高一物理万有引力与航天复习知识点

万有引力与航天知识点复习

知识点一 万有引力定律的内容、公式及适用条件 ☆知识梳理 1．内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体的质量m 1和m 2的乘积成 ，与它们之间的距离r 的 成反比．

2．公式：221r

m m G F =，其中G ＝ N·m 2/kg 2叫引力常量． 3．适用条件：公式适用于 间的相互作用．也适用于两个质量分布均匀的球体间的相互作用，但此时r 是 间的距离，一个均匀球体与球外一个质点的万有引力也适用，其中r 为球心到 间的距离．

☆要点深化

1．万有引力和重力的关系

万有引力对物体的作用效果可以等效为两个力的作用，一个是重力mg ，

另一个是物体随地球自转需要的向心力F 向，如图4－4－1所示，可知：

(1)地面上的物体的重力随纬度的增大而增大．故重力加速度g 从赤道

到两极逐渐增加．

(2)在两极：重力等于万有引力，重力加速度最大．

(3)在赤道：F 万＝F 向＋mg

故22ωmR r

Mm G mg -= (4)由于地球的自转角速度很小，地球的自转带来的影响很小，一般情况下认为：

mg R

Mm G =2，故GM ＝gR 2，这是万有引力定律应用中经常用到的“黄金代换”． (5)距地面越高，物体的重力加速度越小，距地面高度为h 处的重力加速度为： g h R R g 2/

)(+= 其中R 为地球半径，g 为地球表面的重力加速度．

2．万有引力定律的基本应用

(1)基本方法：把天体(或人造卫星)的运动看成是匀速圆周运动，其所需向心力由 提供．

(2)“万能”连等式

⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===ω

πωmv T mr mr r

v m

ma mg r Mm G r 2

22

2)2( 其中g r 为距天体中心r 处的重力加速度．

☆针对训练

1．假如一做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增加到原来的2倍，仍做圆周运动，则( )

A ．根据公式v ＝ωr 可知卫星运动的线速度将增大到原来的2倍

B ．根据公式r

v m F 2

=，可知卫星所需的向心力将减小到原来的1/2 C ．根据公式2r

Mm G F =可知地球提供的向心力将减小到原来的1/4 D ．根据上述B 和C 中给出的公式可知，卫星运行的线速度将减小到原来的22

☆知识梳理

1．应用万有引力定律分析天体运动的方法

把天体运动看成是 运动，其所需的向心力由天体间的万有引力提供．

===ma mg r

Mm G r 2_____________ ． 应用时可根据实际情况选用适当的公式进行分析和计算．

特别提醒

三个近似

近地卫星贴近地球表面运行，可近似认为做匀速圆周运动的半径等于地球半径； 在地球表面随地球一起自转的物体可近似认为其重力等于地球对它的万有引力； 天体的运动轨道可近似看作圆轨道．

2．关于同步卫星的五个“一定”

(1)轨道平面一定：轨道平面与 共面．

(2)周期一定：与地球自转周期 ，即T ＝24 h.

(3)角速度一定：与地球自转的角速度 ．

(4)高度一定：由222)()2()(h R T m h R Mm G +=+π，得同步卫星离地面的高度

h ＝ ≈3.6×107 m. (5)速度一定：v ＝ ＝3.1×103 m/s.

☆要点深化

1．两种加速度——卫星的向心加速度和随地球自转的向心加速度的比较

2. 两个半径——天体半径R和卫星轨道半径r的比较

卫星的轨道半径是天体的卫星绕天体做圆周运动的圆的半径，所以r＝R＋h．当卫星贴近天体表面运动时，h≈0，可近似认为轨道半径等于天体半径．

3．两种周期——自转周期和公转周期的比较

自转周期是天体绕自身某轴线运动一周的时间，公转周期是卫星绕中心天体做圆周运动一周的时间．一般情况下天体的自转周期和公转周期是不等的，如：地球自转周期为24小时，公转周期为365天．但也有相等的，如月球，自转、公转周期都约为27天，所以地球上看到的都是月球固定的一面，在应用中要注意区别．

☆针对训练

2．2009年2月11日，俄罗斯的“宇宙2251”卫星和美国的“铱33”卫星在西伯利亚上空约805 km处发生碰撞．这是历史上首次发生的完整在轨卫星碰撞事件．碰撞过程中产生的大量碎片可能会影响太空环境．假定有甲、乙两块碎片，绕地球运动的轨道都是圆，甲的运动速率比乙的大，则下列说法中正确的是()

A．甲的运动周期一定比乙的长B．甲距地面的高度一定比乙的高

C．甲的向心力一定比乙的小D．甲的加速度一定比乙的大

3．我国正在自主研发“北斗二号”地球卫星导航系统，此系统由中轨道、高轨道和同步卫星等组成，可将定位精度提高到“厘米”级，会在交通、气象、军事等方面发挥重要作用．已知三种卫星中，中轨道卫星离地最近，同步卫星离地最远，则下列说法中正确的是() A．中轨道卫星的线速度小于高轨道卫星的线速度

B．中轨道卫星的角速度小于同步卫星的角速度

C．若一周期为8 h的中轨道卫星，某时刻在同步卫星的正下方，则经过24 h仍在该同步卫星的正下方

D．高轨道卫星的向心加速度小于同步卫星的向心加速度

特别提醒

(1)三种宇宙速度均指的是发射速度，不能理解为环绕速度．

(2)第一宇宙速度既是最小发射速度，又是卫星绕地球做匀速圆周运动的最大速度．

☆要点深化

1．如何推导出第一宇宙速度？

由于在人造卫星的发射过程中，火箭要克服地球的引力做功，所以将卫星发射到离地球越远的轨道，在地面上所需的发射速度就越大，故人造卫星的最小发射速度对应将卫星发射到近地表面运行，此时发射时的动能全部转化为绕行的动能而不需要转化为重力势能． 根据论述可推导如下：

R v m R

Mm G 212=，s km R GM v /9.71== 或R

v m mg 21=， s km gR v /9.71== 2．两种速度——环绕速度与发射速度的比较

(1)不同高度处的人造卫星在圆轨道上运行速度即环绕速度r

GM v =环绕v 环绕，其大小随半径的增大而减小．但是，由于在人造地球卫星发射过程中火箭要克服地球引力做功，增大势能，所以将卫星发射到离地球越远的轨道，在地面上所需的发射速度就越大，此时v 发射>v 环绕．

(2)人造地球卫星的最小发射速度应是卫星发射到近地表面运行，此时发射动能全部作为绕行的动能而不需要转化为重力势能．此速度即为第一宇宙速度，此时v 发射＝v 环绕．

☆针对训练

4．2009年3月7日(北京时间)世界首个用于探测太阳系外类地行星的“开普勒”号太空望远镜发射升空，在银河僻远处寻找宇宙生命．假设该望远镜沿半径为R 的圆轨道环绕太阳运行，运行的周期为T ，万有引力恒量为G .仅由这些信息可知( )

A ．“开普勒”号太空望远镜的发射速度要大于第三宇宙速度

B ．“开普勒”号太空望远镜的发射速度要大于第二宇宙速度

C ．太阳的平均密度

D ．“开普勒”号太空望远镜的质量

5．已知地球半径为R ，地球表面重力加速度为g ，不考虑地球自转的影响．

(1)推导第一宇宙速度v 1的表达式；

(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动，运行轨道距离地面高度为h ，求卫星的运行周期T ．