2021高考物理二輪復(fù)習(xí)專題一第四講萬(wàn)有引力定律及其應(yīng)用課件

1、第四講萬(wàn)有引力定律及其應(yīng)用第四講萬(wàn)有引力定律及其應(yīng)用專題一專題一內(nèi)容索引體系構(gòu)建體系構(gòu)建 真題感悟真題感悟高頻高頻考點(diǎn)考點(diǎn) 能力能力突破突破體系構(gòu)建體系構(gòu)建 真題感悟真題感悟【網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建】 【高考真題高考真題】 1.(2020全國(guó)卷)嫦娥四號(hào)探測(cè)器于2019年1月在月球背面成功著陸,著陸前曾繞月球飛行,某段時(shí)間可認(rèn)為繞月做勻速圓周運(yùn)動(dòng),圓周半徑為月球半徑的k倍。已知地球半徑r是月球半徑的p倍,地球質(zhì)量是月球質(zhì)量的q倍,地球表面重力加速度大小為g。則嫦娥四號(hào)繞月球做圓周運(yùn)動(dòng)的速率為()答案 d 情境剖析 本題屬于基礎(chǔ)性題目,以“嫦娥四號(hào)探測(cè)器繞月運(yùn)動(dòng)”為素材創(chuàng)設(shè)科技類情境。素養(yǎng)能力 本題利

2、用探測(cè)器繞轉(zhuǎn)現(xiàn)象考查萬(wàn)有引力定律,屬于對(duì)物理觀念和科學(xué)思維的考查,對(duì)考生的理解能力和邏輯推理能力有一定要求。2.(2020山東卷)我國(guó)將在今年擇機(jī)執(zhí)行“天問(wèn)1號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)。質(zhì)量為m的著陸器在著陸火星前,會(huì)在火星表面附近經(jīng)歷一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為t0、速度由v0減速到零的過(guò)程。已知火星的質(zhì)量約為地球的0.1倍,半徑約為地球的0.5倍,地球表面的重力加速度大小為g,忽略火星大氣阻力。若該減速過(guò)程可視為一個(gè)豎直向下的勻減速直線運(yùn)動(dòng),此過(guò)程中著陸器受到的制動(dòng)力大小約為()答案 b 情境剖析 本題屬于基礎(chǔ)性題目,以“天問(wèn)1號(hào)火星探測(cè)”為素材創(chuàng)設(shè)科技類情境。素養(yǎng)能力 本題利用萬(wàn)有引力定律求解火星表面的重力加速度,

3、然后利用牛頓第二定律求力,考查了運(yùn)動(dòng)與相互作用等物理觀念,對(duì)考生的理解能力、分析綜合能力有一定要求。3.(2019全國(guó)卷)金星、地球和火星繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)均可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng),它們的向心加速度大小分別為a金、a地、a火,它們沿軌道運(yùn)行的速率分別為v金、v地、v火。已知它們的軌道半徑r金r地a地a火b.a火a地a金c.v地v火v金d.v火v地v金答案 a 情境剖析 本題屬于基礎(chǔ)性題目,以“行星公轉(zhuǎn)”為素材創(chuàng)設(shè)自然現(xiàn)象類情境。素養(yǎng)能力 本題利用行星公轉(zhuǎn)現(xiàn)象考查行星的繞轉(zhuǎn)規(guī)律,屬于對(duì)物理觀念和科學(xué)思維的考查,主要考查考生的理解能力。4.(2018全國(guó)卷)2018年2月,我國(guó)500 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡(天眼

