3. 万有引力定律的应用特级教师教学实录

万有引力定律的应用

教学目标：

1．掌握万有引力定律的内容并能够应用万有引力定律解决天体、卫星的运动问题

2．掌握宇宙速度的概念

3．掌握用万有引力定律和牛顿运动定律解决卫星运动问题的基本方法和基本技能

教学重点：万有引力定律的应用

教学难点：宇宙速度、人造卫星的运动

教学方法：讲练结合，计算机辅助教学

教学过程：

一、万有引力定律：

FGm1m2

2r适用于两个质点或均匀球体；r为两质点或球心间的距离；G为万有引力恒量（1798年由英国物理学家卡文迪许利用扭秤装置测出）G6.6710二、万有引力定律的应用

1．解题的相关知识：

（1）在高考试题中，应用万有引力定律解题的知识常集中于两点：一是天体运动的向心11Nm2/kg2

42Mmv22力来源于天体之间的万有引力，即G2m2＝m2rmr；二是地球对物体的Trr万有引力近似等于物体的重力，即GmM2

＝mg从而得出GM＝Rg。

2R2（2）圆周运动的有关公式：＝，v=r。

T

1

Mmv2GM讨论：1）由G2m2可得：v

r越大，v越小。

rrr2）由GMm2mr可得：GM3

r越大，ω越小。

2rr2Mm233）由G2mr可得：T2rrT4）由GGM

r越大，T越大。

MmGMmaa可得：

r越大，a向越小。

向向22rr需要说明的是，万有引力定律中两个物体的距离，对于相距很远因而可以看作质点的物体就是指两质点的距离；对于未特别说明的天体，都可认为是均匀球体，则指的是两个球心的距离。人造卫星及天体的运动都近似为匀速圆周运动。

2．常见题型

万有引力定律的应用主要涉及几个方面：

（1）测天体的质量及密度：（万有引力全部提供向心力）

42r3Mm2由G2m

r

得M2GTrT433r3又MR

得

233GTR【例1】中子星是恒星演化过程的一种可能结果，它的密度很大。现有一中子星，观测到它的自转周期为T=21s。问该中子星的最小密度应是多少才能维持该星的稳定，不致因自转3011而瓦解。计算时星体可视为均匀球体。(引力常数G=6.6710m/kg.s) 32解析：设想中子星赤道处一小块物质，只有当它受到的万有引力大于或等于它随星体所需的向心力时，中子星才不会瓦解。

设中子星的密度为，质量为M

，半径为R，自转角速度为，位于赤道处的小物块质量为m，则有

GMm2432mR

MR

2TR32

由以上各式得3GT2，代入数据解得：1.271014kg/m3。

点评：在应用万有引力定律解题时，经常需要像本题一样先假设某处存在一个物体再分析求解是应用万有引力定律解题惯用的一种方法。

（2）行星表面重力加速度、轨道重力加速度问题：（重力近似等于万有引力）

表面重力加速度：GMmGMmgg

0022RR轨道重力加速度：GMmRh2mghghGMRh2

【例2】一卫星绕某行星做匀速圆周运动，已知行星表面的重力加速度为g0，行星的质量M与卫星的质量m之比M/m=81，行星的半径R0与卫星的半径R之比R0/R＝3.6，行星与卫星之间的距离r与行星的半径R0之比r/R0＝60。设卫星表面的重力加速度为g，则在卫星表面有GMmr2mg

……

经过计算得出：卫星表面的重力加速度为行星表面的重力加速度的1/3600。上述结果是否正确？若正确，列式证明；若有错误，求出正确结果。

解析：题中所列关于g的表达式并不是卫星表面的重力加速度，而是卫星绕行星做匀速圆周运动的向心加速度。正确的解法是

卫星表面GmR2＝g

行星表面GMR02=g0

即(R02mg)=

RMg0即g =0.16g0。

（3）人造卫星、宇宙速度：

人造卫星分类（略）：其中重点了解同步卫星

宇宙速度：（弄清第一宇宙速度与发卫星发射速度的区别）

【例3】我国自行研制的“风云一号”、“风云二号”气象卫星运行的轨道是不同的。“一号”是极地圆形轨道卫星。其轨道平面与赤道平面垂直，周期是12h；“二号”是地球同步卫

