必修第二册第三节 万有引力定律的应用精品学案设计
展开目标导航
1、求重力加速度、天体公转速度与中心天体质量和密度
2、万有引力与重力的关系、双星系统
知识精讲
苹果成熟后为什么往下落呢?
通过天文学家的观测我们知道天体在做圆周运动,做圆周运动的向心力是由万有引力来提供的,历史上天文学家曾经根据万有引力定律计算太阳系中天王星的运动轨道,由于计算值与实际情况有较大偏差,促使天文学家经过进一步的研究发现了海王星.这颗星的发现进一步证明了万有引力定律的正确性,而且也显示了万有引力定律对天文学研究的重大意义。
知识点01 计算天体表面的重力加速度、万有引力与重力的关系
地球对物体的万有引力F表现为两个效果:一是重力mg,二是提供物体随地球自转的向心力F向,如图所示。
(1)在赤道上:Geq \f(Mm,R2)=mg1+mω2R。
(2)在两极上:Geq \f(Mm,R2)=mg2。
(3)在一般位置:万有引力Geq \f(Mm,R2)等于重力mg与向心力F向的矢量和。
越靠近南北两极g值越大,由于物体随地球自转所需的向心力较小,常认为万有引力近似等于重力,即mg=G EQ \F(Mm,R2),得g= EQ \F(GM,R2)(黄金替换式),由此推得两个不同天体表面重力加速度的关系为 EQ \F(g1,g2)= EQ \F(R22,R12)· EQ \F(M1,M2)
【典例1】
一卫星绕某行星做匀速圆周运动,已知行星表面的重力加速度为g行,行星的质量M与卫星的质量m之比M/m=81,行星的半径R行与卫星的半径R卫之比R行/R卫=3.6,行星与卫星之间的距离r与行星的半径R行之比r/R行=60.设卫星表面的重力加速度为g卫,则在卫星表面有:
G EQ \F(Mm,r2)=mg卫 ………①
……
经过计算得出:卫星表面的重力加速度为行星表面的重力加速度的1/3600.上述结果是否正确?若正确,列式证明;若错误,求出正确结果。
【典例2】
假如地球自转角速度增大,关于物体所受的重力,下列说法错误的是()
A.放在赤道地面上的物体的万有引力不变
B.放在两极地面上的物体的重力不变
C.放在赤道地面上的物体的重力减小
D.放在两极地面上的物体的重力增加
【即学即练1】
宇航员王亚平在“天宫1号”飞船内进行了我国首次太空授课,演示了一些完全失重状态下的物理现象。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( )
A.0 B.eq \f(GM,(R+h)2) C.eq \f(GMm,(R+h)2) D.eq \f(GM,h2)
【即学即练2】
一颗在赤道上空运行的人造卫星,其轨道半径为r=2R(R为地球半径),卫星的转动方向与地球自转方向相同。已知地球自转的角速度为ω0,地球表面处的重力加速度为g。求
(1)该卫星所在处的重力加速度g′;
(2)该卫星绕地球转动的角速度ω;
(3)该卫星相邻两次经过赤道上同一建筑物正上方的时间间隔△t。
知识点02 天体公转速度与中心天体质量和密度
一、天体质量和密度的计算
1、利用天体表面的重力加速度g和天体的半径R
由Geq \f(Mm,R2)=mg,得M=eq \f(R2g,G)
所以ρ=eq \f(M,V)=eq \f(M,\f(4,3)πR3)=eq \f(3g,4πRG)
2、利用天体的卫星,已知卫星的周期T(或线速度v)和卫星的轨道半径r
由,则
将M代入ρ=eq \f(M,\f(4,3)πR3)得:
【典例1】
某行星绕太阳运动可近似看作匀速圆周运动,已知行星运动的轨道半径为R,周期为T,万有引力恒量为G,则该行星的线速度大小为 ;太阳的质量可表示为 。
【即学即练1】
一卫星绕某一行星表面附近做匀速圆周运动,其线速度大小为v.假设宇航员在该行星表面上用弹簧测力计测量一质量为m的物体重力,物体静止时,弹簧测力计的示数为N.已知引力常量为G,则这颗行星的质量为( )
A.eq \f(mv2,GN) B.eq \f(mv4,GN) C.eq \f(Nv2,Gm) D.eq \f(Nv4,Gm)
知识点03 双星问题
1.双星系统模型的特点:
(1)两星都绕它们连线上的一点做匀速圆周运动,故两星的角速度、周期相等.
(2)两星之间的万有引力提供各自做匀速圆周运动的向心力,所以它们的向心力大小相等;
(3)两星的轨道半径之和等于两星间的距离,即r1+r2=L.
