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全国版2022高考物理一轮复习专题五万有引力与航天课件
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这是一份全国版2022高考物理一轮复习专题五万有引力与航天课件，共60页。PPT课件主要包含了考情解读，考点帮·必备知识通关，考法帮·解题能力提升等内容，欢迎下载使用。
课标要求1.通过史实,了解万有引力定律的发现过程.知道万有引力定律.认识发现万有引力定律的重要意义.认识科学定律对人类探索未知世界的作用.2.会计算人造地球卫星的环绕速度.知道第二宇宙速度和第三宇宙速度.
命题探究1.命题分析:万有引力与航天是每年高考的必考内容,多是通过联系最新科技以选择题形式呈现.2.趋势分析:(1)应用万有引力定律计算重力加速度、天体质量、天体密度等;(2)对天体运动规律的分析,卫星的发射与变轨,与天体运动有关的能量问题等.
核心素养聚焦物理观念:1.了解万有引力定律的发现过程及重要意义;2.掌握万有引力定律的应用;3.会计算环绕速度;4.运用运动观念拓展对天体运动的探究.科学思维:1.运用万有引力定律和圆周运动知识分析天体运动问题;2.建构双星、多星运动模型.科学探究:学习引力常量的测量方法,体会猜想、假设及实验验证在发现海王星中的重要科学作用.科学态度与责任:关注物理学定律与航天技术等现代科技的联系,增强社会责任感和使命感.
考点1 万有引力定律及其应用
考法1 开普勒行星运动定律的应用
考法2 天体重力加速度的应用问题
高分帮·“双一流”名校冲刺
考法3 天体质量和密度的求解
考法4 万有引力定律与图像的结合
考法5 万有引力的综合应用
模型构建1 双星问题
模型构建3 多星问题
考点2 宇宙航行问题的分析与求解
考法1 卫星运行参量的比较与求解
考法2 环绕速度、宇宙速度和发射速度的比
考法5 飞船对接问题分析
考法3 同步卫星问题的分析与比较
考法4 卫星的变轨问题分析
考法6 卫星“相遇”问题分析
重难突破 宇宙航行中的临界问题
考点1 万有引力定律及其应用
考点帮 必备知识通关
1.曲线运动的条件和特点
考法帮 解题能力提升
考法1 开普勒行星运动定律的应用
示例1 [2020湖南长沙联考]哈雷彗星绕太阳运动的轨道是椭圆,下列说法中正确的是A.哈雷彗星在近日点的速率大于在远日点的速率B.哈雷彗星在近日点的向心加速度小于在远日点的向心加速度C.若哈雷彗星的运行周期为75年,则它的半长轴是地球公转半径的75倍D.哈雷彗星在近日点的角速度小于在远日点的角速度
探测器自由下落的高度.(假设地球和火星均为球体,由于火星大气层的气压只有地球的大气压强的1%,所以探测器所受阻力可忽略不计,地球表面的重力加速度大小取10 m/s2)思维导引：本题文字表述较长,要注意通过细致审题明确题给条件及物理过程.分析求解时,首先应通过类比求得火星表面的重力加速度,然后再利用自由落体运动的规律求出探测器自由下落的高度.
示例3[信息加工题][多选]下表是一些有关火星和地球的数据,利用引力常量G和表中选择的一些信息可以完成的估算是A.选择②⑤可以估算地球的质量B.选择①④可以估算太阳的密度C.选择①③④可以估算火星公转的线速度D.选择①④可以估算太阳对地球的吸引力
示例4理论上已经证明:质量分布均匀的球壳对壳内物体的万有引力为零.现假设地球是一半径为R、质量分布均匀的实心球体,O为球心,以O为原点建立坐标轴Ox,如图所示.一个质量一定的质点(假设它能够在地球内部移动)在x轴上各位置受到的引力大小用F表示,则F随x的变化关系图正确的是
考法4万有引力定律与图像的结合
考法5 万有引力的综合应用
示例5[北京高考]万有引力定律揭示了天体运行规律与地上物体运动规律具有内在的一致性.(1)用弹簧秤称量一个相对于地球静止的小物体的重量,随称量位置的变化可能会有不同的结果.已知地球质量为M,自转周期为T,引力常量为G.将地球视为半径为R、质量均匀分布的球体,不考虑空气的影响.设在地球北极地面称量时,弹簧秤的读数是F0.
