最新万有引力定律及应用
万有引力定律的应用

万有引力定律的应用感谢您阅读本文!在日常生活中,万有引力定律无处不在,我们可以通过它来解释地球上的现象,甚至探索宇宙中的奥秘。
本文将介绍万有引力定律的基本原理,并探讨它在不同领域中的应用,希望能给您带来新的知识和启发。
2.万有引力定律简介万有引力定律是由伟大的科学家牛顿在17世纪提出的,它是物理学中最重要的定律之一。
该定律表明,任何两个物体之间都存在相互吸引的力,这个吸引力与物体的质量成正比,与它们之间的距离的平方成反比。
简而言之,万有引力定律说明物体间的吸引力取决于它们的质量和距离。
3.日常生活中的万有引力定律应用3.1月球对地球潮汐的影响根据万有引力定律,地球和月球之间存在着引力,这使得月球对地球具有吸引力。
由于地球的质量远大于月球,因此地球对月球的引力比月球对地球的引力要大得多。
这个引力差产生了地球潮汐现象,即海洋中涨潮和退潮的周期性变化。
3.2行星轨道运动万有引力定律也可以解释行星围绕太阳的运动。
根据该定律,太阳对行星具有引力,这使得行星围绕太阳运动。
行星轨道的形状取决于行星的质量和速度。
这个定律的应用使得我们能够预测和计算行星的运动轨迹,并进一步探索宇宙中的行星系统。
3.3人造卫星的运行人造卫星的运行原理也是基于万有引力定律。
在地球的引力作用下,人造卫星被吸引并绕地球运动。
通过合理设计卫星的质量和速度,可以使其保持在特定的轨道上,实现通讯、气象观测和导航等功能。
万有引力定律的应用使得人类能够利用卫星技术,改善生活和开展科学研究。
4.宇宙探索中的万有引力定律应用4.1星系的形成和演化根据万有引力定律,星系中的恒星之间存在着引力。
这个引力使得恒星保持在相对稳定的轨道上,并共同组成一个星系。
通过研究恒星运动和星系的分布,科学家能够洞察宇宙的形成和演化过程。
4.2黑洞的研究黑洞是一种极为奇特的天体,它拥有非常强大的引力。
根据万有引力定律,黑洞能够吸引和吞噬其周围的物质,甚至连光线也无法逃逸。
通过研究黑洞的运动和活动,科学家可以深入了解引力的极端情况和宇宙中的奇观。
第4讲-万有引力定律及应用

第4讲 万有引力定律及应用一、开普勒三定律定律内容图示或公式开普勒第一定律(轨道定律)所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上开普勒第二定律(面积定律)对任意一个行星来说,它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等开普勒第三定律(周期定律)所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等a 3T 2=k ,k 是一个与行星无关的常量二、万有引力定律 1.内容自然界中任何两个物体都相互吸引,引力的方向在它们的连线上,引力的大小与物体的质量m 1和m 2的乘积成正比,与它们之间距离r 的二次方成反比。
2.表达式F =G m 1m 2r 2,G 是比例系数,叫作引力常量,G =6.67×10-11 N·m 2/kg 2。
3.适用条件(1)公式适用于质点间的相互作用,当两个物体间的距离远大于物体本身的大小时,物体可视为质点。
(2)质量分布均匀的球体可视为质点,r 是两球心间的距离。
三、宇宙速度 1.第一宇宙速度(1)第一宇宙速度又叫环绕速度,其数值为7.9 km/s 。
(2)第一宇宙速度是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动时的速度。
(3)第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度,也是人造卫星的最大环绕速度。
(4)第一宇宙速度的计算方法 由G m 地m R 2=m v 2R 得v =Gm 地R ;由mg =m v 2R 得v =gR 。
2.第二宇宙速度使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度,其数值为11.2 km/s 。
3.第三宇宙速度使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度,其数值为16.7 km/s 。
【自测 (多选)(2020·江苏卷,7)甲、乙两颗人造卫星质量相等,均绕地球做圆周运动,甲的轨道半径是乙的2倍。
下列应用公式进行的推论正确的有( ) A .由v =gR 可知,甲的速度是乙的2倍 B .由a =ω2r 可知,甲的向心加速度是乙的2倍 C .由F =GMm r 2可知,甲的向心力是乙的14D .由r 3T 2=k 可知,甲的周期是乙的22倍答案 CD解析 两卫星均绕地球做圆周运动,甲的轨道半径是乙的2倍,由GMm r 2=m v 2r ,可得v =GM r ,则乙的速度是甲的2倍,选项A 错误;由GMmr 2=ma ,可得a=GM r 2,则乙的向心加速度是甲的4倍,选项B 错误;由F =GMmr 2,结合两人造卫星质量相等,可知甲的向心力是乙的14,选项C 正确;两卫星均绕地球做圆周运动,且甲的轨道半径是乙的2倍,结合开普勒第三定律可知,甲的周期是乙的22倍,选项D 正确。
万有引力定律及应用

万有引力定律及应用引言:万有引力定律是描述质点之间相互作用的基本规律之一,由英国物理学家牛顿在17世纪提出并完善。
