学探诊高中物理必修二万有引力与航天Word下载.docx
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3．知道卡文迪许首先较准确地测定了引力常量G的值
1．通过牛顿发现万有引力定律的思维过程，体会大胆猜测、直觉，以及实践检验在科学探索中的重要意义
2．通过“经历”万有引力定律的发现过程，体会“合理猜想－建立理论事实检验”的科学方法
*3．通过了解卡文迪许G值的测定，体会其中的物理方法：
“放大法”和“等效法”
万有引力理论的
成就
1．了解测定引力常量G的意义
2．掌握解决问题的基本思路：
天体做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供
1．知道观测人造卫星的运动，是测量地球的质量一种重要的方法
续表
万有引力
理论的
3．会计算中心天体的质量
4．知道未知天体（天王星和海王星）的发现过程
2．体会“预见并发现未知行星”，是万有引力理论威力的生动例证
5．通过对人造卫星的学习，感受航天成就（科学成就）正改变着人类的生活，同时也要体会到人类为此付出的代价和艰辛
6．通过对“经典力学的局限性”的了解，体会科学探索无止境
宇宙航行
1．理解人造卫星的发射原理
2．能独立推导第一宇宙速度的表达式
3．知道三个宇宙速度的值，并了解其物理意义
1．通过画草图等形式，讨论以不同的速度发射物体将会出现什么情况
2．知道推导地球第一宇宙速度的思维和方法可以迁移到其他星球上
经典力学
的局限性
1．初步了解经典力学、量子力学、相对论物理的基本思想和适用范围
2．初步了解经典力学中的相对运动问题
3．初步了解经典时空观和相对论时空观的差异
通过近代理论与观测例证，体会理论与实践检验的关系
Ⅱ学习指导
一、本章知识结构
二、本章重难点分析
1．开普勒第三定律
的理解
开普勒第三定律揭示了围绕同一中心天体运动的不同星体有同一个k值，这些不同星体的轨道半径和公转周期有一定关系．k是常量，它与运行的星体无关，与中心天体的质量有关．
例1已知太阳系有八大行星，从距离太阳较近处依次向外排列为：
水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，根据开普勒定律，试判断八大行星运动的周期的大小关系．
2．对万有引力定律的一点理解
万有引力是物质之间最广泛最基本的相互作用之一．万有引力普遍存在于物体间，与物体的性质、状态等均无关．任何物体受到另一个物体的吸引同时也反过来吸引另一物体．万有引力在大质量物体间作用显著．公式适用于计算质点间作用力，以及质量分布均匀球形物体间的作用力，此时r是球心间的距离．
3．万有引力在天文学上的应用
（1）基本思路：
理想情况下，把天体的运动看做匀速圆周运动，万有引力为其提供了向心力；
根据牛顿第二定律，将万有引力的表达式和向心力的表达式联立起来．即
注意：
在解决问题时，要会选择恰当的向心力表达式．
例2土星的9个卫星中最内侧的一个卫星，其轨道为圆形，轨道半径为1.59×
105km，公转周期为18小时46分钟，试求土星的质量．
（2）推导地球第一宇宙速度
（a）推导：
地球的第一宇宙速度是近地卫星在环绕地球运行时的线速度，此时可以近似认为其轨道半径等于地球自身半径，即：
r＝R．因此
（b）此思路不仅在地球上适用，也适用于推导其他星体上的第一宇宙速度．
例3地球上的第一宇宙速度约为8km/s，某行星的质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍．该行星上的第一宇宙速度是多大？
（3）7.9km/s的意义
（a）理论上，是发射卫星进入地球轨道所需要的最小发射速度．
（b）近地卫星（轨道半径最小，约等于地球半径）环绕地球运行的速度．
（c）环绕地球做匀速圆周运动的所有可能的速度中，最大的环绕速度．
例4如果有一个行星质量是地球的1/8，半径是地球半径的1/2．求环绕这一行星做圆周运动的卫星的最大速度．
（4）线速度v随轨道半径r的变化规律
地球的卫星在环绕地球做匀速圆周运动时，满足：
可见，轨道半径r越大，卫星环绕的线速度v越小．但是由于人造地球卫星在发射上升过程中要克服地球引力做功，此过程中卫星的动能在向势能转化，以增大高度．所以，要想把卫星发射到较高的轨道，就需要有较大的发射速度．因此，发射速度和环绕速度不能混为一谈．
想一想：
卫星从发射到进入既定轨道的过程中，都存在哪些能量？