高分帮 “双一流”名校冲刺
模型构建1 双星问题
示例6[2018全国Ⅰ,20,6分,多选]2017年,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波.根据科学家们复原的过程,在两颗中子星合并前约100 s时,它们相距约400 km,绕二者连线上的某点每秒转动12圈.将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体,由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识,可以估算出这一时刻两颗中子星A.质量之积 B.质量之和C.速率之和 D.各自的自转角速度
模型构建2 多星问题
分析处理多星问题,必须明确所研究星体所受的万有引力的合力提供其做圆周运动的向心力.除中心星体外,各星体的角速度和周期相等.1.已观测到稳定的三星系统存在的形式有:(1)三颗星位于同一直线上,两颗环绕星体围绕中心星体在同一半径为R的圆形轨道上运行,如图甲所示.(2)三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点上,如图乙所示.
2.宇宙中存在一些离其他恒星很远的四颗恒星组成的四星系统,通常可忽略其他星体对它们的引力作用.稳定的四星系统存在多种形式:(1)四颗质量相等的恒星位于正方形的四个顶点上,沿外接于该正方形的圆形轨道做匀速圆周运动,如图丙所示.(2)三颗恒星始终位于等边三角形的三个顶点上,另一颗恒星位于等边三角形的中心O点,外围三颗恒星绕O点做匀速圆周运动,如图丁所示.
考点2 宇宙航行问题的分析与求解
考法1 卫星运行参量的比较与求解
示例1[2020天津,2,5分]北斗问天,国之夙愿.我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星,其轨道半径约为地球半径的7倍.与近地轨道卫星相比,地球静止轨道卫星A.周期大 B.线速度大C.角速度大 D.加速度大
归纳总结对于卫星运行参量的比较问题的求解,首先要合理选用相关物理规律,不能盲目判断.另外还要特别明确如下几点:1.轨道半径r一定,v、ω、T、a等均唯一确定;2.任何人造地球卫星做圆周运动时所在平面的圆心一定与地心重合;3.同一卫星所处高度越高,则线速度越小,动能Ek越小,势能Ep越大.
示例2[多选]天问一号探测器计划于2021年5月着陆火星巡视探测.已知火星的质量约为地球质量的1/9,火星的半径约为地球半径的1/2.下列关于火星探测器的说法正确的是A.发射速度只要大于第一宇宙速度即可B.发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C.发射速度应大于第二宇宙速度、小于第三宇宙速度D.火星探测器环绕火星运行的最大速度约为第一宇宙速度的一半
考法2 环绕速度、宇宙速度和发射速度的比较与分析
考法3 同步卫星问题的分析与比较
示例3 [2019北京,18,6分]2019年5月17日,我国成功发射第45颗北斗导航卫星,该卫星属于地球静止轨道卫星(同步卫星).该卫星A.入轨后可以位于北京正上方B.入轨后的速度大于第一宇宙速度C.发射速度大于第二宇宙速度D.若发射到近地圆轨道所需能量较少
示例42018年12月8日,肩负着亿万中华儿女探月飞天梦想的嫦娥四号探测器成功发射,“实现人类航天器首次在月球背面巡视探测,率先在月背刻上了中国足迹”.嫦娥四号探测器发射到月球上要经过多次变轨,最终降落到月球表面上,如图所示,其中轨道Ⅰ为圆形轨道.下列说法正确的是A.探测器在轨道Ⅰ运行时的加速度大于月球表面的重力加速度
考法4 卫星的变轨问题分析
B.探测器在轨道Ⅰ经过P点时的加速度小于在轨道Ⅱ经过P点时的加速度C.探测器在轨道Ⅰ的运行周期大于在轨道Ⅱ的运行周期D.探测器在P点由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ必须点火加速
辨析比较 离心运动与近心运动对比
3.判断机械能(1)在同一轨道上,航天器的机械能守恒.(2)在不同轨道上,轨道半径越大,机械能一定越大.4.判断周期:根据开普勒第三定律判断.