4、)發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星“j0318+0253”,其自轉(zhuǎn)周期t=5.19 ms,假設(shè)星體為質(zhì)量均勻分布的球體,已知萬(wàn)有引力常量為6.6710-11nm2/kg2。以周期t穩(wěn)定自轉(zhuǎn)的星體的密度最小值約為()a.5109kg/m3b.51012 kg/m3 c.51015 kg/m3d.51018 kg/m3答案 c 情境剖析 本題屬于應(yīng)用性題目,以“射電望遠(yuǎn)鏡(天眼)發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星”為素材創(chuàng)設(shè)科技類情境。素養(yǎng)能力 本題考查星體穩(wěn)定不解體時(shí)的最小密度的計(jì)算,屬于對(duì)物理觀念和科學(xué)思維的考查,主要考查考生的理解能力和邏輯推理能力。解題時(shí)要注意星體赤道上的物體需要的向心力最大,最容易因星球自轉(zhuǎn)而脫離星體,當(dāng)恰好

5、脫離時(shí)與星體表面的彈力為零,萬(wàn)有引力全部提供向心力。5.(多選)(2018全國(guó)卷)2017年,人類第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波。根據(jù)科學(xué)家們復(fù)原的過(guò)程,在兩顆中子星合并前約100 s時(shí),它們相距約400 km,繞二者連線上的某點(diǎn)每秒轉(zhuǎn)動(dòng)12圈。將兩顆中子星都看作是質(zhì)量均勻分布的球體,由這些數(shù)據(jù)、萬(wàn)有引力常量并利用牛頓力學(xué)知識(shí),可以估算出這一時(shí)刻兩顆中子星()a.質(zhì)量之積b.質(zhì)量之和c.速率之和d.各自的自轉(zhuǎn)角速度答案 bc 情境剖析 本題屬于綜合性、創(chuàng)新性題目,以“探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波”為素材,創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)探索類問(wèn)題情境。素養(yǎng)能力 本題利用雙星模型考查萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用,屬于

6、對(duì)物理觀念和科學(xué)思維的考查,對(duì)考生的模型建構(gòu)能力、信息加工能力、邏輯推理能力和分析綜合能力有較高要求。高頻高頻考點(diǎn)考點(diǎn) 能力能力突破突破考點(diǎn)一考點(diǎn)一萬(wàn)有引力定律及天體質(zhì)量和密度的求解萬(wàn)有引力定律及天體質(zhì)量和密度的求解(h)規(guī)律方法天體質(zhì)量及密度的估算方法 【典例1】(2020廣西南寧高三第一次適應(yīng)性測(cè)試)若宇航員在月球表面附近自高h(yuǎn)處以初速度v0水平拋出一個(gè)小球,測(cè)出小球從拋出到落地的位移為l。已知月球半徑為r,萬(wàn)有引力常量為g,則下列說(shuō)法正確的是()答案 c 解題指導(dǎo) 審題讀取題干獲取信息月球表面附近重力加速度不變,月球表面物體的重力等于月球?qū)ξ矬w的萬(wàn)有引力自高h(yuǎn)處以初速度v0水平拋出一個(gè)小

7、球,測(cè)出小球從拋出到落地的位移為l可求月球表面物體平拋運(yùn)動(dòng)的加速度,即月球表面的重力加速度月球半徑為r,萬(wàn)有引力常量為g求得月球表面的重力加速度的前提下可求月球質(zhì)量破題根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的初速度、水平位移和豎直位移可求月球表面的重力加速度,進(jìn)一步用“黃金代換”可求月球質(zhì)量,結(jié)合月球體積公式可求月球密度。【類題演練類題演練】 1.(多選)已知人造航天器在月球表面附近繞月球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)時(shí)間t(t小于航天器的繞行周期),航天器運(yùn)動(dòng)的弧長(zhǎng)為s,航天器與月球的中心連線掃過(guò)角度為,萬(wàn)有引力常量為g,則()答案 bc 2.(2020廣東廣州廣大附中高三模擬)地球半徑為r,在距球心r處(rr)有一顆同步衛(wèi)星