本文将对万有引力定律的原理进行阐述,并介绍其在天体运动、人工卫星轨道设计以及地球重力测量等领域的应用。
一、万有引力定律的原理万有引力定律是牛顿为解释天体运动所提出的一个基本规律,它表述了任意两个质点之间的引力大小与其质量的乘积成正比,与质点间距离的平方成反比。
1.1 引力公式的表达形式根据万有引力定律,两个质点之间的引力可用公式表达为:$F = G\frac{{m_1 \cdot m_2}}{{r^2}}$,其中$F$代表引力的大小,$G$为万有引力常数,$m_1$和$m_2$分别为两个质点的质量,$r$为质点之间的距离。
1.2 引力的性质万有引力定律具有以下几个重要的性质:(1)引力是一种吸引作用,质点之间的引力方向始终指向对方。
(2)引力大小与质量成正比,即质量越大,引力越大。
(3)引力大小与距离的平方成反比,即距离越远,引力越小。
二、万有引力定律的应用2.1 天体运动万有引力定律对天体运动的解释具有重要意义。
根据该定律,行星绕太阳的运动可以得到合理而精确的解释。
通过运用引力定律,科学家们可以计算出天体间的引力大小,并推导出行星的轨道、周期等运动参数。
2.2 人工卫星轨道设计在人工卫星设计中,万有引力定律同样发挥着重要作用。
科学家们利用引力定律计算出地球引力对卫星的作用力,以确保卫星能够稳定地维持在预定轨道上。
通过精确计算引力的大小和方向,工程师们可以合理地设计卫星的运行轨道,从而实现预定的观测、通信或探测任务。
2.3 地球重力测量地球的重力场是地球物理学研究的一个重要方向,在此过程中,万有引力定律也发挥了关键作用。
科学家通过测量不同地点的重力加速度,可以推断出地壳的密度分布情况、地下深部结构,以及地壳运动与地震等现象之间的关系。
同时,利用引力变化也可以监测海平面的变化,用于海洋学和气候变化研究。
万有引力定律及其应用

万有引力定律及其应用万有引力定律是物理学中最基本的定律之一,描述了物体之间相互作用的力,被广泛应用于天体运动、地球运行、航天探索等领域。
本文将介绍万有引力定律的定义与公式,并探讨其在宇宙学、卫星运行和导航系统中的应用。
一、万有引力定律的定义和公式万有引力定律是由艾萨克·牛顿于1687年提出的,它描述了两个物体之间的引力大小与它们的质量及距离的关系。
牛顿的万有引力定律可以用以下公式表示:F =G * (m1 * m2) / r^2其中,F表示两个物体之间的引力,G是万有引力常数,m1和m2分别是两个物体的质量,r是它们之间的距离。
二、万有引力定律在宇宙学中的应用万有引力定律在宇宙学中起着重要作用。
根据该定律,行星围绕太阳运行,卫星绕地球运行,这是因为太阳和地球对它们产生了引力。
通过牛顿的定律,科学家们能够计算出天体之间的引力,从而预测它们的运动轨迹和相互作用。
世界各个国家的航天探索也依赖于万有引力定律。
比如,计算出行星和卫星的运动轨迹,对航天器进行准确的发射和着陆,都需要准确地应用万有引力定律。
此外,万有引力定律还促进了科学家对宇宙的进一步研究,帮助他们了解天体的形成和宇宙演化的规律。
三、万有引力定律在卫星运行中的应用卫星是应用万有引力定律的典型实例。
通过牛顿定律计算引力,可确定卫星轨道的稳定性和运行所需的速度。
在卫星发射前,科学家需要根据卫星要达到的轨道高度和地球质量计算出所需的发射速度,确保卫星能够稳定地绕地球运行。
此外,卫星之间也需要遵循万有引力定律的规律。
卫星在轨道上的相对位置和轨道调整都受到引力的影响。
科学家利用牛顿定律的公式,预测卫星之间的相对运动,确保卫星不会相互碰撞,从而保证卫星系统的正常运行。
四、万有引力定律在导航系统中的应用导航系统是现代社会不可或缺的一部分,而万有引力定律在导航系统中也发挥着关键作用。
通过利用地球的引力场,导航系统能够计算出接收器的位置和速度。
卫星导航系统如GPS(全球定位系统)就是基于万有引力定律工作的。
万有引力定律的其他应用

万有引力定律的其他应用:
万有引力定律:(G=6.67×10-11 N·m2/kg2),万有引力定律在天文学中的应用:
1、计算天体的质量和密度;
2、人造地球卫星、地球同步卫星、近地卫星;
3、发现未知天体;
4、分析重力加速度g随离地面高度h的变化情况;
①物体的重力随地面高度h的变化情况:物体的重力近似地球对物体的吸引力,即近似等于,可见物体的重力随h的增大而减小,由G=mg得g随h的增大而减小。
②在地球表面(忽略地球自转影响):(g为地球表面重力加速度,r为地球半径)。
③当物体位于地面以下时,所受重力也比地面要小,物体越接近地心,重力越小,物体在地心时,其重力为零。
5、双星问题:天文学上把两颗相距比较近,又与其他星体距离比较远的星体叫做双星。
双星的间距是一定的,它们绕二者连线上的同一点分别做圆周运动,角速度相等。
以下图为例
由以上各式解得:
6、黄金代换公式:GM=gR2。
万有引力定律在天体运动中的应用

万有引力定律在天体运动中的应用天体之间的作用力,主要是万有引力。
行星和卫星的运动,可近似看作是匀速圆周运动,而万有引力是行星、卫星作匀速圆周运动的向心力。
万有引力定律主要有以下几种应用:一、测中心天体的质量如果已知绕中心天体M 作匀速圆周运动的星体,圆周运动的半径R 的运行周期T ,则: r T4πm r Mm G 222⋅⋅= 所以232G T r 4πM = 其中M 为中心天体质量。
