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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载行星的运动、万有引力定律 要点一、地心说与日心说 要点诠释：1地心说 地球是宇宙的中心,并且静止不动,一切行星环绕地球做圆周运动公元 2 世纪的希腊天文学家托勒密使地心说进展和完善起来,由于地心说能说明一些天文现象,又符合人们的日常体会例如我们看到太阳从东边升起,从西边落下,就认为太阳在绕地球运动 ,同时地心说也符合宗教神学关于地球是宇宙中心的说法,所以得到教会的支持,统治和禁锢人们的思想达一千多年之 久2日心说16 世纪,波兰天文学家哥白尼 14731543 年 依据天文观测的大量资料,经过长达40 多年的天文观测和潜心讨论
2、,提出“ 日心体系” 宇宙图景日心体系学说的基本论点有： 1 宇宙的中心是太阳,全部的行星都在绕太阳做匀速圆周运动 2 地球是绕太阳旋转的一般行星,月球是绕地球旋转的卫星,它绕地球做匀速圆周运动,同时仍跟 地球一起绕太阳运动 3 天穹不转动,由于地球每天自西向东自转一周,造成天体每天东升西落的现象 4 与日地距离相比,其他恒星离地球都特别遥远,比日地间的距离大得多随着人们对天体运动的不断讨论,发觉地心说所描述的天体的运动不仅复杂而且问题许多假如把地 球从天体运动的中心位置移到一个一般的、绕太阳运动的行星的位置,换一个角度来考虑天体的运动,许 多问题都可以解决,行星运动的描述也变得简洁了因此日心
3、说逐步被越来越多的人所接受,真理最终战 胜了谬误留意：古代的两种学说都不完善,太阳、地球等天体都是运动的,鉴于当时自然科学的熟悉才能,日 心说比地心说更先进,日心说能更完善地说明天体的运动以后的观测事实说明,哥白尼日心体系学说有 肯定的优越性但是,限于哥白尼时代科学进展的水平,哥白尼学说存在两大缺点：把太阳当做宇宙的 中心实际上太阳仅是太阳系的中心天体,而不是宇宙的中心沿用了行星在圆形轨道上做匀速圆周运 动的陈旧观念实际上行星轨道是椭圆的,行星的运动也不是匀速的要点二、开普勒发觉行星运动定律的历史过程 要点诠释： 1丹麦天文学家第谷连续20 年对行星的位置进行了精确的测量,积存了大量的数据到1
4、601 年他逝世时,这些耗尽了他毕生心血获得的天文资料传给了他的助手德国人开普勒 2 开普勒通过长时间的观看、记录、摸索与运算,逐步发觉哥白尼把全部行星运动都看成是以太阳为 圆心的匀速圆周运动好像简洁了一些,由于它与实际观看到的数据有着不小的出入 3 开普勒承担了精确地确定行星轨道的任务,他认真讨论了第谷对行星位置的观测记录,经过四年多 的刻苦运算,所得结果与第谷的观测数据至少有 8 的角度误差,那么这不容忽视的 8 可能就是人们认 为行星绕太阳做匀速圆周运动所造成的最终开普勒发觉行星运行的真实轨道不是圆,而是椭圆,并于 1609 年发表了两条关于行星运动的定律 4 开普勒在发表了第肯定律和其
5、次定律后,进一步讨论了不同行星的运动之间的相互关系,在 1619 年又发表了行星运动的第三条定律开普勒提出描述行星运动的规律,使人类的天文学学问提高了一大步,他被称为“ 创制天空法律者”要点 三、开普勒的行星运动定律 要点诠释： 轨道定律 1 开普勒第肯定律 全部行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上不同行星椭圆轨道就是不同的开普勒第肯定律说明白行星的运动轨道是椭圆,太阳在此椭圆的一个焦点上,而不是位于椭圆的中 心不同的行星位于不同的椭圆轨道上,而不是位于同一椭圆轨道,再有,不同行星的椭圆轨道一般不在名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 -
6、 - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载同一平面内 2 开普勒其次定律 面积定律 对任意一个行星来说,它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积如下列图,行星沿着椭圆轨道运行,太阳位于椭圆的一个焦点上假如时间间隔相等,即t2t1t4t3如,那么 SASB,由此可见,行星在远日点a 的速率最小,在近日点 b 的速率最大 3 开普勒第三定律 周期定律 a 代表椭圆轨道的半全部行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等如用长轴, T 代表公转周期,即3 ak 其中,比值k 是一个与行星无关的常量T2要点四、对行星运动规律的懂得要点诠释： 1 开普勒其次定律可以用来确定行