它们是如何转化的？
（5）地球同步卫星
应用地球同步通讯卫星可以实现全球的电视转播．这种卫星相对于地球静止，如同悬在空中一样，试分析同步卫星一定位于地球赤道上空的理由，并计算它距地面的高度和线速度大小．
地球同步卫星可以定点在北京上空吗？
Ⅲ探究实践
想一想
1．理想模型理想模型是为了便于研究问题而做的一种高度抽象概括，常舍弃个别的、非本质的因素，突出主要的因素，抓住本质的东西，经过抽象、概括后形成一种理想化的模型．迄今为止，在物理学中你都学过哪些理想模型？
这种研究方法在其他学科中是否出现过？
生活中呢？
2．放大法、等效替代法卡文迪许扭秤实验运用了放大法，即：
经过力学放大和光学放大使很微弱的吸引力能够观测出来．等效替代法，即：
把微小的万有引力转变为力矩．这为我们在解决某些“疑难问题”提供了一些方法，回忆一下，在生活中你是否曾经运用过这些方法解决问题呢？
3．模拟法当有些事情我们不能亲身经历，或不能重现时，我们可以采用模拟的手段再现这些事情．中国科技馆中“万有引力演示仪”就是一种模拟．想一想在生活中，你是否见过或使用过这种模拟的方法？
读一读
1．卫星的发射
卫星是由运载火箭点火发射后送入其运行轨道的．运载卫星的火箭通常为三级火箭，其发射后的飞行过程大致可分为三个阶段：
第一阶段：
加速阶段．由于在地球表面附近，大气稠密，火箭飞行时受到的阻力很大．发射后经很短几分钟的加速使火箭已达相当大的速度，至第一级火箭脱离时，火箭已处于稠密大气层之外了．此后第二级火箭点火继续加速，直至其脱落．
第二阶段：
惯性飞行阶段．当第二级火箭脱离后，火箭已具有足够大的速度．这时第三级火箭并不立即点火发动，而是靠已获得的巨大速度继续升高而做惯性飞行，并在地面控制站的操纵下，使火箭逐渐转弯而偏离原先的竖直方向，直至变为与地面平行的水平方向．
第三阶段：
进入轨道阶段．当火箭到达与卫星预定轨道相切位置时，第三级火箭点火开始加速，使其达到卫星在轨道上运行所需的速度而进入轨道．进入轨道后，火箭就完成了其运载任务，卫星随即与其脱离而单独运行．刚脱离时，卫星与末级火箭具有相同的速度，并沿同一轨道运动．由于轨道处仍有稀薄气体存在，而卫星与火箭的外形不同，致使两者所受的阻力不同，因而两者的距离逐渐被拉开．
2．卫星的返回
卫星返回过程，大体必须经历四个阶段：
卫星脱离运行轨道进行制动飞行，这要求制动火箭准确点火，使返回舱保持规定的状态．
卫星在大气层外自由下降，在100千米左右的高度开始进入大气层，精确控制下降起始点的位置、高度、速度和方向．
卫星返回舱进入大气层急剧减速，同空气剧烈摩擦产生极高的热量，返回舱表面的最高温度可升高到1000度以上，因此要避免由于产生高温而烧毁．
第四阶段：
卫星返回舱下降到15千米以下高度，用降落伞减速，在海上或陆地安全降落．
以上过程要求卫星安全返回地面必须具有尖端的技术，卫星上必须装有测控系统、姿态控制系统、制动发动机、回收系统和返回防热系统．
1975年11月26日，中国成功发射了第一颗返回式卫星，卫星于29日按预定计划返回地面．这标志着中国在卫星返回技术领域已经进入世界先进行列．
以上两篇均摘自http:
∥
3．阅读：
卡文迪许利用扭秤方法测出G值
只有知道了G的数值，万有引力定律才有实际意义．在牛顿发现万有引力一百多年后，卡文迪许设计了扭秤装置，巧妙利用放大原理经过力学放大和光学放大使很微弱的吸引力能够观测出来．
卡文迪许测出G＝6.71×
10－11N·
m2/kg2．
（1）实验装置如图6－1所示．
图6－1
（2）装置原理把微小的万有引力转变为力矩，并尽可能增大力臂，从而使较小的力产生较大的力矩，扭秤在扭转时通过反射光的偏转再次把吸引力的效果放大．
（3）卡文迪许扭秤实验的意义使人们直观地见到万有引力的存在，并使万有引力的计算成为现实．它还给人们提供了科学的思想方法及实验方法．
Ⅳ诊断反馈
第一节行星的运动
1．关于行星的运转轨道，下列说法中正确的是（）
A．有的行星轨道是椭圆，有的是圆
B．大多数都是椭圆，只有极少数是圆
C．全部都是圆形轨道
D．全部都是椭圆轨道
2．关于行星围绕太阳的运动，下列说法中正确的是（）
A．对于某一个行星，它距离太阳越近，运动速度越慢
B．对于某一个行星，它距离太阳越近，运动速度越快
C．距离太阳越远的行星，运动周期越长
D．距离太阳越远的行星，运动周期越短
3．如图6－2所示，一卫星绕地球运动，图中虚线为卫星的运行轨迹，A、B、C、D是轨迹上的四个位置，其中A距离地球最近，C距离地球最远，B、D与地球的距离相等．关于卫星的运行速度，下列说法中正确的是（）