二、测中心天体的密度测出绕中心天体M 作匀速圆周运动的星体的半径R ,周期T 和中心天体半径R ,则由上可知M=232G T r 4π ① ρ=VM ② V=334R π ③ 由①②③得ρ=3233R GT r π 若卫星绕中心天体作近地轨道运动时,由于r ≈R ,则ρ=23GTπ。
三、测重力加速度在地球表面上的物体受到的重力和随地球自转的向心力,是物体所受万有引力的两个分力。
由于F 向跟重力相比很小,可忽略,所以F 引≈mg ,即 mg=2RMm G∴g=2R M G 在环绕地球运行的卫星所需的向心力是由于地球对其引力(即重力)提供,即 mg ′=2)(h R Mm G + ∴g ′=2)(h R M G+ 其中h 为卫星离地高度,g ′为卫星所在处重力加速度。
四、求周期确定的卫星的高度例如地球同步卫星的周期T=24h则)(4)(222h R Tm h R Mm G +=+π 而地球表面2RMm G =mg ∴卫星高度h=km R T gR 43222106.34⨯=-π五、比较卫星环绕运动的一些物理量:v 、ω、T由于卫星环绕运动所需的向心力是由万有引力提供的。
① 由2)(h R Mm G +=h R v m +2得 v=hR GM + 所以h 越高(或者说环绕半径越大),卫星的环绕速度v 越小。
当h=0时,s km RGM v /9.7== 也可由mg=Rv m 2得s km gR v /9.7==这就是第一宇宙速度。
《万有引力定律的应用》 讲义

《万有引力定律的应用》讲义一、万有引力定律的基本概念万有引力定律是由牛顿发现的,它指出:任何两个质点都存在通过其连心线方向上的相互吸引的力。
该引力大小与它们质量的乘积成正比、与它们距离的平方成反比,与两物体的化学组成和其间介质种类无关。
用公式表示为:F = G (m1 m2) / r²,其中 F 是两个物体之间的引力,G 是引力常量,约为 667×10⁻¹¹ N·m²/kg²,m1 和 m2 分别是两个物体的质量,r 是两个物体质心之间的距离。
二、万有引力定律在天体物理学中的应用1、计算天体的质量通过观测天体周围物体的运动情况,可以利用万有引力定律来计算天体的质量。
例如,对于绕行星运行的卫星,已知卫星的轨道半径 r 和周期 T,根据万有引力提供向心力的公式:F = m (4π² / T²) r,其中 m 是卫星的质量。
由于引力 F = G (M m) / r²(M 为行星质量),联立这两个方程可以求解出行星的质量 M。
2、预测天体的运动轨迹天体之间的相互作用遵循万有引力定律。
通过对天体初始位置、速度和所受引力的分析,可以预测它们未来的运动轨迹。
这对于研究星系的演化、彗星的轨道等都具有重要意义。
3、解释天体的形成和结构万有引力使得物质能够聚集在一起形成天体。
在天体形成的早期阶段,微小的物质颗粒在引力作用下逐渐聚集,形成越来越大的天体。
同时,天体内部物质之间的引力相互作用也决定了天体的结构和密度分布。
三、万有引力定律在航天领域的应用1、人造卫星的发射和轨道维持人造卫星的发射需要达到一定的速度,以克服地球的引力进入预定轨道。
在轨道上运行时,卫星受到地球的万有引力作用,形成稳定的环绕运动。
通过调整卫星的速度和轨道高度,可以实现不同的任务,如通信、气象观测、导航等。
2、行星际探测任务当进行行星际探测时,探测器需要经历漫长的旅程,并在不同行星的引力场中穿梭。
万有引力定义公式和应用场景

万有引力定义公式和应用场景万有引力是一种自然现象,指两个物体之间相互吸引的力。
它的定义、公式及应用场景我们分别详细介绍如下。
一、定义:万有引力是指在自然界中,所有物体之间都存在着一种相互吸引的力。
根据万有引力定律,任何两个物体之间的引力大小与它们的质量成正比,与它们之间的距离的平方成反比。
二、公式:万有引力的公式由牛顿提出,称为万有引力定律。
根据这个定律,两个物体之间的引力可以用以下公式表示:F=G*(m1*m2)/r^2其中,F是两个物体之间的引力,G是万有引力常数(约等于6.67 * 10^-11 N·m^2/kg^2),m1和m2是两个物体的质量,r是两个物体之间的距离。
三、应用场景:万有引力的应用场景非常广泛,以下是其中几个重要的应用:1.行星运动:万有引力是维持行星运动的主要力量。
行星绕着太阳运动,依靠太阳对行星施加的引力来保持它们的运动轨道。
2.人造卫星:人造卫星的运行也依赖于万有引力。
卫星在地球的引力作用下绕地球运动,这种运动轨道被称为地球同步轨道。
卫星的轨道高度和速度必须精确计算,才能保证卫星能够稳定地绕地球运转。
3.潮汐现象:潮汐现象是地球和月球之间的万有引力相互作用的结果。
地球上的潮汐是因为月球和太阳对地球的引力作用导致的。
月球和太阳对地球的引力使得地球上的水产生潮汐起伏,这对于航海、捕鱼和能源开发等都有重要影响。
4.天体测量:万有引力的公式被广泛应用于天体测量。
通过测量天体之间的引力,可以获得天体的质量和距离等重要参数。
例如,通过测量行星对恒星的引力作用,科学家可以推断出行星的质量和轨道,从而探索宇宙的奥秘。
5.粒子加速器:粒子加速器是研究微观世界的重要工具。
加速器中的粒子之间的相互作用主要依靠万有引力。
通过合理调节加速器中的引力,科学家可以将粒子加速到非常高的速度,并产生高能粒子碰撞,从而揭示物质的微观结构和性质。
综上所述,万有引力是自然界中一种重要的力量,它的公式和应用场景等内容不仅丰富了我们对物理学的理解,而且对于天体运动、卫星轨道、潮汐现象、天体测量和粒子加速器等领域的研究和应用都具有重要的意义。