7、星的运行速率如下列图, 假如时间间隔相等,即 t 2t1t4t3,由开普勒其次定律,面积 A面积 B,可见离太阳越近,行星在相等时间内经过的弧长越长,即行星的速率就越大 2 开普勒三定律不仅适用于行星,也适用于其他天体,例如对于木星的全部卫星来说,它们的3 a一T2定相同, 但常量 k 的值跟太阳系各行星绕太阳运动的k 值不同 以后将会证明, 开普勒恒量k 的值只跟 行星运动时所环绕的中心天体的质量有关 3 要留意长轴是指椭圆中过焦点与椭圆相交的线段,半长轴即长轴的一半,留意它和远日点到太阳的距离不同 4 由于大多数行星绕太阳运动的轨道与圆特别接近,因此,在中学阶段的讨论可以按圆周运动处理,这
8、样开普勒三定律就可以这样懂得：大多数行星绕太阳运动的轨道特别接近圆,太阳处在圆心；对某一行星来说,它绕太阳做圆周运动的速率不变,即行星做匀速圆周运动；全部行星轨道半径的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等,即3 Rk如绕同一中心天T2体运动的两颗行星的轨道半径分别为R1、 R2,公转周期分别为T 1、T2,就有3 R 13 R 22 T 12 T 2要点五、太阳与行星间引力的推导要点诠释：名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载 1 假设地球以太阳为圆心做匀速圆周运动,那么太阳对地球的引力就为做匀速圆
9、周运动的地球供应向心力设地球的质量为m,运动线速度为v,地球到太阳的距离为r,太阳的质量为M就由匀速圆周运动的规律可知Fmv r2,F4v2 r T由得2mrT2又由开普勒第三定律T2r3,F4m,k由式得k2r2即Fmr2这说明：太阳对不同行星间的引力,跟行星的质量成正比,跟行星与太阳距离的平方成反比 2 依据牛顿第三定律,力的作用足是相互的,且等大反向, 因此地球对太阳的引力F 也应与太阳的质量成正比,且F - FFGMm,式中 G 是比例系数,与太阳、行星无关即FMr2FMm,写成等式 3 比较式不难得出r2r2留意：在中学阶段只能将椭圆轨道近似成圆形轨道来推导引力公式,但牛顿是在椭圆轨
10、道下推导引力 表达式的要点六、月地检验 要点诠释： 1 牛顿的思路：地球绕太阳运动是由于受到太阳的引力,人跳起后又能落回地球是由于人受到地球的引力这些力是否是同一种力.是否遵循相同的规律.实践是检验真理的唯独标准,但在当时的条件下很难通过试验来验证,这就自然想到了月球 2 月一地检验的基本思想：假如重力和星体间的引力是同一性质的力,都与距离的二次方成反比关 系,那么月球绕地球做近似圆周运动的向心加速度就应当是地面重力加速度的 1/ 3600,由于月心到地心的 距离约为地球半径的 60 倍 3 检验过程：牛顿依据月球的周期和轨道半径,运算出月球环绕地球做圆周运动的向心加速度名师归纳总结 a42r
11、2.71032 m / sg9. 8m/ s 2,如把这个物体移到月球轨道的高度,依据开普勒第三定第 3 页,共 9 页T2个物体在地面的重力加速度为律可以导出a1ar2,而r3k,就a1由于月心到地心的距离是地球半径的60 倍,r2TT2r2- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - a12g2.72 103m /s2学习必备欢迎下载60即其加速度近似等于月球的向心加速度的值 4 检验结果：月球环绕地球做近似圆周运动的向心加速度特别接近地面重力加速度的 1/ 3600,这个重要的发觉为牛顿发觉万有引力定律供应了有力的证据,即地球对地面物体的引力与天体间的引力,