图6－2
A．卫星在A点的速度最大
B．卫星在C点的速度最大
C．卫星在B、D两点的速度大小相等
D．卫星在A、C两点的速度大小相等
4．一个太空探测器进入了一个圆形轨道绕太阳运转，已知其轨道半径为地球绕太阳运转轨道半径的9倍，则太空探测器绕太阳运转的周期是（）
A．9年B．3年C．27年D．81年
5．已知太阳系有八大行星，从距离太阳较近处依次向外排列为：
第二节太阳与行星间的引力
第三节万有引力定律
1．关于万有引力和万有引力定律，下列说法正确的是（）
A．只有天体间才存在相互作用的引力
B．只有质量很大的物体间才存在相互作用的引力
C．物体间的距离变大时，它们间的引力将变小
D．物体对地球的引力小于地球对物体的引力
2．地球对月球具有相当大的万有引力，但月球并没有向地球靠近，其原因是（）
A．万有引力不断改变月球的运动方向，使得月球绕地球运行
B．除地球外，太阳系里其他星球对月球也有万有引力，这些力的合力等于0
C．地球对月球的引力还不算大
D．地球与月球相互作用的万有引力，大小相等，方向相反，合力等于0
3．甲、乙两个物体之间万有引力的大小为F．若保持甲物体的质量不变，使乙物体的质量减为原来的一半，同时让甲乙两个物体间的距离变为原来的一半，则甲、乙两个物体间的万有引力将变为______．
4．已知木星质量大约是地球的320倍，木星绕日运行的轨道半径大约是地球绕日轨道半径的5.2倍，则太阳对木星和对地球的引力大小之比约为______．
5．关于万有引力常量G，以下说法中正确的是（）
A．在国际单位制中，G的单位是N·
kg2/m2
B．在国际单位制中，G的数值等于两个质量各为1kg的质点相距1m时的相互吸引力
C．在不同星球上，G的数值不一样
D．在不同星球上，G的数值都一样
6．太阳系中行星运行的轨道大都接近圆，试用万有引力定律证明：
所有行星的轨道的半径的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等．
第四节万有引力定律的成就
1．可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道（）
A．与地球表面上某一纬度线（非赤道）是共面同心圆
B．与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面同心圆
C．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，且卫星相对地球表面是静止的
D．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，但卫星相对地球表面是运动的
2．一颗人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动（）
A．卫星受到地球的万有引力提供向心力
B．根据公式
可知，它所受的向心力跟半径成反比
C．根据公式
可知，它所受的向心力跟半径的平方成反比
D．根据公式F＝mωv可知，它所受的向心力跟半径无关
3．我国发射的风云一号气象卫星是极地卫星，卫星飞过两极上空，其轨道平面与赤道平面垂直，周期为12h；
我国发射的风云二号气象卫星是地球同步卫星，周期是24h．由此可知，两颗卫星相比较（）
A．风云一号气象卫星距地面较近
B．风云一号气象卫星距地面较远
C．风云一号气象卫星的运动速度较大
D．风云一号气象卫星的运动速度较小
4．我国发射的“嫦娥一号”卫星经过多次加速、变轨后，最终成功进入环月工作轨道．如图6－3所示，卫星既可以在离月球比较近的圆轨道a上运动，也可以在离月球比较远的圆轨道b上运动．下列说法正确的是（）
图6－3
A．卫星在a上运行的线速度小于在b上运行的线速度
B．卫星在a上运行的周期大于在b上运行的周期
C．卫星在a上运行的角速度小于在b上运行的角速度
D．卫星在a上运行时受到的万有引力大于在b上运行时的万有引力
5．已知金星绕太阳公转的周期小于地球绕太阳公转的周期，它们绕太阳的公转均可看做匀速圆周运动，则（）
A．金星到太阳的距离大于地球到太阳的距离
B．金星运动的速度小于地球运动的速度
C．金星的向心加速度大于地球的向心加速度
D．金星的质量大于地球的质量
6．两颗人造卫星绕地球做匀速圆周运动，它们的质量之比为1∶2，轨道半径之比为1∶4，则（）