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第4讲 万有引力定律及应用一、开普勒三定律的内容、公式定律 内容图示或公式开普勒第一定律(轨道定律) 所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上开普勒第二定律(面积定律) 对任意一个行星来说,它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等开普勒第三定律(周期定律) 所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等a 3T 2=k ,k 是一个与行星无关的常量自测1 (2016·全国卷Ⅲ·14)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 答案 B解析 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,但没有找出行星运动按照这些规律运动的原因,而牛顿发现了万有引力定律. 二、万有引力定律 1.内容自然界中任何两个物体都相互吸引,引力的方向在它们的连线上,引力的大小与物体的质量m 1和m 2的乘积成正比,与它们之间距离r 的二次方成反比. 2.表达式F =G m 1m 2r 2,G 为引力常量,G =6.67×10-11N·m 2/kg 2.3.适用条件(1)公式适用于质点间的相互作用,当两个物体间的距离远大于物体本身的大小时,物体可视为质点.(2)质量分布均匀的球体可视为质点,r 是两球心间的距离. 4.天体运动问题分析(1)将天体或卫星的运动看成匀速圆周运动,其所需向心力由万有引力提供. (2)基本公式:G Mm r2=ma =⎩⎪⎨⎪⎧m v 2r→v =GM rmrω2→ω=GMr 3mr ⎝⎛⎭⎫2πT 2→T =2πr 3GM m v ω自测2 我国发射的“天宫一号”和“神舟八号”在对接前,“天宫一号”的运行轨道高度为350 km ,“神舟八号”的运行轨道高度为343 km.它们的运行轨道均视为圆周,则( ) A.“天宫一号”比“神舟八号”速度大 B.“天宫一号”比“神舟八号”周期长 C.“天宫一号”比“神舟八号”角速度大 D.“天宫一号”比“神舟八号”加速度大 答案 B解析 航天器在围绕地球做匀速圆周运动的过程中由万有引力提供向心力,根据万有引力定律和匀速圆周运动知识得G Mmr 2=m v 2r=mrω2=mr ⎝⎛⎭⎫2πT 2=ma ,解得v =GMr,T =4π2r 3GM,ω=GM r 3,a =GMr 2,而“天宫一号”的轨道半径比“神舟八号”的轨道半径大,可知选项B 正确. 三、宇宙速度 1.第一宇宙速度(1)第一宇宙速度又叫环绕速度,其数值为7.9 km/s.(2)第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动时具有的速度. (3)第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度,也是人造卫星的最大环绕速度. (4)第一宇宙速度的计算方法. 由G MmR 2=m v 2R 得v =GMR; 由mg =m v 2R 得v =gR .2.第二宇宙速度使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度,其数值为11.2 km/s. 3.第三宇宙速度使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度,其数值为16.7 km/s.自测3 教材P48第3题 金星的半径是地球的0.95倍,质量为地球的0.82倍,金星表面的自由落体加速度是多大?金星的“第一宇宙速度”是多大? 答案 8.9 m/s 2 7.3 km/s解析 根据星体表面忽略自转影响,重力等于万有引力知mg =GMmR 2故g 金g 地=M 金M 地·(R 地R 金)2 金星表面的自由落体加速度g 金=g 地×0.82×(10.95)2m/s 2≈8.9 m/s 2由万有引力充当向心力知GMm R 2=m v 2R 得v =GMR所以v 金v 地=M 金M 地·R 地R 金=0.82×10.95≈0.93v 金=0.93×7.9 km/s ≈7.3 km/s.命题点一 开普勒三定律的理解和应用1.行星绕太阳的运动通常按圆轨道处理.2.开普勒行星运动定律也适用于其他天体,例如月球、卫星绕地球的运动.3.开普勒第三定律a 3T 2=k 中,k 值只与中心天体的质量有关,不同的中心天体k 值不同.但该定律只能用在同一中心天体的两星体之间.例1 (多选)(2017·全国卷Ⅱ·19)如图1,海王星绕太阳沿椭圆轨道运动,P 为近日点,Q 为远日点,M 、N 为轨道短轴的两个端点,运行的周期为T 0,若只考虑海王星和太阳之间的相互作用,则海王星在从P 经过M 、Q 到N 的运动过程中( )图1A.从P 到M 所用的时间等于T 04B.从Q 到N 阶段,机械能逐渐变大C.从P 到Q 阶段,速率逐渐变小D.