示例5[2016天津,3,6分]我国发射了“天宫二号”空间实验室,之后发射“神舟十一号”飞船与“天宫二号”对接,如图所示.假设“天宫二号”与“神舟十一号”都围绕地球做匀速圆周运动,为了实现飞船与空间实验室的对接,下列措施可行的是A.使飞船与空间实验室在同一轨道上运行,然后飞船加速追上空间实验室实现对接B.使飞船与空间实验室在同一轨道上运行,然后空间实验室减速等待飞船实现对接
考法5 飞 船对接问题分析
C.飞船先在比空间实验室半径小的轨道上加速,加速后飞船逐渐靠近空间实验室,两者速度接近时实现对接D.飞船先在比空间实验室半径小的轨道上减速,减速后飞船逐渐靠近空间实验室,两者速度接近时实现对接
解析：为了实现飞船与空间实验室的对接,必须使飞船在较低的轨道上加速做离心运动,上升到空间实验室运动的轨道后逐渐靠近空间实验室,两者速度接近时实现对接,选项C正确.
归纳总结 飞船与空间实验室的对接实际上就是两个做匀速圆周运动的物体的追赶问题,本质仍然是变轨问题.要使飞船与空间实验室成功对接,即让飞船由一个圆轨道变轨到另一个圆轨道,需要经历两次变速,如图所示,以飞船从较低圆轨道变轨到较高圆轨道为例.
1.在较低圆轨道1上加速:加速后进入椭圆轨道2,两轨道相切于加速点P,切点P为椭圆轨道的近地点,飞船在轨道2上过近地点P时的速率大于在轨道1上运行的速率,飞船在P点变轨时,由于万有引力不足以提供所需的向心力而做离心运动.2.在椭圆轨道2的远地点Q加速:加速后进入较高圆轨道3,两轨道相切于加速点Q,切点Q为椭圆轨道的远地点,飞船在轨道2上过远地点Q时的速率小于在轨道3上运行的速率.在轨道2上的Q点点火加速,飞船再一次做离心运动进入轨道3而实现对接.3.对接完成需要提供的能量:由上述可知,对接过程需要两次点火加速,所需提供最小的能量即为飞船在高、低两圆轨道运行时机械能的增量.
示例6假设有一载人宇宙飞船在距赤道地面高度为4 200 km的上空绕地球做匀速圆周运动,地球半径约为6 400 km,地球同步卫星距地面高为36 000 km,宇宙飞船和一地球同步卫星绕地球同向运动,每当两者相距最近时,宇宙飞船就向同步卫星发射信号,然后再由同步卫星将信号发送到地面接收站,某时刻两者相距最远,从此刻开始,在一昼夜的时间内,接收站共接收到信号的次数为A.4次 B.6次 C.7次 D.8次
重难突破 宇宙航行中的临界问题
示例7[利用临界条件求极值][2016全国Ⅰ,17,6分]利用三颗位置适当的地球同步卫星,可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯.目前,地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍.假设地球的自转周期变小,若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的,则地球自转周期的最小值约为A.1 h B.4 h C.8 h D.16 h
感悟反思试题涉及同步卫星、万有引力定律等相关知识.分析求解问题的关键是利用三颗同步卫星可实现地球赤道上任意两点之间的无线电通信,由此可确定满足地球自转周期最小值的制约条件,另外就是要灵活运用数学几何知识.