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星。两颗卫星相比

号离地面较高；

号观察范围较大；

号运行速度较大。若某天上午8点“风云一号”正好通过某城市的上空，那么下一次它通过该城市上空的时刻将是

。

解析：根据周期公式T=2r3GM知，高度越大，周期越大，则“风云二号”

气象卫星离GMr地面较高；根据运行轨道的特点知，“风云一号”

观察范围较大；根据运行速度公式V=知，高度越小，速度越大，则“风云一号”

运行速度较大，由于“风云一号”卫星的周期是12h，每天能对同一地区进行两次观测，在这种轨道上运动的卫星通过任意纬度的地方时时间保持不变。则下一次它通过该城市上空的时刻将是第二天上午8点。

【例4】可发射一颗人造卫星，使其圆轨道满足下列条件（

）

A、与地球表面上某一纬度线（非赤道）是共面的同心圆

B、与地球表面上某一经度线是共面的同心圆

C、与地球表面上的赤道线是共面同心圆,且卫星相对地面是运动的

D、与地球表面上的赤道线是共面同心圆,且卫星相对地面是静止的

解析：卫星绕地球运动的向心力由万有引力提供,且万有引力始终指向地心，因此卫星的轨道不可能与地球表面上某一纬度线（非赤道）是共面的同心圆，故A是错误的。由于地球在不停的自转，即使是极地卫星的轨道也不可能与任一条经度线是共面的同心圆，故B是错误的。赤道上的卫星除通信卫星采用地球静止轨道外，其它卫星相对地球表面都是运动的，故C、D是正确的。

三、针对训练

1．利用下列哪组数据，可以计算出地球质量：（

）

A．已知地球半径和地面重力加速度

B．已知卫星绕地球作匀速圆周运动的轨道半径和周期

C．已知月球绕地球作匀速圆周运动的周期和月球质量

D．已知同步卫星离地面高度和地球自转周期

2．“探路者”号宇宙飞船在宇宙深处飞行过程中，发现A、B两颗天体各有一颗靠近表面飞行的卫星，并测得两颗卫星的周期相等，以下判断错误的是

4

A．天体A、B表面的重力加速度与它们的半径成正比

B．两颗卫星的线速度一定相等

C．天体A、B的质量可能相等

D．天体A、B的密度一定相等

3．已知某天体的第一宇宙速度为8 km/s，则高度为该天体半径的宇宙飞船的运行速度为

A．22km/s

B．4 km/s C．42

km/s

D．8 km/s 4．探测器探测到土星外层上有一个环.为了判断它是土星的一部分还是土星的卫星群，可以测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系来确定

A．若v∝R，则该环是土星的一部分

B．若v2∝R，则该环是土星的卫星群

C．若v∝1/R，则该环是土星的一部分

D．若v2∝1/R，则该环是土星的卫星群

5．2002年12月30日凌晨，我国的“神舟”四号飞船在酒泉载人航天发射场发射升空，按预定计划在太空飞行了6天零18个小时，环绕地球108圈后，在内蒙古中部地区准确着陆，圆满完成了空间科学和技术试验任务，为最终实现载人飞行奠定了坚实基础.若地球的质量、半径和引力常量G均已知，根据以上数据可估算出“神舟”四号飞船的

A.离地高度

B.环绕速度

C.发射速度

D.所受的向心力

6．航天技术的不断发展，为人类探索宇宙创造了条件.1998年1月发射的“月球勘探者号”空间探测器，运用最新科技手段对月球进行近距离勘探，在月球重力分布、磁场分布及元素测定等方面取得最新成果.探测器在一些环形山中央发现了质量密集区，当飞越这些重力异常区域时

A．探测器受到的月球对它的万有引力将变大

B．探测器运行的轨道半径将变大

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C．探测器飞行的速率将变大

D．探测器飞行的速率将变小

7．（1998年全国卷）宇航员站在某一星球表面上的某高处，沿水平方向抛出一小球。经过时间t，小球落到星球表面，测得抛出点与落地点之间的距离为L。若抛出时的初速度增大到2倍，则抛出点与落地点之间的距离为3L。已知两落地点在同一水平面上，该星球的半径为R，万有引力常数为G。求该星球的质量M。

四．小结

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