从M 到N 阶段,万有引力对它先做负功后做正功 答案 CD解析 由行星运动的对称性可知,从P 经M 到Q 点的时间为12T 0,根据开普勒第二定律可知,从P 到M 运动的速率大于从M 到Q 运动的速率,可知从P 到M 所用的时间小于14T 0,选项A 错误;海王星在运动过程中只受太阳的引力作用,故机械能守恒,选项B 错误;根据开普勒第二定律可知,从P 到Q 阶段,速率逐渐变小,选项C 正确;海王星受到的万有引力指向太阳,从M 到N 阶段,万有引力对它先做负功后做正功,选项D 正确.变式1 火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行,根据开普勒行星运动定律可知( ) A.太阳位于木星运行轨道的中心B.火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等C.火星与木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方D.相同时间内,火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的面积 答案 C解析 由开普勒第一定律(轨道定律)可知,太阳位于木星运行轨道的一个焦点上,A 错误.火星和木星绕太阳运行的轨道不同,运行速度的大小不可能始终相等,B 错误.根据开普勒第三定律(周期定律)知所有行星轨道的半长轴的三次方与它的公转周期的平方的比值是一个常数,C 正确.对于某一个行星来说,其与太阳连线在相同的时间内扫过的面积相等,不同行星在相同时间内扫过的面积不相等,D 错误.变式2 (多选)如图2所示,近地人造卫星和月球绕地球的运行轨道可视为圆.设卫星、月球绕地球运行周期分别为T 卫、T 月,地球自转周期为T 地,则( )图2A.T 卫<T 月B.T 卫>T 月C.T 卫<T 地D.T 卫=T 地 答案 AC解析 设近地卫星、地球同步轨道卫星和月球绕地球运行的轨道分别为r卫、r 同和r 月,因r 月>r 同>r 卫,由开普勒第三定律r 3T2=k ,可知,T 月>T 同>T 卫,又同步卫星的周期T 同=T地,故有T 月>T 地>T 卫,选项A 、C 正确.变式3 如图3所示,一颗卫星绕地球沿椭圆轨道运动,A 、B 是卫星运动的远地点和近地点.下列说法中正确的是( )图3A.卫星在A 点的角速度大于B 点的角速度B.卫星在A 点的加速度小于B 点的加速度C.卫星由A 运动到B 过程中动能减小,势能增加D.卫星由A 运动到B 过程中引力做正功,机械能增大 答案 B解析 由开普勒第二定律知,卫星与地球的连线在相等的时间内扫过的面积相等,故卫星在远地点转过的角度较小,由ω=θt 知,卫星在A 点的角速度小于B 点的角速度,选项A 错误;设卫星的质量为m ,地球的质量为M ,卫星的轨道半径为r ,由万有引力定律得G mMr 2=ma ,解得a =GMr 2,由此可知,r 越大,加速度越小,故卫星在A 点的加速度小于B 点的加速度,选项B 正确;卫星由A 运动到B 的过程中,引力做正功,动能增加,势能减小,选项C 错误;卫星由A 运动到B 的过程中,只有引力做功,机械能守恒,选项D 错误. 命题点二 万有引力定律的理解1.万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.(1)在赤道上:G MmR 2=mg 1+mω2R .(2)在两极上:G MmR2=mg 0.(3)在一般位置:万有引力G MmR2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GMmR 2=mg .2.星球上空的重力加速度g ′星球上空距离星体中心r =R +h 处的重力加速度为g ′,mg ′=GmM (R +h )2,得g ′=GM(R +h )2.所以gg ′=(R +h )2R 2.3.万有引力的“两点理解”和“两个推论” (1)两点理解①两物体相互作用的万有引力是一对作用力和反作用力. ②地球上的物体受到的重力只是万有引力的一个分力.(2)两个推论①推论1:在匀质球壳的空腔内任意位置处,质点受到球壳的万有引力的合力为零,即∑F 引=0.②推论2:在匀质球体内部距离球心r 处的质点(m )受到的万有引力等于球体内半径为r 的同心球体(M ′)对其的万有引力,即F =G M ′mr2.例2 如图4所示,有人设想通过“打穿地球”从中国建立一条过地心的光滑隧道直达阿根廷.如只考虑物体间的万有引力,则从隧道口抛下一物体,物体的加速度( )图4A.一直增大B.一直减小C.先增大后减小D.先减小后增大 答案 D解析 设地球的平均密度为ρ,物体在隧道内部离地心的距离为r ,则物体m 所受的万有引力F =G ·ρ·43πr 3·m r 2=43πGρmr ,此处的重力加速度a =F m =43πGρr ,故选项D 正确.例3 由中国科学院、中国工程院两院院士评出的2012年中国十大科技进展新闻,于2013年1月19日揭晓,“神九”载人飞船与“天宫一号”成功对接和“蛟龙”号下潜突破7 000米分别排在第一、第二.若地球半径为R ,把地球看做质量分布均匀的球体.“蛟龙”下潜深度为d ,“天宫一号”轨道距离地面高度为h ,“蛟龙”号所在处与“天宫一号”所在处的加速度之比为( )A.R -d R +hB.(R -d )2(R +h )2 C.(R -d )(R +h )2R 3 D.