在轨道2上运行的周期小于在轨道上运行的周期小于在轨道3上运行的周期上运行的周期D. 卫星在轨道
15、卫星在轨道2上经过上经过B点时的加速度大于在轨道点时的加速度大于在轨道3经过经过B点时点时 的加速度的加速度1AB23D 应相等应相等在在A点点加速加速可使提供的向心力可使提供的向心力小于所需的向心力小于所需的向心力卫星做卫星做离心离心运动运动rv 2mGMmr 2选选A圈小速度圈小速度快，选快，选Cvv 卫星变轨卫星变轨卫星变轨卫星变轨 7.如图所示，宇宙飞船B在低轨道飞行，为了给更高轨道的空间站A输送物资，它可以采用喷气的方法改变速度，从而达到改变轨道的目的，以下说法正确的是()A、它应沿运行方向方向喷气，与A对接后周期变小B、它应沿运行速度反方向喷气，与A对接后周期变大C、它应沿运行方向
16、方向喷气，与A对接后周期变大D、它应沿运行速度反方向喷气，与A对接后周期变小vv 卫星变轨卫星变轨卫星变轨卫星变轨 8.宇宙飞船要与轨道空间站对接，飞船为了追上轨道空间站()A、只能从较低轨道上加速B、只能从较高轨道上加速C、只能从同空间站同一高度轨道上加速D、无论在什么轨道上加速都行。vv 卫星变轨卫星变轨卫星变轨卫星变轨 9.如图所示，a、b、c是在地球大气层外圆形轨道上运行的3颗人造卫星，下列说法正确的是：Ab、c的线速度大小相等，且大于a的线速度Bb、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度Cc加速可追上同一轨道上的b，b减速可等到同一轨道上的cDa卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减
17、小，其线速度将变小地球地球acb卫星的轨道平面卫星作圆周运动的向心力是万有引力提供的，万有引力指向地心，所以地心就是卫星作圆周运动的圆心1、第一宇宙速度第一宇宙速度（环绕速度环绕速度） 物理模型：近地卫星物理模型：近地卫星物理意义：第一宇宙速度是人造卫星的物理意义：第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度最小发射速度（以地心（以地心为参考系），也是人造卫星为参考系），也是人造卫星最大环绕速度最大环绕速度。第一宇宙速度由中。第一宇宙速度由中心天体本身的性质（质量和半径）决定。心天体本身的性质（质量和半径）决定。求解方法求解方法1：据万有引力提供向心力的基本方程：据万有引力提供向心力的基本方程求解方法
18、求解方法2：据：据“黄金代换黄金代换”涉及到地球质量时，通常用方法涉及到地球质量时，通常用方法1求第一宇宙速度求第一宇宙速度.注注 * * 任何一个星球都有自己的第一宇宙速度任何一个星球都有自己的第一宇宙速度联立联立解出解出如果涉及到星球表面的重力加速度，通常用方法如果涉及到星球表面的重力加速度，通常用方法2求第一宇宙速度，求第一宇宙速度，而重力加速度有时需要根据物体在星球表面重力场中的运动来求解而重力加速度有时需要根据物体在星球表面重力场中的运动来求解 三种宇宙速度三种宇宙速度2、第二宇宙速度（第二宇宙速度（脱离速度）脱离速度） 挣脱地球引力束缚的最小发射速度挣脱地球引力束缚的最小发射速度3
19、、第三宇宙速度（第三宇宙速度（逃逸速度）逃逸速度） 挣脱太阳引力束缚的最小发射速度挣脱太阳引力束缚的最小发射速度vIII = 16.7 m/s确定周期（频率、转速确定周期（频率、转速）（与地球自转的周期（与地球自转的周期相同，即相同，即T=24h）确定高度确定高度（到地面的距离相同，即（到地面的距离相同，即h=3.6107m）1.特点特点( (轨道平面与赤道面重合轨道平面与赤道面重合) )确定在赤道的正上方某点确定在赤道的正上方某点（相对于地球静止）。（相对于地球静止）。确定线速度大小确定线速度大小（即（即V=3.1 103m/s）确定角速度确定角速度（与地球自转的角速度大小）（与地球自转的角
20、速度大小）确定向心加速度大小确定向心加速度大小4、同步卫星、同步卫星地球同步卫星就是与地球同步运转，相对地球静止的卫星。地球同步卫星就是与地球同步运转，相对地球静止的卫星。同步卫星和极地卫星FLASH10.已知地球同步卫星离地心的距离为已知地球同步卫星离地心的距离为r，运行速度为，运行速度为v1，加速度为加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为为a2，第一宇宙速度为，第一宇宙速度为v2，地球的半径为，地球的半径为R，则下列比值，则下列比值正确的是：正确的是：A B C D 例例 题题 选选 讲讲a1同步卫星同步卫星v1r物体物体a2近地卫星