8、,另有一半徑為2r的星球a,在距其球心2r處也有一顆同步衛(wèi)星,它的周期是72 h,那么,a星球的平均密度與地球平均密度的比值是()a.1 3b.3 1c.1 9d.9 1答案 c 3.(2020河北石家莊高三教學(xué)質(zhì)量檢測(cè))嫦娥四號(hào)著陸器已完成第二十月晝工作,于2020年7月27日按地面指令完成月夜模式設(shè)置,進(jìn)入第二十月夜,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)壽命。若嫦娥四號(hào)經(jīng)過(guò)若干次軌道調(diào)整后,先在距離月球表面h的高度處繞月球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),然后開(kāi)啟反沖發(fā)動(dòng)機(jī),嫦娥四號(hào)著陸器暫時(shí)處于懸停狀態(tài),最后實(shí)現(xiàn)軟著陸。月球的半徑為r且小于地球的半徑,月球表面的重力加速度為g0且小于地球表面的重力加速度,引力常量為g。不考慮月球

9、的自轉(zhuǎn),則下列說(shuō)法正確的是()a.嫦娥四號(hào)的發(fā)射速度大于地球的第二宇宙速度b.嫦娥四號(hào)繞月球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度可能大于地球的第一宇宙速度c.由題可知月球的平均密度=d.嫦娥四號(hào)在繞月球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期為答案 c 考點(diǎn)二考點(diǎn)二衛(wèi)星的定軌和變軌問(wèn)題衛(wèi)星的定軌和變軌問(wèn)題考法考法1衛(wèi)星運(yùn)行參量的分析衛(wèi)星運(yùn)行參量的分析(h)規(guī)律方法1.在討論有關(guān)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),關(guān)鍵要明確向心力、軌道半徑、線速度、角速度、周期和向心加速度,它們之間彼此影響、互相聯(lián)系。2.不管是定性分析還是定量計(jì)算,必須抓住衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。萬(wàn)有引力提供衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,根據(jù)求出相應(yīng)物理量的表達(dá)式即可討論或求解,需要

10、注意的是a、v、t均與衛(wèi)星質(zhì)量無(wú)關(guān)。3.兩種衛(wèi)星的特點(diǎn)(1)近地衛(wèi)星軌道半徑=地球半徑。衛(wèi)星所受萬(wàn)有引力=mg。衛(wèi)星向心加速度=g。(2)同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星繞地心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期等于地球的自轉(zhuǎn)周期。所有地球同步衛(wèi)星都在赤道上空相同的高度上。【典例2】(2020四川眉山高三三診)我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用“快舟一號(hào)”甲運(yùn)載火箭,以“一箭雙星”方式,成功將微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和瀟湘一號(hào)07衛(wèi)星發(fā)射升空,衛(wèi)星均進(jìn)入預(yù)定軌道。假設(shè)微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星軌道半徑為r1,瀟湘一號(hào)07衛(wèi)星軌道半徑為r2,兩顆衛(wèi)星的軌道半徑r1a1a0b.在軌道上,從p到q的過(guò)程中機(jī)械能增加c.在p點(diǎn),軌道的線速度大于軌道的線速度

11、d.軌道的運(yùn)行周期大于軌道的運(yùn)行周期答案 c 解題指導(dǎo) 審題讀取題干獲取信息為近地軌道,為轉(zhuǎn)換軌道,為同步軌道近地軌道半徑為地球半徑,同步衛(wèi)星的角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度題圖衛(wèi)星在近地軌道p點(diǎn)做離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)換軌道,衛(wèi)星在轉(zhuǎn)換軌道q點(diǎn)做離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入同步軌道破題對(duì)背景材料不過(guò)分解讀,要提取關(guān)鍵信息。衛(wèi)星變軌時(shí)速度的變化要根據(jù)萬(wàn)有引力和所需向心力的大小關(guān)系判斷;根據(jù)牛頓第二定律比較各點(diǎn)的加速度;根據(jù)開(kāi)普勒第三定律比較不同軌道上衛(wèi)星的周期關(guān)系。素養(yǎng)點(diǎn)撥 衛(wèi)星變軌問(wèn)題的實(shí)質(zhì) 兩類變軌 離心運(yùn)動(dòng)近心運(yùn)動(dòng)變軌起因 衛(wèi)星速度突然增大衛(wèi)星速度突然減小受力分析變軌結(jié)果變?yōu)闄E圓軌道運(yùn)動(dòng)或在較大半徑圓軌道上運(yùn)動(dòng),在