(R -d )(R +h )R 2答案 C解析 令地球的密度为ρ,则在地球表面,重力和地球的万有引力大小相等,有:g =G MR 2.由于地球的质量为:M =ρ·43πR 3,所以重力加速度的表达式可写成:g =GM R 2=G ·ρ43πR 3R 2=43πGρR .根据题意有,质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零,故在深度为d 的地球内部,受到地球的万有引力即为半径等于(R -d )的球体在其表面产生的万有引力,故“蛟龙”号的重力加速度g ′=43πGρ(R -d ),所以有g ′g =R -d R .根据万有引力提供向心力G Mm(R +h )2=ma ,“天宫一号”的加速度为a =GM (R +h )2,所以a g =R 2(R +h )2,g ′a =(R -d )(R +h )2R 3,故C 正确,A 、B 、D 错误.变式4 “神舟十一号”飞船于2016年10月17日发射,对接“天宫二号”.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.0B.GM (R +h )2C.GMm (R +h )2D.GMh 2答案 B命题点三 天体质量和密度的估算天体质量和密度常用的估算方法使用方法已知量 利用公式 表达式 备注质量的计算利用运行天体r 、TG Mm r 2=mr 4π2T 2 M =4π2r 3GT 2只能得到中心天体的质量r 、vG Mmr 2=m v 2r M =r v 2Gv 、TG Mmr 2=m v 2r G Mm r 2=mr 4π2T 2 M =v 3T 2πG利用天体表面g 、R mg =GMm R2M =gR 2G重力加速度密度的计算利用运行天体r、T、RGMmr2=mr4π2T2M=ρ·43πR3ρ=3πr3GT2R3当r=R时ρ=3πGT2利用近地卫星只需测出其运行周期利用天体表面重力加速度g、Rmg=GMmR2M=ρ·43πR3ρ=3g4πGR例4假设地球可视为质量均匀分布的球体.已知地球表面重力加速度在两极的大小为g0,在赤道的大小为g,地球自转的周期为T,引力常量为G.地球的密度为()A.3π(g0-g)GT2g0 B.3πg0GT2(g0-g)C.3πGT2 D.3πg0GT2g答案 B解析物体在地球的两极时,mg0=GMmR2,物体在赤道上时,mg+m(2πT)2R=GMmR2,又M=43πR3,联立以上三式解得地球的密度ρ=3πg0GT2(g0-g),故选项B正确,选项A、C、D错误. 变式5观察“嫦娥三号”在环月轨道上的运动,发现每经过时间t通过的弧长为l,该弧长对应的圆心角为θ(弧度),如图5所示.已知引力常量为G,“嫦娥三号”的环月轨道可近似看成是圆轨道,由此可推导月球的质量为()图5A.2πl3Gθt2 B.l3Gθt2 C.l3θGt2 D.lGθt2答案 B解析“嫦娥三号”在环月轨道上运动的线速度为:v=lt,角速度为ω=θt;根据线速度和角速度的关系式:v=ωr,可得其轨道半径r=vω=lθ;“嫦娥三号”做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,GMmr2=mωv,解得M=l3Gθt2,故选B.变式6据报道,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a倍,质量是地球的b倍.已知近地卫星绕地球运行的周期约为T,引力常量为G.则该行星的平均密度为()A.3πGT 2B.π3T 2C.3πb aGT 2D.3πa bGT 2 答案 C解析 万有引力提供近地卫星绕地球运行的向心力:G M 地m R 2=m 4π2RT 2,且ρ地=3M 地4πR 3,联立得ρ地=3πGT 2.而ρ星ρ地=M 星V 地V 星M 地=b a ,因而ρ星=3πbaGT 2. 命题点四 卫星运行参量的分析卫星运行参量 相关方程结论线速度v G Mmr 2=m v 2r ⇒v =GMr r 越大,v 、ω、a 越小,T 越大角速度ω G Mmr 2=mω2r ⇒ω=GMr 3周期T G Mmr2=m ⎝⎛⎭⎫2πT 2r ⇒T =2πr 3GM 向心加速度a G Mm r 2=ma ⇒a =GMr2例5 (多选)“天舟一号”货运飞船于2017年4月20日在文昌航天发射中心成功发射升空.与“天宫二号”空间实验室对接前,“天舟一号”在距地面约380 km 的圆轨道上飞行,则其( )A.角速度小于地球自转角速度B.线速度小于第一宇宙速度C.周期小于地球自转周期D.向心加速度小于地面的重力加速度 答案 BCD解析 根据万有引力提供向心力得,G Mm (R +h )2=m (R +h )ω2=m v 2R +h=m (R +h )4π2T 2=ma ,解得,v =GMR +h,ω=GM(R +h )3,T =4π2(R +h )3GM ,a =GM(R +h )2,由题意可知,“天舟一号”的离地高度小于同步卫星的离地高度,则“天舟一号”的角速度大于同步卫星的角速度,也大于地球的自转角速度,“天舟一号”的周期小于地球的自转周期,选项A 错误,C 正确;由第一宇宙速度为GMR可知,“天舟一号”的线速度小于第一宇宙速度,选项B 正确;由地面的重力加速度g =GMR2可知,“天舟一号”的向心加速度小于地面的重力加速度,选项D正确.