示例8[电子通信的“盲区”问题]已知地球的自转周期和半径分别为T和R,地球同步卫星A的圆轨道半径为h,卫星B沿半径为r(r
课标要求1.通过史实,了解万有引力定律的发现过程.知道万有引力定律.认识发现万有引力定律的重要意义.认识科学定律对人类探索未知世界的作用.2.会计算人造地球卫星的环绕速度.知道第二宇宙速度和第三宇宙速度.
命题探究1.命题分析:万有引力与航天是每年高考的必考内容,多是通过联系最新科技以选择题形式呈现.2.趋势分析:(1)应用万有引力定律计算重力加速度、天体质量、天体密度等;(2)对天体运动规律的分析,卫星的发射与变轨,与天体运动有关的能量问题等.
核心素养聚焦物理观念:1.了解万有引力定律的发现过程及重要意义;2.掌握万有引力定律的应用;3.会计算环绕速度;4.运用运动观念拓展对天体运动的探究.科学思维:1.运用万有引力定律和圆周运动知识分析天体运动问题;2.建构双星、多星运动模型.科学探究:学习引力常量的测量方法,体会猜想、假设及实验验证在发现海王星中的重要科学作用.科学态度与责任:关注物理学定律与航天技术等现代科技的联系,增强社会责任感和使命感.
考点1 万有引力定律及其应用
考法1 开普勒行星运动定律的应用
考法2 天体重力加速度的应用问题
高分帮·“双一流”名校冲刺
考法3 天体质量和密度的求解
考法4 万有引力定律与图像的结合
考法5 万有引力的综合应用
模型构建1 双星问题
模型构建3 多星问题
考点2 宇宙航行问题的分析与求解
考法1 卫星运行参量的比较与求解
考法2 环绕速度、宇宙速度和发射速度的比
考法5 飞船对接问题分析
考法3 同步卫星问题的分析与比较
考法4 卫星的变轨问题分析
考法6 卫星“相遇”问题分析
重难突破 宇宙航行中的临界问题
考点1 万有引力定律及其应用
考点帮 必备知识通关
1.曲线运动的条件和特点
考法帮 解题能力提升
考法1 开普勒行星运动定律的应用
示例1 [2020湖南长沙联考]哈雷彗星绕太阳运动的轨道是椭圆,下列说法中正确的是A.哈雷彗星在近日点的速率大于在远日点的速率B.哈雷彗星在近日点的向心加速度小于在远日点的向心加速度C.若哈雷彗星的运行周期为75年,则它的半长轴是地球公转半径的75倍D.哈雷彗星在近日点的角速度小于在远日点的角速度
探测器自由下落的高度.(假设地球和火星均为球体,由于火星大气层的气压只有地球的大气压强的1%,所以探测器所受阻力可忽略不计,地球表面的重力加速度大小取10 m/s2)思维导引：本题文字表述较长,要注意通过细致审题明确题给条件及物理过程.分析求解时,首先应通过类比求得火星表面的重力加速度,然后再利用自由落体运动的规律求出探测器自由下落的高度.
示例3[信息加工题][多选]下表是一些有关火星和地球的数据,利用引力常量G和表中选择的一些信息可以完成的估算是A.选择②⑤可以估算地球的质量B.选择①④可以估算太阳的密度C.选择①③④可以估算火星公转的线速度D.选择①④可以估算太阳对地球的吸引力
示例4理论上已经证明:质量分布均匀的球壳对壳内物体的万有引力为零.现假设地球是一半径为R、质量分布均匀的实心球体,O为球心,以O为原点建立坐标轴Ox,如图所示.一个质量一定的质点(假设它能够在地球内部移动)在x轴上各位置受到的引力大小用F表示,则F随x的变化关系图正确的是
考法4万有引力定律与图像的结合
考法5 万有引力的综合应用
示例5[北京高考]万有引力定律揭示了天体运行规律与地上物体运动规律具有内在的一致性.(1)用弹簧秤称量一个相对于地球静止的小物体的重量,随称量位置的变化可能会有不同的结果.已知地球质量为M,自转周期为T,引力常量为G.将地球视为半径为R、质量均匀分布的球体,不考虑空气的影响.设在地球北极地面称量时,弹簧秤的读数是F0.