12、新的軌道上運(yùn)行速度將減小,重力勢(shì)能、機(jī)械能均增大變?yōu)闄E圓軌道運(yùn)動(dòng)或在較小半徑圓軌道上運(yùn)動(dòng),在新的軌道上運(yùn)行速度將增大,重力勢(shì)能、機(jī)械能均減少應(yīng)用衛(wèi)星的發(fā)射和回收【類題演練類題演練】 7.(多選)(2020四川綿陽(yáng)高三下學(xué)期模擬)2020年4月24日,國(guó)家航天局將我國(guó)行星探測(cè)任務(wù)命名為“天問(wèn)系列”。首次火星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)一號(hào)”,目標(biāo)是通過(guò)一次發(fā)射,實(shí)現(xiàn)“火星環(huán)繞、火星表面降落、巡視探測(cè)”三大任務(wù)。若探測(cè)器登陸火星前,除p點(diǎn)在自身動(dòng)力作用下改變軌道外,其余過(guò)程中僅受火星萬(wàn)有引力作用,經(jīng)歷從橢圓軌道橢圓軌道圓軌道的過(guò)程,如圖所示,則探測(cè)器()a.在軌道上從p點(diǎn)到q點(diǎn)的過(guò)程中,機(jī)械能不變b.在

13、軌道上運(yùn)行的周期小于在軌道上運(yùn)行的周期c.在軌道上運(yùn)行速度大于火星的第一宇宙速度d.在軌道上p點(diǎn)受到火星的萬(wàn)有引力等于在軌道上p點(diǎn)受到火星的萬(wàn)有引力答案 ad 8.(多選)北京時(shí)間2019年7月19日21時(shí)06分,“天宮二號(hào)”受控離軌并再入大氣層,以一道絢爛的光芒消逝在大氣層中,少量殘骸落入南太平洋預(yù)定安全海域,功成身退。圓滿完成全部任務(wù)的“天宮二號(hào)”創(chuàng)造了我國(guó)航天史上的多個(gè)第一,也標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入空間站時(shí)代?！疤鞂m一號(hào)”的軌道是距離地面343 km的近圓軌道,“天宮二號(hào)”的軌道是距離地面393 km的近圓軌道,后繼發(fā)射的“神舟十一號(hào)”與之對(duì)接。下列說(shuō)法正確的是()a.在各自的軌道上正常運(yùn)行時(shí),

14、“天宮二號(hào)”比“天宮一號(hào)”的周期大b.在低于“天宮二號(hào)”的軌道上,“神舟十一號(hào)”需要先加速才能與之對(duì)接c.“天宮二號(hào)”受控離軌到再入大氣層的過(guò)程中速度減小d.“天宮二號(hào)”再入大氣層后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受地球的引力一定越來(lái)越大答案 ab 9.(2020浙江嘉興高三下學(xué)期5月教學(xué)測(cè)試)如圖所示為“嫦娥四號(hào)”探月過(guò)程的示意圖。探測(cè)器在圓形軌道上運(yùn)動(dòng),到達(dá)軌道的a點(diǎn)時(shí)變軌進(jìn)入橢圓軌道,變軌前后的速度分別為v1和v2;到達(dá)軌道的近月點(diǎn)b時(shí)再次變軌進(jìn)入月球近月軌道繞月球做圓周運(yùn)動(dòng),變軌前后的速度分別為v3和v4,則探測(cè)器()a.在a點(diǎn)變軌需要加速b.在軌道上從a點(diǎn)到b點(diǎn),速度變小c.在軌道上b點(diǎn)的加速度大于軌