2.双星系统模型的三大规律:
(1)双星系统的周期、角速度相同.
(2)轨道半径之比与质量成反比.
(3)双星系统的周期的平方与双星间距离的三次方之比只与双星的总质量有关,而与双星个体的质量无关.
【典例1】
冥王星与其附近的另一星体卡戎可视为双星系统,质量比约为7∶1,同时绕它们连线上某点O做匀速圆周运动.由此可知,冥王星绕O点运动的( )
A.轨道半径约为卡戎的eq \f(1,7)
B.角速度大小约为卡戎的eq \f(1,7)
C.线速度大小约为卡戎的7倍
D.向心力大小约为卡戎的7倍
【典例2】
如图所示,质量分别为m和M的两个星球A和B在引力作用下都绕O点做匀速圆周运动,星球A和B两者中心之间的距离为L.已知A、B的中心和O三点始终共线,A和B分别在O的两侧.引力常量为G.
(1)求两星球做圆周运动的周期;
(2)在地月系统中,若忽略其他星球的影响,可以将月球和地球看成上述星球A和B,月球绕其轨道中心运行的周期记为T1.但在近似处理问题时,常常认为月球是绕地心做圆周运动的,这样算得的运行周期记为T2.已知地球和月球的质量分别为5.98×1024 kg和7.35×1022 kg.求T2与T1两者平方之比.(结果保留3位小数)
【即学即练1】
宇宙中存在一些质量相等且离其他恒星较远的四颗星组成的四星系统,通常可忽略其他星体对它们的引力作用.设四星系统中每个星体的质量均为m,半径均为R,四颗星稳定分布在边长为的正方形的四个顶点上.已知引力常量为G.关于四星系统,下列说法错误的是 ( )
A.四颗星围绕正方形对角线的交点做匀速圆周运动
B.四颗星的轨道半径均为 EQ \F(a,2)
C.四颗星表面的重力加速度均为G EQ \F(m,R2)
D.四颗星的周期均为
能力拓展
分层提分
题组A 基础过关练
一、单选题
1.某兴趣小组想利用小孔成像实验估测太阳的密度。设计如图所示的装置,不透明的圆桶一端密封,中央有一小孔,另一端为半透明纸。将圆桶轴线正对太阳方向,可观察到太阳的像的直径为d。已知圆桶长为L,地球绕太阳公转周期为T。则估测太阳密度的表达式为( )
A.B.C.D.
2.假设在遥远的太空有一个星球适合人类居住,质量是地球质量的2倍,半径是地球半径的,在地球上一个人能竖直跳起离地面h的高度,则在此星球以相同速度竖直向上能跳起的高度为( )
A.16hB. hC.8hD. h
3.2021年,某杂志上的一篇文章中描述了一颗质量达到木星级别的气态行星,绕银河系内的一顆白矮星做匀速圆周运动。已知地球绕太阳微圆周运动的轨道半径为r,若该白矮星的质量约为太阳的一半,气态行星绕白矮星做圆周运动的轨道半径约为3r。取1年,,,则可估算出该气态行星的角速度约为( )
A.B.C.D.
4.已知地球半径为R,地球质量为m,太阳与地球中心间距为r,地球表面的重力加速度为g,地球绕太阳公转的周期为T,则太阳的质量为( )
A.B.
C.D.