变式7 (2017·全国卷Ⅲ·14)2017年4月,我国成功发射的天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室完成了首次交会对接,对接形成的组合体仍沿天宫二号原来的轨道(可视为圆轨道)运行.与天宫二号单独运行时相比,组合体运行的( ) A.周期变大 B.速率变大 C.动能变大 D.向心加速度变大答案 C变式8 (2017·河北石家庄二模)2016年10月19日凌晨,神舟十一号飞船与天宫二号对接成功,如图6.两者对接后一起绕地球运行的轨道可视为圆轨道,运行周期为T ,已知地球半径为R ,对接体距地面的高度为kR ,地球表面的重力加速度为g ,引力常量为G ,下列说法正确的是( )图6A.对接后,飞船的线速度大小为2πkR TB.对接后,飞船的加速度大小为g(1+k )2C.地球的密度为3π(1+k )2GT 2D.对接前,飞船通过自身减速使轨道半径变大靠近天宫二号实现对接 答案 B解析 对接前,飞船通过自身加速使轨道半径变大从而靠近天宫二号实现对接,D 错误.对接后,飞船的轨道半径为kR +R ,线速度大小v =2π(k +1)R T ,A 错误.由GMm(k +1)2R 2=ma 及GM =gR 2得a =g (1+k )2,B 正确.由GMm (k +1)2R 2=m ⎝⎛⎭⎫2πT 2(k +1)R 及M =ρ·43πR 3得地球的密度ρ=3π(1+k )3GT 2,C 错误.1.关于行星运动定律和万有引力定律的建立过程,下列说法正确的是( ) A.第谷通过整理大量的天文观测数据得到行星运动规律 B.开普勒指出,地球绕太阳运动是因为受到来自太阳的引力C.牛顿通过比较月球公转的向心加速度和地球赤道上物体随地球自转的向心加速度,对万有引力定律进行了“月地检验”D.卡文迪许在实验室里通过几个铅球之间万有引力的测量,得出了引力常量的数值 答案 D2.关于环绕地球运行的卫星,下列说法正确的是( )A.分别沿圆轨道和椭圆轨道运行的两颗卫星,不可能具有相同的周期B.沿椭圆轨道运行的一颗卫星,在轨道不同位置可能具有相同的速率C.在赤道上空运行的两颗地球同步卫星,它们的轨道半径有可能不同D.沿不同轨道经过北京上空的两颗卫星,它们的轨道平面一定会重合 答案 B解析 分别沿圆轨道和椭圆轨道运行的两颗卫星,可能具有相同的周期,故A 错误;沿椭圆轨道运行的一颗卫星,在轨道对称的不同位置具有相同的速率,B 正确;根据万有引力提供向心力,列出等式GMm (R +h )2=m 4π2T 2(R +h ),其中R 为地球半径,h 为同步卫星离地面的高度,由于同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,所以T 为一定值,根据上面等式得出:同步卫星离地面的高度h 也为一定值,故C 错误;沿不同轨道经过北京上空的两颗卫星,它们的轨道平面不一定重合,故D 错误.3.组成星球的物质靠引力吸引在一起随星球自转.如果某质量分布均匀的星球自转周期为T ,万有引力常量为G ,为使该星球不至于瓦解,该星球的密度至少是( ) A.4πGT 2 B.3πGT 2 C.2πGT 2 D.πGT 2 答案 B解析 根据万有引力提供向心力有:G Mm R 2=m 4π2T 2R ,根据密度公式有:ρ=M 43πR 3,联立可得密度为3πGT2,B 正确.4.(2018·河南洛阳模拟)北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统,该系统由35颗卫星组成,卫星的轨道有三种:地球同步轨道、中轨道和倾斜轨道.其中,同步轨道半径大约是中轨道半径的1.5倍,那么同步卫星与中轨道卫星的周期之比约为( )A.1232⎛⎫⎪⎝⎭ B.2332⎛⎫ ⎪⎝⎭ C.3232⎛⎫ ⎪⎝⎭D.⎝⎛⎭⎫322 答案 C解析 开普勒第三定律同样适用于卫星与行星间的运动关系,当轨道为圆轨道时,公式中的a 为半径r ,则有r 同3T 同2=r 中3T 中2,得T 同T 中=3232⎛⎫ ⎪⎝⎭.5.(多选)2011年中俄联合实施探测火星计划,由中国负责研制的“萤火一号”火星探测器与俄罗斯研制的“福布斯—土壤”火星探测器一起由俄罗斯“天顶”运载火箭发射前往火星.已知火星的质量约为地球质量的19,火星的半径约为地球半径的12.下列关于火星探测器的说法中正确的是( )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而小于第三宇宙速度D.火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的23答案 CD解析 根据三个宇宙速度的意义,可知选项A 、B 错误,选项C 正确;已知M 火=M 地9,R 火=R 地2,则v 火v 地=GM 火R 火∶GM 地R 地=23,选项D 正确. 6.过去几千年来,人类对行星的认识与研究仅限于太阳系内,行星“51 peg b ”的发现拉开了研究太阳系外行星的序幕.“51 peg b ”绕其中心恒星做匀速圆周运动,周期约为4天,轨道半径约为地球绕太阳运动半径的120,该中心恒星与太阳的质量比约为( )A.110 B.1 C.5 D.10 答案 B解析 根据万有引力提供向心力,有G Mm r 2=m 4π2T 2r ,可得M =4π2r 3GT 2,所以恒星质量与太阳质量之比为M 恒M 太=r 行3T 地2 r 地3T 行2=(120)3×(3654)2≈1,故选项B 正确.7.