（浙江專用）2018-2019學(xué)年高中物理 第六章 萬有引力與航天章末整合提升學(xué)案 新人教版必修2

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1、第六章 萬有引力與航天 章末整合提升 突破一　萬有引力定律的應(yīng)用 1.地球表面，萬有引力約等于物體的重力，由G＝mg；①可以求得地球的質(zhì)量M＝；②可以求得地球表面的重力加速度g＝；③得出一個代換式GM＝gR2，該規(guī)律也可以應(yīng)用到其他星球表面。 2.應(yīng)用萬有引力等于向心力的特點(diǎn)，即G＝m＝mω2r＝mr，可以求得中心天體的質(zhì)量和密度。 3.應(yīng)用G＝m＝mω2r＝mr可以計(jì)算做圓周運(yùn)動天體的線速度、角速度和周期。 【例1】 2013年12月2日，我國成功發(fā)射探月衛(wèi)星“嫦娥三號”，該衛(wèi)星在環(huán)月圓軌道繞行n圈所用的時間為t，月球半徑為R0，月球表面處重力加速度為g0。 (

2、1)請推導(dǎo)出“嫦娥三號”衛(wèi)星離月球表面高度的表達(dá)式； (2)地球和月球的半徑之比為＝4，表面重力加速度之比為＝6，試求地球和月球的密度之比。 解析　(1)由題意知，“嫦娥三號”衛(wèi)星的周期為T＝，設(shè)衛(wèi)星離月球表面的高度為h，由萬有引力提供向心力得： G＝m(R0＋h) 又G＝m′g0 聯(lián)立解得：h＝－R0 (2)設(shè)星球的密度為ρ，由G＝m′g得GM＝gR2 ρ＝＝ 聯(lián)立解得：ρ＝ 設(shè)地球、月球的密度分別為ρ0、ρ1，則：＝ 將＝4，＝6代入上式，解得ρ0∶ρ1＝3∶2 答案　(1)h＝－R0　(2)3∶2 突破二　人造衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)行時，各物理量的比較 1.衛(wèi)星在軌道上做勻

3、速圓周運(yùn)動，則衛(wèi)星受到的萬有引力全部提供衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動所需的向心力。 G＝? 2.兩種特殊衛(wèi)星 (1)近地衛(wèi)星：衛(wèi)星軌道半徑約為地球半徑，受到的萬有引力近似為重力，故有G＝m＝mg。 (2)地球同步衛(wèi)星：相對于地面靜止，它的周期T＝24 h，所以它只能位于赤道正上方某一確定高度h，故地球上所有同步衛(wèi)星的軌道均相同，但它們的質(zhì)量可以不同。 【例2】 研究表明，地球自轉(zhuǎn)在逐漸變慢，3億年前地球自轉(zhuǎn)的周期約為22小時。假設(shè)這種趨勢會持續(xù)下去，地球的其他條件都不變，未來人類發(fā)射的地球同步衛(wèi)星與現(xiàn)在的相比(　　) A.距地面的高度變大 B.向心加速度變大 C.線速度變大 D.角速度

4、變大 解析　地球的自轉(zhuǎn)周期變大，則地球同步衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期變大。由＝m(R＋h)， 得h＝－R，T變大，h變大，A正確。 答案　A 突破三　人造衛(wèi)星的發(fā)射、變軌與對接 1.發(fā)射問題 要發(fā)射人造衛(wèi)星，動力裝置在地面處要給衛(wèi)星以很大的發(fā)射初速度，且發(fā)射速度v>v1＝7.9 km/s，人造衛(wèi)星做離開地球的運(yùn)動；當(dāng)人造衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道區(qū)域后，再調(diào)整速度，使F引＝F向，即G＝m，從而使衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道。 2.變軌問題 人造衛(wèi)星在軌道變換時，速度發(fā)生變化，導(dǎo)致萬有引力與向心力相等的關(guān)系被破壞，繼而發(fā)生向心運(yùn)動或離心運(yùn)動，發(fā)生變軌。發(fā)射過程：如圖1所示，一般先把衛(wèi)星發(fā)射到較低軌道1上，然后在P

5、點(diǎn)點(diǎn)火，使衛(wèi)星加速，讓衛(wèi)星做離心運(yùn)動，進(jìn)入軌道2，到達(dá)Q點(diǎn)后，再使衛(wèi)星加速，進(jìn)入預(yù)定軌道3。 圖1 回收過程：與發(fā)射過程相反，當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)Q點(diǎn)時，使衛(wèi)星減速，衛(wèi)星由軌道3進(jìn)入軌道2，當(dāng)?shù)竭_(dá)P點(diǎn)時，再讓衛(wèi)星減速進(jìn)入軌道1，再減速到達(dá)地面。 3.對接問題 空間站實(shí)際上就是一個載有人的人造衛(wèi)星，地球上的人進(jìn)入空間站以及空間站上的人返回地面都需要通過宇宙飛船來完成。這就存在一個宇宙飛船與空間站對接的問題。 如圖2所示，飛船首先在比空間站低的軌道，通過控制軌道使飛船跟空間站恰好同時運(yùn)行到兩軌道的相切點(diǎn)，便可實(shí)現(xiàn)對接。 圖2 【例3】 如圖3所示，發(fā)射地球同步衛(wèi)星時，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地

6、圓形軌道1運(yùn)行，然后點(diǎn)火，使其沿橢圓軌道2運(yùn)行，最后再次點(diǎn)火，將衛(wèi)星送入同步圓形軌道3運(yùn)行，設(shè)軌道1、2相切于Q點(diǎn)，軌道2、3相切于P點(diǎn)，則衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運(yùn)行時： 圖3 (1)比較衛(wèi)星經(jīng)過軌道1、2上的Q點(diǎn)的加速度的大小，以及衛(wèi)星經(jīng)過軌道2、3上的P點(diǎn)的加速度的大??； (2)設(shè)衛(wèi)星在軌道1、3上的速度大小為v1、v3，在橢圓軌道上Q、P點(diǎn)的速度大小分別是v2Q、v2P，比較四個速度的大小。 解析　(1)根據(jù)牛頓第二定律，衛(wèi)星的加速度是由地球的引力產(chǎn)生的，即G＝ma。所以，衛(wèi)星在軌道2、3上經(jīng)過P點(diǎn)的加速度大小相等，衛(wèi)星在軌道1、2上經(jīng)過Q點(diǎn)的加速度大小也相等。 (

7、2)1、3軌道為衛(wèi)星運(yùn)行的圓軌道，衛(wèi)星只受地球引力作用做勻速圓周運(yùn)動， 由G＝m 得：v＝，因?yàn)閞1v3。 由開普勒第二定律知，衛(wèi)星在橢圓軌道上的運(yùn)動速度大小不同，在近地點(diǎn)Q的速度大，在遠(yuǎn)地點(diǎn)P的速度小，即v2Q>v2P。在軌道1上經(jīng)過Q時，有G＝m，在軌道2上經(jīng)過Q點(diǎn)時，有Gv1；在軌道2上經(jīng)過P點(diǎn)時，有G>m，在軌道3上經(jīng)過P點(diǎn)時，有G＝m，所以v3>v2P。綜合上述比較可得：v2Q>v1>v3>v2P。 答案　(1)衛(wèi)星經(jīng)過軌道1、2上的Q點(diǎn)的加速度的大小相等，經(jīng)過軌道2、3上的P點(diǎn)的加速度的大小也相等。 (2)v2Q>v1>v3>v2P 5