高分帮 “双一流”名校冲刺
模型构建1 双星问题
示例6[2018全国Ⅰ,20,6分,多选]2017年,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波.根据科学家们复原的过程,在两颗中子星合并前约100 s时,它们相距约400 km,绕二者连线上的某点每秒转动12圈.将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体,由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识,可以估算出这一时刻两颗中子星A.质量之积 B.质量之和C.速率之和 D.各自的自转角速度
模型构建2 多星问题
分析处理多星问题,必须明确所研究星体所受的万有引力的合力提供其做圆周运动的向心力.除中心星体外,各星体的角速度和周期相等.1.已观测到稳定的三星系统存在的形式有:(1)三颗星位于同一直线上,两颗环绕星体围绕中心星体在同一半径为R的圆形轨道上运行,如图甲所示.(2)三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点上,如图乙所示.
2.宇宙中存在一些离其他恒星很远的四颗恒星组成的四星系统,通常可忽略其他星体对它们的引力作用.稳定的四星系统存在多种形式:(1)四颗质量相等的恒星位于正方形的四个顶点上,沿外接于该正方形的圆形轨道做匀速圆周运动,如图丙所示.(2)三颗恒星始终位于等边三角形的三个顶点上,另一颗恒星位于等边三角形的中心O点,外围三颗恒星绕O点做匀速圆周运动,如图丁所示.
考点2 宇宙航行问题的分析与求解
考法1 卫星运行参量的比较与求解
示例1[2020天津,2,5分]北斗问天,国之夙愿.我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星,其轨道半径约为地球半径的7倍.与近地轨道卫星相比,地球静止轨道卫星A.周期大 B.线速度大C.角速度大 D.加速度大
归纳总结对于卫星运行参量的比较问题的求解,首先要合理选用相关物理规律,不能盲目判断.另外还要特别明确如下几点:1.轨道半径r一定,v、ω、T、a等均唯一确定;2.任何人造地球卫星做圆周运动时所在平面的圆心一定与地心重合;3.同一卫星所处高度越高,则线速度越小,动能Ek越小,势能Ep越大.
示例2[多选]天问一号探测器计划于2021年5月着陆火星巡视探测.已知火星的质量约为地球质量的1/9,火星的半径约为地球半径的1/2.下列关于火星探测器的说法正确的是A.发射速度只要大于第一宇宙速度即可B.发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C.发射速度应大于第二宇宙速度、小于第三宇宙速度D.火星探测器环绕火星运行的最大速度约为第一宇宙速度的一半
考法2 环绕速度、宇宙速度和发射速度的比较与分析
考法3 同步卫星问题的分析与比较
示例3 [2019北京,18,6分]2019年5月17日,我国成功发射第45颗北斗导航卫星,该卫星属于地球静止轨道卫星(同步卫星).该卫星A.入轨后可以位于北京正上方B.入轨后的速度大于第一宇宙速度C.发射速度大于第二宇宙速度D.若发射到近地圆轨道所需能量较少
示例42018年12月8日,肩负着亿万中华儿女探月飞天梦想的嫦娥四号探测器成功发射,“实现人类航天器首次在月球背面巡视探测,率先在月背刻上了中国足迹”.嫦娥四号探测器发射到月球上要经过多次变轨,最终降落到月球表面上,如图所示,其中轨道Ⅰ为圆形轨道.下列说法正确的是A.探测器在轨道Ⅰ运行时的加速度大于月球表面的重力加速度
考法4 卫星的变轨问题分析
B.探测器在轨道Ⅰ经过P点时的加速度小于在轨道Ⅱ经过P点时的加速度C.探测器在轨道Ⅰ的运行周期大于在轨道Ⅱ的运行周期D.探测器在P点由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ必须点火加速
辨析比较 离心运动与近心运动对比
3.判断机械能(1)在同一轨道上,航天器的机械能守恒.(2)在不同轨道上,轨道半径越大,机械能一定越大.4.判断周期:根据开普勒第三定律判断.