A．它们的运动速率之比为2∶1B．它们的周期之比为1∶4
C．它们的运动速率之比为4∶1D．它们的周期之比为1∶8
7．地球的质量为M，半径为R，自转角速度为ω，万有引力常量为G，地球表面的重力加速度为g，同步卫星距地面的距离为h，则同步卫星的线速度大小为（）
A．ω（R＋h）B．
C．
D．
8．地球绕太阳公转轨道半径为r，公转周期为T，万有引力常量为G，则太阳的质量M＝
______．
9．空间探测器进入某行星的万有引力范围之内以后，在靠近该行星表面上做匀速圆周运动，测得运动周期为T，则这个行星的平均密度ρ＝______．
10．两个球形行星A和B各有一颗靠近表面的卫星a和b．若这两个卫星的周期之比Ta∶Tb＝p，半径之比为RA∶RB＝q，则此两个行星的质量之比为MA∶MB为（）
A．
B．
11．1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星以来，人类活动范围从陆地、海洋、大气层扩展到宇宙空间，宇宙空间成为人类的第四疆域．人类发展空间技术的最终目的是开发太空资源．
（1）宇航员在围绕地球做匀速圆周运动的航天飞机中，会处于完全失重状态，下列说法正确的是（）
A．宇航员仍受万有引力的作用B．宇航员受力平衡
C．万有引力提供向心力D．宇航员不受任何力的作用
（2）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．可以从较低轨道上加速B．可以从较高轨道上加速
C．可以从空间站同一轨道上加速D．无论在什么轨道上，只要加速都行
（3）已知空间站周期为90min，地球半径约为6400km，地面重力加速度约为10m/s2，由此计算国际空间站离地面的高度？
第五节宇宙航行
1．人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，图6－4中实线b表示卫星的圆形轨道．某次运行经过A点后，卫星可能沿图中a、c两条虚线所示的轨迹运动．下列判断正确的是（）
图6－4
A．若沿a运动，则卫星经过A点时受万有引力增大
B．若沿c运动，则卫星经过A点时受万有引力增大
C．若沿a运动，则卫星经过A点时速度增大
D．若沿c运动，则卫星经过A点时速度增大
2．关于第一宇宙速度，下列说法正确的是（）
A．第一宇宙速度大小约为11.2km/s
B．第一宇宙速度是人造卫星绕地球做圆周运动的最小环绕速度
C．第一宇宙速度是人造卫星绕地球做圆周运动的最大环绕速度
D．第一宇宙速度是使人造卫星绕地球运动所需的最小发射速度
3．已知第一宇宙速度为7.9km/s，如果一颗人造卫星距地面的高度为3倍地球半径，它的运行速度是（）
A．17.8km/sB．7.9km/sC．3.95km/sD．1.98km/s
4．地球的第一宇宙速度为7.9km/s．如果有一行星质量是地球的
，半径是地球半径的
．则在这一行星上发射卫星的最小速度为______．（不考虑行星自转）
5．已知地球半径为R，地球自转角速度为ω，地球表面重力加速度为g，则在赤道上空，一颗相对于地面静止的通信卫星离地面的高度为______．
6．图6－5是“嫦娥一号”奔月示意图．卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨，进入地月转移轨道，最终被月球引力捕获，成为绕月卫星，并开展对月球的探测．下列说法正确的是（）
图6－5
A．发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度
B．卫星经过A点时，必须加速才能进入地月转移轨道
C．卫星经过B点时，必须减速才能被月球引力捕获，成为绕月卫星
D．卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比
全章练习
一、单选题
1．两个质点之间万有引力的大小为F．如果将这两个质点之间的距离变为原来的2倍，那么它们之间万有引力的大小变为（）
C．4FD．16F
2．关于同步卫星的轨道，下列说法正确的是（）
A．可以在地面上任一点的上方，且离地心的距离可按需要选择不同的值
B．可以在地面上任一点的上方，但离地心的距离是一定的
C．只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要选择不同的值
D．只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的