(2018·广东中山质检)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r 1=19 600 km ,公转周期T 1=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r 2=48 000 km ,则它的公转周期T 2最接近于( ) A.15天 B.25天 C.35天 D.45天 答案 B解析 根据开普勒第三定律得r 31T 21=r 32T 22,所以T 2=r 32r 31T 1≈25天,选项B 正确,选项A 、C 、D 错误.8.卫星绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径为r ,运动周期为T ,地球半径为R ,引力常量为G ,下列说法中正确的是( ) A.卫星的线速度大小为v =2πRTB.地球的质量为M =4π2R 3GT 2C.地球的平均密度为ρ=3πGT 2D.地球表面重力加速度大小为g =4π2r 3T 2R2答案 D9.地球的公转轨道接近圆,但彗星的运行轨道则是一个非常扁的椭圆,如图1.天文学家哈雷曾经在1682年跟踪过一颗彗星,他算出这颗彗星轨道的半长轴等于地球公转轨道半径的18倍,并预言这颗彗星将每隔一定时间就会出现.哈雷的预言得到证实,该彗星被命名为哈雷彗星.哈雷彗星最近出现的时间是1986年,它下次将在哪一年飞近地球( )图1A.2042年B.2052年C.2062年D.2072年答案 C解析 根据开普勒第三定律a 3T 2=k ,可得r 彗3T 彗2=r 地3T 地2,且r 彗=18r 地,得T 彗=542T 地,又T地=1年,所以T 彗=54 2 年≈76年,故选C.10.(2017·北京理综·17)利用引力常量G 和下列某一组数据,不能计算出地球质量的是( ) A.地球的半径及重力加速度(不考虑地球自转)B.人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周期C.月球绕地球做圆周运动的周期及月球与地球间的距离D.地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与太阳间的距离 答案 D解析 不考虑地球的自转,地球表面物体受到的万有引力等于重力,即GM 地mR 2=mg ,得M 地=gR 2G ,所以根据A 中给出的条件可求出地球的质量;根据GM 地m 卫R 2=m 卫v 2R 和T =2πRv ,得M 地=v 3T 2πG ,所以根据B 中给出的条件可求出地球的质量;根据GM 地m 月r 2=m 月4π2T 2r ,得M 地=4π2r 3GT 2,所以根据C 中给出的条件可求出地球的质量;根据GM 太m 地r 2=m 地4π2T 2r ,得M 太=4π2r 3GT 2,所以据D 中给出的条件可求出太阳的质量,但不能求出地球质量,故选D.11.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2所示.一个质量一定的小物体(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,则选项所示的四个F 随x 变化的关系图中正确的是( )图2答案 A解析 因为质量分布均匀的球壳对壳内物体的万有引力为零,则在距离球心x 处(x ≤R )物体所受的引力为F =GM 1m x 2=G ·43πx 3ρ·m x 2=43G πρmx ∝x ,故F -x 图线是过原点的直线;当x >R 时,F =GMm x 2=G ·43πR 3ρ·m x 2=4G πρmR 33x 2∝1x2,故选项A 正确.12.理论上可以证明,质量均匀分布的球壳对壳内物体的引力为零.假定地球的密度均匀,半径为R .若矿井底部和地面处的重力加速度大小之比为k ,则矿井的深度为( )A.(1-k )RB.kRC.⎝⎛⎭⎫1-1k R D.kR 答案 A解析 设地球的平均密度为ρ,地表处的重力加速度为g =GM R 2=Gρ43πR 3R 2=43πGρR ;设矿井深h ,则矿井底部的重力加速度g ′=43πGρ(R -h ),g ′∶g =k ,联立得h =(1-k )R ,选项A 正确.13.我国月球探测计划“嫦娥工程”已经启动,科学家对月球的探索会越来越深入.(1)若已知地球半径为R ,地球表面的重力加速度为g ,月球绕地球运动的周期为T ,月球绕地球的运动近似看做匀速圆周运动,试求出月球绕地球运动的轨道半径.(2)若宇航员随登月飞船登陆月球后,在月球表面高度为h 的某处以速度v 0水平抛出一个小球,小球飞出的水平距离为x .已知月球半径为R 月,引力常量为G ,试求出月球的质量M 月. 答案 (1)3gR 2T 24π2 (2)2h v 02R 月2Gx 2解析 (1)设地球质量为M ,根据万有引力定律及向心力公式得G MM 月r 2=M 月(2πT )2r ,G MmR 2=mg联立解得r =3gR 2T 24π2(2)设月球表面处的重力加速度为g 月,小球飞行时间为t ,根据题意得x =v 0t ,h =12g 月t 2G M 月m ′R 月2=m ′g 月 联立解得M 月=2h v 02R 月2Gx 2. 五大发展理念之绿色发展。