5.有一卫星正在围绕某一颗行星做匀速圆周运动。卫星到行星表面的高度为h,引力常量为G,要计算行星的质量,还需( )
A.测出卫星的周期TB.测出卫星的线速度v
C.测出卫星的向心加速度aD.测出卫星的角速度ω和行星的半径R
6.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, 天文学上将其称为“行星冲日”。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(天文学上常用地球公转半径作为长度单位,用符号AU表示),根据题中信息,试判断哪颗地外行星相邻两次冲日的时间间隔最长( )
A.火星B.木星C.天王星D.海王星
题组B 能力提升练
二、填空题
7.半径分别为R和r的两个行星A和B,它们各有一颗靠近表面的卫星a和b,若这两颗卫星的周期相等,由此可知,行星A和B的密度___________(填“相等”、“不相等”或“无法确定”);行星A和B表面的重力加速度之比为___________。(球体的体积公式)
8.探索火星的奥秘承载着人类征服宇宙的梦想。假设人类某次利用飞船探测火星的过程中,飞船只在万有引力作用下贴着火星表面绕火星做圆周运动时,测得其绕行速度为v,绕行一周所用时间为T,已知引力常量为G,则:
(1)火星表面的重力加速度为______;(2)火星的质量为______。
9.如图所示,三个质量均为的恒星系统,组成一个边长为的等边三角形。它们仅受彼此之间的万有引力作用,且正在绕系统的质心点为圆心、在三角形所在的平面做匀速率圆周运动。则此系统的角速度_________________。(提示:对于其中的任意一个恒星,另外两颗恒星对它的万有引力指向O点,且提供向心力)
10.若月球绕地球做匀速圆周运动的向心加速度大小为a,则在月球绕地球运行的轨道处由地球引力产生的加速度为_________。若月球表面的重力加速度值和引力常量已知,还需已知_________,就能得求月球的质量。
11.2021年5月,“天问一号” 着陆巡视器带着“祝融号”火星车软着陆火星时,在“降落伞减速”阶段,垂直火星表面速度由396m/s减至61m/s,用时168s,此阶段减速的平均加速度大小为___________m/s2;地球质量约为火星质量的9.3倍,地球半径约为火星半径的1.9倍,“天问一号”质量约为5.3吨,“天问一号”在“降落伞减速”阶段受到的平均空气阻力约为___________N。(本题答案保留一位有效数字)
12.设地球表面的重力加速度为g,物体在距地球表面(R是地球半径)处,由于地球的引力作用而产生的重力加速度为,则为____________。
题组C 培优拔尖练
三、解答题
13.宇航员来到某星球表面做了如下实验:将一小钢球由距星球表面高h(h远小于星球半径)处由静止释放,小钢球经过时间t落到星球表面,该星球为密度均匀的球体,引力常量为G。
(1)若该星球的半径为R,忽略星球的自转,求该星球的密度;
(2)若该星球的半径为R,有一颗卫星在距该星球表面高度为H处的圆轨道上绕该星球做匀速圆周运动,求该卫星的线速度大小和周期。
14.开普勒定律发现以后,牛顿在前人对惯性研究的基础之上,开始思考:行星沿圆周或者椭圆运动,需要指向圆心或者椭圆焦点的力,这个力就应该是太阳对行星的引力。
(1)我们把行星绕太阳的运动近似看成匀速圆周运动。请你运用牛顿运动定律、开普勒定律以及圆周运动的向心力公式等已经学习过的知识,推导出太阳与行星间引力的表达式;
(2)牛顿推导出太阳与行星间的引力表达式后,进一步思考;太阳对行星的作用力、地球对月球的作用力、地球对树上苹果的作用力是不是同一种性质的力呢?这就是著名的“月地检验”。已知地球表面物体做自由落体运动的加速度g约为,地球半径约为,月球中心距地球的距离约为,月球的公转周期为27.3d,约,请根据这些数据完成“月地检验”的证明。
15.宇宙中有一星球,其半径为R,自转周期为T,引力常量为G,该天体的质量为M。若一宇航员来到位于赤道的一斜坡前,将一小球自斜坡底端正上方的O点以初速度v0水平抛出,如图所示,小球垂直击中了斜坡,落点为P点,求
(1)该星球赤道地面处的重力加速度g1;
(2)则P点距水平地面的高度h。
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
沪科技版(2020)必修第二册第三节 圆周运动优秀导学案: 这是一份沪科技版(2020)必修第二册<a href="/wl/tb_c4027637_t4/?tag_id=42" target="_blank">第三节 圆周运动优秀导学案</a>,文件包含第6课圆周运动原卷版-高一物理同步精品讲义沪科版必修二doc、第6课圆周运动解析版-高一物理同步精品讲义沪科版必修二doc等2份学案配套教学资源,其中学案共49页, 欢迎下载使用。
沪科技版(2020)必修第二册第五章 曲线运动第二节 平抛运动优秀导学案: 这是一份沪科技版(2020)必修第二册<a href="/wl/tb_c4027636_t4/?tag_id=42" target="_blank">第五章 曲线运动第二节 平抛运动优秀导学案</a>,文件包含第5课平抛运动的综合应用原卷版-高一物理同步精品讲义沪科版必修二doc、第5课平抛运动的综合应用解析版-高一物理同步精品讲义沪科版必修二doc等2份学案配套教学资源,其中学案共39页, 欢迎下载使用。
高中物理沪科技版(2020)必修第二册第二节 平抛运动优秀导学案及答案: 这是一份高中物理沪科技版(2020)必修第二册<a href="/wl/tb_c4027636_t4/?tag_id=42" target="_blank">第二节 平抛运动优秀导学案及答案</a>,文件包含第4课平抛运动的基本概念和研究方法原卷版-高一物理同步精品讲义沪科版必修二doc、第4课平抛运动的基本概念和研究方法解析版-高一物理同步精品讲义沪科版必修二doc等2份学案配套教学资源,其中学案共44页, 欢迎下载使用。