3．对于绕地球做匀速圆周运动的卫星，以下论断正确的是（）
A．卫星离地面越高，线速度越大
B．卫星离地面越高，角速度越大
C．卫星离地面越高，周期越长
D．卫星的线速度可能小于第一宇宙速度
4．人造地球卫星离地距离等于地球半径R，卫星沿圆轨道做匀速圆周运动。
设地面的重力加速度为g，则卫星做圆运动的速度v为（）
5．假设人造卫星绕地球做匀速圆周运动，当卫星绕地球运动的轨道半径增大到原来的2倍时，下列说法正确的是（）
A．卫星运动的线速度将增大到原来的2倍
B．卫星所受的向心力将减小到原来的一半
C．卫星运动的周期将增大到原来的2倍
D．卫星运动的线速度将减小到原来的
6．假设火星和地球都是球体，火星的质量M1与地球质量M2之比M1∶M2＝p；
火星的半径R1与地球的半径R2之比R1∶R2＝
，那么火星表面的引力加速度g1与地球表面处的重力加速度g2之比g1∶g2等于（）
B．pq2C．
D．pq
7．地球的第一宇宙速度约为8km/s，某行星的质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍．该行星上的第一宇宙速度约为（）
A．16km/sB．32km/sC．46km/sD．2km/s
8．已知贴近天体表面飞行的卫星周期为T，则可以求得（）
A．天体的平均密度B．天体的质量
C．天体的自转周期D．天体的同步卫星的轨道半径
二、多选题
9．已知地球半径为R，地面重力加速度为g，一颗离地面高度为R的人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，则（）
A．卫星的加速度大小为
B．卫星的角速度为
C．卫星的周期为
D．卫星的线速度大小为
10．关于地球的同步卫星，下列说法正确的是（）
A．它处于平衡状态，且具有一定的高度
B．它的加速度小于9.8m/s2
C．它的周期是24小时，且轨道平面与赤道平面重合
D．它绕行的速度小于7.9km/s
11．一个小行星环绕太阳做匀速圆周运动，轨道半径是地球公转半径的4倍，则（）
A．它的线速度是地球公转线速度的2倍B．它的环绕周期是4年
C．它的线速度是地球公转线速度的1/2D．它的环绕周期是8年
12．2006年9月3日欧洲航天局的第一枚月球探测器“智能1号”成功撞上月球。
已知“智能1号”月球探测器环绕月球沿椭圆轨道运动，用m表示它的质量，h表示它在近月点的高度，ω表示它在近月点的角速度，a表示它在近月点的加速度，R表示月球的半径，g表示月球表面处的重力加速度。
忽略其他星球对“智能1号”的影响。
则“智能1号”在近月点所受月球对它的万有引力的大小等于（）
A．maB．
C．mω2（R＋h）D．以上结果都不对
三、填空题
13．A为地球赤道上的物体，B为近地卫星（轨道半径等于地球半径），C为地球同步卫星．A、B、C比较，离地心距离最远的是______；
运行周期最短的是______．
14．某天文台测得一颗卫星绕某行星做匀速圆周运动的轨道半径为R，周期为T，已知万有引力常量为G．则卫星的向心加速度为______，行星的质量为______．
15．若已知地球半径为6400km，地球表面处的重力加速度为g＝9.8m/s2．则环绕地球做匀速圆周运动的卫星，运行的最小周期约为______min．
16．在半径为R的星球上以速度v0竖直上抛一物体，经过时间t，物体落回抛出点．如不考虑星球自转，将物体沿该星球赤道切线方向抛出，要使物体不再落回星球表面，抛出的初速至少应为______．
四、计算题
17．“神舟六号”载人飞船在绕地球飞行了5圈后变轨，轨道变为距地面高度为h的圆形轨道．已知地球半径为R，地面附近的重力加速度为g．求飞船在圆轨道上运行的速度和运行的周期．
18．已知地球质量约等于6.0×
1024kg，地球半径约等于6.4×
103km，万有引力恒量等于6.67×
10－11N·
m2/kg2，试根据以上数据计算第一宇宙速度．
19．我国研制的“神舟六号”载人飞船于2005年10月17日成功发射，在运载两名宇航员绕地球飞行5天后，安全降落在内蒙古中部指定地区，请回答有关载人航天飞行问题：
（1）地球的半径R＝6400km，地球表面的重力加速度g＝9.8m/s2，若使航天飞船在无动力作用的情况下在离地面高h＝340km的圆轨道上绕地球运行，飞船的速度为多大？
（2）飞
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