示例5[2016天津,3,6分]我国发射了“天宫二号”空间实验室,之后发射“神舟十一号”飞船与“天宫二号”对接,如图所示.假设“天宫二号”与“神舟十一号”都围绕地球做匀速圆周运动,为了实现飞船与空间实验室的对接,下列措施可行的是A.使飞船与空间实验室在同一轨道上运行,然后飞船加速追上空间实验室实现对接B.使飞船与空间实验室在同一轨道上运行,然后空间实验室减速等待飞船实现对接
考法5 飞 船对接问题分析
C.飞船先在比空间实验室半径小的轨道上加速,加速后飞船逐渐靠近空间实验室,两者速度接近时实现对接D.飞船先在比空间实验室半径小的轨道上减速,减速后飞船逐渐靠近空间实验室,两者速度接近时实现对接
解析：为了实现飞船与空间实验室的对接,必须使飞船在较低的轨道上加速做离心运动,上升到空间实验室运动的轨道后逐渐靠近空间实验室,两者速度接近时实现对接,选项C正确.
归纳总结 飞船与空间实验室的对接实际上就是两个做匀速圆周运动的物体的追赶问题,本质仍然是变轨问题.要使飞船与空间实验室成功对接,即让飞船由一个圆轨道变轨到另一个圆轨道,需要经历两次变速,如图所示,以飞船从较低圆轨道变轨到较高圆轨道为例.
1.在较低圆轨道1上加速:加速后进入椭圆轨道2,两轨道相切于加速点P,切点P为椭圆轨道的近地点,飞船在轨道2上过近地点P时的速率大于在轨道1上运行的速率,飞船在P点变轨时,由于万有引力不足以提供所需的向心力而做离心运动.2.在椭圆轨道2的远地点Q加速:加速后进入较高圆轨道3,两轨道相切于加速点Q,切点Q为椭圆轨道的远地点,飞船在轨道2上过远地点Q时的速率小于在轨道3上运行的速率.在轨道2上的Q点点火加速,飞船再一次做离心运动进入轨道3而实现对接.3.对接完成需要提供的能量:由上述可知,对接过程需要两次点火加速,所需提供最小的能量即为飞船在高、低两圆轨道运行时机械能的增量.
示例6假设有一载人宇宙飞船在距赤道地面高度为4 200 km的上空绕地球做匀速圆周运动,地球半径约为6 400 km,地球同步卫星距地面高为36 000 km,宇宙飞船和一地球同步卫星绕地球同向运动,每当两者相距最近时,宇宙飞船就向同步卫星发射信号,然后再由同步卫星将信号发送到地面接收站,某时刻两者相距最远,从此刻开始,在一昼夜的时间内,接收站共接收到信号的次数为A.4次 B.6次 C.7次 D.8次
重难突破 宇宙航行中的临界问题
示例7[利用临界条件求极值][2016全国Ⅰ,17,6分]利用三颗位置适当的地球同步卫星,可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯.目前,地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍.假设地球的自转周期变小,若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的,则地球自转周期的最小值约为A.1 h B.4 h C.8 h D.16 h
感悟反思试题涉及同步卫星、万有引力定律等相关知识.分析求解问题的关键是利用三颗同步卫星可实现地球赤道上任意两点之间的无线电通信,由此可确定满足地球自转周期最小值的制约条件,另外就是要灵活运用数学几何知识.
示例8[电子通信的“盲区”问题]已知地球的自转周期和半径分别为T和R,地球同步卫星A的圆轨道半径为h,卫星B沿半径为r(r
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