21、近地卫星v2F万万F 万万FNF 万万一是分清各一是分清各物体的位置物体的位置二是正确二是正确运用公式运用公式221=rRaavv 卫星相遇卫星相遇卫星相遇卫星相遇【模型讲解】【模型讲解】当当a a、b b与中心天体与中心天体OO连成一条直线时，连成一条直线时，a、b同侧，则相距最近（相遇）a、b异侧，则相距最远如图是在同一平面不同轨道上运行的两颗人造地球卫星。设它们运行的周期分别是T1、T2，(T1T2)，且某时刻两卫星相距最近。问：两卫星再次相距最近的时间是多少？两卫星相距最远的时间是多少？ 地球依题意，T1T2，周期大的轨道半径大，故外层轨道运动的卫星运行一周的时间长。设经过t两星再次相
22、距最近 则它们运行的角度之差 两卫星相距最远时，它们运行的角度之差 k=0.1.211.11.如图如图4 4所示，有所示，有A A、B B两颗行星绕同一颗恒星两颗行星绕同一颗恒星OO做圆周运动，做圆周运动，旋转方向相同。旋转方向相同。A A行星的周期为行星的周期为T T1 1，B B行星的周期为行星的周期为T T2 2，在某，在某一时刻两行星相距最近，则：（一时刻两行星相距最近，则：（）A.经过时间t=T1+T2，两行星再次相距最近B.经过时间，两行星再次相距最近C.经过时间，两行星相距最远D.经过时间，两行星相距最远vv 卫星相遇卫星相遇卫星相遇卫星相遇12、如图所示，、如图所示，a、b、c
23、是在地球大气层外圆形轨道上运行的是在地球大气层外圆形轨道上运行的3颗人造卫星，下列说法正确的是：颗人造卫星，下列说法正确的是：A. b、c的线速度大小相等，且大于的线速度大小相等，且大于a的线速度的线速度B. b、c的向心加速度大小相等，且大于的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度的向心加速度C. c加速可追上同一轨道上的加速可追上同一轨道上的b，b减速可等到同一轨道上的减速可等到同一轨道上的cD. a卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将变大卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将变大abc据环绕速度公式，据环绕速度公式， rv A错错 ；D正确正确据向心加速度公式，据向心
24、加速度公式， ra B 错错c 加速向高空变轨，加速向高空变轨，b 减速向低空变轨，减速向低空变轨，C错错“连续群连续群”与与“卫星群卫星群”土星的外层有一个环，为了判断它是土星的一部分，即土星的“连续群”，还是土星的“卫星群”，可以通过测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系来判断：A若vR，则该层是土星的连续群B若v2R，则该层是土星的卫星群C若，则该层是土星的连续群D若，则该层是土星的卫星群解析：本题考察连续物与分离物的特点与规律该环若是土星的连续群，则它与土星有共同的自转角速度，因此vR该环若是土星的卫星群，由 得： 故A、D正确月球开发问题月球开发问题科学探测表明，月
25、球上至少存在氧、硅、铝、铁等丰富的矿产资源。设想人类开发月球，不断地月球上的矿藏搬运到地球上，假定经过长时间开采以后，月球和地球仍看做均匀球体，月球仍然在开采前的轨道运动，请问：地球与月球的引力怎么变化？月球绕地球运动的周期怎么变化？月球绕地球运动的速率怎么变化？解析：本题主要考察数学在天文学上的应用。由万有引力定律 结合数学知识得：当m=M时，积Mm最大。可见M、m相差越大，积越小，而r一定，故F就越小由 得：G、r一定，M增大，T减小由 知：G、r一定，M增大，v增大微型问题四、双星问题微型问题四、双星问题（2）特点特点 .两星球间的万有引力充当向心力两星球间的万有引力充当向心力 .周期相
26、等，角速度相同周期相等，角速度相同 .双星间的距离不变双星间的距离不变 .万有引力公式中距离（两星球间距）万有引力公式中距离（两星球间距） 与星球做圆周运动的轨道半径的不同与星球做圆周运动的轨道半径的不同 双星是宇宙中两颗相隔一定距离，围双星是宇宙中两颗相隔一定距离，围绕其连线上某点做匀速圆周运动的天体绕其连线上某点做匀速圆周运动的天体。（1）向心力的来源。向心力的来源。 构成双星的两天体间的万有引力构成双星的两天体间的万有引力（3）双）双 星星 规规 律律-2112212=TrMLMMGp2222212=TrMLMMGpLrr=+212211rMrM=LMMMr2121+=LMMMr2112+=结束结束