15、道上b點(diǎn)的加速度d.四個(gè)速度大小關(guān)系滿足v3v4v1v2答案 d 考點(diǎn)三考點(diǎn)三雙星與多星問(wèn)題雙星與多星問(wèn)題(l)規(guī)律方法天體運(yùn)動(dòng)中的多星模型(1)雙星模型:天體運(yùn)動(dòng)中,將兩顆彼此距離較近且繞同一點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)的星體稱為雙星模型。雙星模型具有如下特點(diǎn):雙星間的萬(wàn)有引力提供向心力;雙星共同繞它們連線上某點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng),軌道半徑與星體的質(zhì)量成反比;雙星與旋轉(zhuǎn)中心始終共線,它們的周期、角速度相同;雙星模型中(a、b間距離為l,a、b質(zhì)量分別為m1、m2)常見(jiàn)公式有軌道(2)天體運(yùn)動(dòng)中,三星、四星等多星模型是指相互作用且圍繞某一點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)的星體。星體做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力由其他星體對(duì)它的萬(wàn)有引力的合力提供,

16、在多星系統(tǒng)中各星體運(yùn)行的角速度相等,其中三星模型常常有兩種情況:三個(gè)星體連在同一直線上,兩個(gè)星體圍繞中央的星體做周期相同的圓周運(yùn)動(dòng),向心力來(lái)源于其他兩個(gè)星體對(duì)它的引力的合力;三個(gè)星體位于等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上,并沿等邊三角形的外接圓軌道運(yùn)行,三個(gè)星體運(yùn)行周期相同,向心力來(lái)源于其他兩個(gè)星體對(duì)它的萬(wàn)有引力的合力?！镜淅?】(2020遼寧遼南協(xié)作體高三下學(xué)期二模)一百多年前愛(ài)因斯坦預(yù)言了引力波存在,2015年科學(xué)家探測(cè)到黑洞合并引起的引力波。雙星的運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生引力波的來(lái)源之一,在宇宙中有一雙星系統(tǒng)由p、q兩顆星體組成,這兩顆星繞它們連線的某一點(diǎn)只在二者間的萬(wàn)有引力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng),測(cè)得p星的周期為

17、t,p、q兩顆星的距離為l,p、q兩顆星的軌道半徑之差為r(p星的軌道半徑大于q星的軌道半徑),引力常量為g,則下列結(jié)論錯(cuò)誤的是()答案 c 思維點(diǎn)撥 解答雙星模型中物理量和、差、積、比的問(wèn)題,基本思路是一定的,都是根據(jù)雙星有相等的向心力,結(jié)合已知條件求出相應(yīng)物理量的表達(dá)式,再求和、差、積、比,注意能合并的物理量要合并。素養(yǎng)點(diǎn)撥 緊抓四點(diǎn)解決雙星、多星問(wèn)題(1)根據(jù)雙星或多星的特點(diǎn)、規(guī)律,確定系統(tǒng)的中心以及運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。(2)系統(tǒng)中某星體的向心力由系統(tǒng)其他星體的萬(wàn)有引力的合力提供。(3)星體的角速度相等。(4)星體的軌道半徑不是天體間的距離。要利用幾何知識(shí),尋找兩者之間的關(guān)系,正確計(jì)算萬(wàn)有引力和向心力。【類題演練類題演練】 10.(2020吉林長(zhǎng)春高三二模)2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位科學(xué)家,以表彰他們對(duì)于人類對(duì)宇宙演化方面的了解所做的貢獻(xiàn)。其中兩位的貢獻(xiàn)是首次發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外行星,其主要原理是恒星和其行星在引力作用下構(gòu)成一個(gè)“雙星系統(tǒng)”,恒星在周期性運(yùn)動(dòng)時(shí),可通過(guò)觀察其光譜的周期性變化知道其運(yùn)動(dòng)周期,從而證實(shí)其附近存在行星。若觀測(cè)到的某恒星運(yùn)動(dòng)周期為t,并測(cè)得該恒星與行星的距離為l,已知萬(wàn)有引力常量為g,則由這些物理量可以求得()a.行星的質(zhì)量 b.恒星的質(zhì)量c.恒星