2020高考物理二轮复习 万有引力与天体运动专题复习教案

万有引力与天体运动专题复习

近几年来，随着我国载人航天的成功、探月计划的实施、空间站实验的推进及宇宙探索的进一步深入，以此为题材的试题也成了高考中的热点内容，试题注重把万有引力定律和圆周运动结合起来进行综合考查，要求考生有较强的运算推理、信息提取能力和应用物理知识解决实际问题的能力。 一、天体运动问题的处理方法

处理天体的运动问题时，一般来说建立这样的物理模型：中心天体不动，环绕天体以中心天体的球心为圆心做匀速圆周运动；环绕天体只受到的中心天体的万有引力提供环绕天体做匀速圆周运动的向心力，结合牛顿第二定律与圆周运动规律进行分析，一般来说有两个思路：一是环绕天体绕中心天体在较高轨道上做匀速圆周运动，所需要的向心力由万有引力提供，即

Mmv24?22

G2?m2=mωr=m2r=man，二是物体绕中心天体在中心天体表面附近作近地rrT运动，物体受到的重力近似等于万有引力，mg?GMm(R为中心天体的半径)。 R2例题：（2020天津）质量为m的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行，其运动视为匀速圆周运动。已知月球质量为M，月球半径为R，月球表面重力加速度为g，引力常量为G，不考虑月球自转的影响，则航天器的 A．线速度v?速度a?GMR2

RGM B．角速度??gR C．运行周期T?2? D．向心加

gR解析：万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，

Mmv2GMMGG2?m?ma,v?,a?2 RRRRMm4?22航天器在接近月球表面的轨道上飞行,mg?G2?m?R?m2R代入相关公式

RT即可，正确答案为AC。

针对练习1：（2020浙江）为了探测X星球，载着登陆舱的探测飞船在该星球中心为圆心，半径为r1的圆轨道上运动，周期为T1，总质量为m1。随后登陆舱脱离飞船，变轨到离星球更近的半径为r2 的圆轨道上运动，此时登陆舱的质量为m2则 A. X星球的质量为M?4?2r1GT1

2B. X星球表面的重力加速度为gX?4?2r1T12

C. 登陆舱在r1与r2轨道上运动是的速度大小之比为

v1?v2m1r2 m2r1r2r1233D. 登陆舱在半径为r2轨道上做圆周运动的周期为T2?T1Mm1r12

解析：根据Gr2r1233?2??m1r1??T?1??2?Mm2??G?mr、22?2?r2??T22?4?2r1?、2?，可得M?GT1?T2?T1，故A、D正确；登陆舱在半径为r1的圆轨道上运动的向心加速度

a?r1?1?4?2r1T12，此加速度与X星球表面的重力加速度并不相等，故C错误；根据

v1GMmv2GM?m?，得，则v?2rrv2rr2，故C错误。 r1Mmv2点评：天体作圆周运动时向心力由万有引力提供，即G2?m2=mω

rr2

4?2r=m2r=man。式中的r为两天体中心之间的距离，V为环绕线速度，T为环绕周期。

TMmv2MmGM由G2?m2可得：v? r越大，V越小；由G2?m?2r可得：

rrrrMm?2????GM3 r越大，ω越小；由G2?m??r可得：T?2?r3rr?T?越大，T越大。由G2GM r

MmGM?maa?可得： r越大，a向越小。由此可见，卫星向向22rr运行轨道半径r与该轨道上的线速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a存在着一一对应的关系，若r、v、ω、T、a中有一个确定，则其余皆确定，与卫星的质量无关。

针对练习2：（湖南省2020年十二校联考）我国和欧盟合作正式启动伽利略卫星导航定位系统计划，这将结束美国全球卫星定位系统（GPS) —统天下的局面.据悉，“伽利略”卫星定位系统将由30颗轨道卫星组成，卫星的轨道高度为2.4X104km，倾角为56°，分布在3个轨道面上，每个轨道面部署9颗工作卫星和1颗在轨备份卫星，当某颗工作卫星出现故障时可及时顶替工作.若某颗替补卫星处在略低于工作卫星的轨道上，则这颗卫星的周期和速度与工作卫星相比较，以下说法中正确的是（Ｃ） A、替补卫星的周期大于工作卫星的周期，速度大于工作卫星的速度 B、替补卫星的周期大于工作卫星的周期，速度小于工作卫星的速度 C、 替补卫星的周期小于工作卫星的周期，速度大于工作卫星的速度 D、替补卫星的周期小于工作卫星的周期，速度小于工作卫星的速度 二、中心天体质量和密度的估算

Mmv2天体作圆周运动时向心力由万有引力提供，即G2?m2=mω

rr2

4?2r=m2r=man。由上式知，若能测出行星绕中心天体运动的某些物理量，则可求出

T中心天体的质量，一般情况下是通过观天体卫星运动的周期T和轨道半径r或天体表面的重力加速度g和天体的半径R，就可以求出天体的质量M。当卫星沿中心天体表面绕天体运行时，中心天体的密度为：ρ＝

3?。 2GT例题：（06北京卷）一飞船在某行星表面附近沿圆轨道绕该行星飞行。认为行星是密度均匀的球体，要确定该行星的密度，只需要测量

A.飞船的轨道半径 B.飞船的运行速度 C.飞船的运行周期 D.行星的质量

解析：本题涉及万有引力定律的应用，主要考查灵活选用公式解决物理问题的能力。

Mm4?2r万有引力提供向心力，则G2?m2，由于飞行器在行星表面附近

rT3飞行，其运行半径r近似等于行星半径，所以满足M＝ρ??r3，联立

43?得：ρ＝。 2GT针对练习1：（2020年广东物理）已知万有引力常量为G，地球半径为R，月球与地球之间的距离为r，同步卫星距离地面高度h,月球绕地球运动的周期T1，地球自转周期T2，地球表面的重力加速度g，某学生根据以上条件，提出一种估算地球质量

Mm4?24π2h3的方法：同步卫星绕地心作圆周运动，由G2=m2h 得M= 2hT2GT2（1）请判断上面的结果是否正确，并说明理由。如不正确，请给出正确的解法与结果。

（2）请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果。 解析：（1）上面的结果是错误的。地球的半径在计算中不能忽略。 正确的解法与结果是：GMm?h?R?2 = m4?2T22?R?h? M=

4π2?h?R?GT223）

4π2r3Mm4?2r(2)方法一：对月球绕地球作圆周运动由G2=2，M= 2rGT1T1MmgR2方法二：在地面重力近似等于万有引力，由G2=mg，M=

RG点评：此题注重了天体运动基础知识的考查，试题具有开放性，真正考查了学生的能力。

针对练习2：（10安徽卷）为了对火星及其周围的空间环境进行探测，我国预计于2020年10月发射第一颗火星探测器“萤火一号”。假设探测器在离火星表面高度分别为h1和h2的圆轨道上运动时，周期分别为T1和T2。火星可视为质量分布均匀的球体，且忽略火星的自转影响，万有引力常量为G。仅利用以上数据，可以计算出