12、本质上是同一性质的力,遵循同一规律要点七、万有引力定律要点诠释：1. 内容自然界中任何两个物体都是相互吸引的,引力的方向沿两物体的连线,引力的大小 F 与这两个物体质量的乘积 m m 成正比,与这两个物体间距离 r 的平方成反比；2. 公式FGm m 2,其中 G为万有引力常量,G6.671011N m2/kg2r23. 适用条件适用于相距很远,可以看作质点的物体之间的相互作用；质量分布匀称的球体可以认为质量集中于球心,也可以用此公式运算,其中 r 为两球心之间的距离；4. 重力与万有引力的关系在地球 质量为 M表面上的物体所受的万有引力 F可以分解成物体所受的重力 mg和随地球自转而做圆周运
13、动的向心力 F ,其中 F G Mm2,而 F mr 2；R（1）当物体在赤道上时F 、 mg、 F 三 力 同 向 , 此 时 F 达 到 最 大 值 F max mR 2, 重 力 加 速 度 达 到 最 小 值F F M 2g min G 2 Rm R（ 2）当物体在两极的极点时,F 0,此时重力等于万有引力 F mg ,重力加速度达到最大值,此最大值为 g max G M2；R（3）因地球自转角速度很小,G Mm2 mR 2,所以在一般情形下进行运算时认为 mg G Mm2；R R【典型例题】类型一、对开普勒定律的考查例 1、 1990 年 4 月 25 日,科学家将哈勃天文望远镜送上
14、距地球表面约 600 km 的高空,使得人类对宇宙中星体的观测与讨论有了极大的进展假设哈勃天文望远镜沿圆轨道绕地球运行已知地球半径为 6. 4 10 6m,利用地球同步卫星与地球表面的距离为 3. 6 10 7 m 这一事实可得到哈勃天文望远镜绕地球运行的周期以下数据中最接近其运行周期的是 A 0. 6 小时 B1. 6 小时 C4. 0 小时 D 24 小时【思路点拨】此题利用开普勒第三定律进行估算,留意同步卫星与地球的自转周期相同,是 24 小时；【答案】 B 【解析】由于哈勃天文望远镜和同步卫星都绕地球做圆周运动,由开普勒第三定律可知：其轨道半径名师归纳总结 的立方与周期的平方比值是相同
15、的,该比值是与地球有关的一个常数哈勃天文望远镜的轨道半径为R16. 4 106 m+600 km 7 106 m,周期为 T 1 同步卫星的轨道半径为R26. 4 106 m+3. 6 107m4. 24第 4 页,共 9 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 107m,周期为 T224 小时； 就有3 R 13 R 2学习必备欢迎下载T11. 6 小时, 因此其运行周期最接近1. 6,代入数据运算可得2 T 12 T 2小时,选项B 正确【总结升华】解题中关键是搞清轨道半径、地球半径、离地高度这三个量之间的关系例 2、月球环绕地球运动的轨道半径约为地球
16、半径的 60 倍,运行周期约为 27 天应用开普勒定律计算：在赤道平面内离地多高时,人造地球卫星随地球一起转动,就像停留在天空中不动一样 . R地 6400 km【思路点拨】月球和人造地球卫星都环绕地球运动,故可用开普勒第三定律求解【解析】当人造地球卫星相对地球不动时,就人造地球卫星的周期同地球自转周期相同设人造地球卫星轨道半径为 R、周期为 T依据题意知月球轨道半径为 60 R地 ,周期为 T 027 天,就有：R 32 60 R2 地 3T T 02 3 2T 1整理得：R 2 60 R 地 60 R 地 6.67R地T 0 27卫星离地高度 H R R 地 5.67 R 地 5.67 R
17、 地卫星离地高度5. 67 6400km3. 63 10 4km3 3a 1 a 2【总结升华】开普勒第三定律 2 3,不仅适用于行星绕太阳的运行,也适用于卫星或月球绕地球T 1 T 2的运行,在使用时肯定要留意公式中是指两行星 举一反三【高清课程：行星的运动 例 3】或卫星 绕同一中心天体运动【变式 1】地球赤道上的物体A,近地卫星B（轨道半径等于地球半径）,同步卫星C,如分别用rA、rB、 rC； TA、 TB、 TC； vA、 vB、 vC；分别表示三者离地心距离,周期,线速度,就三者的大小关系,；【答案】 rA =r BTB ,vBvCvA【高清课程：行星的运动 例 1】【变式 2】宇
18、宙飞船环绕太阳在近似圆形的轨道上运动,如轨道半径是地球轨道半径的 9 倍,就宇宙飞船绕太阳运行的周期是（）A 3 年 B9 年 C27 年 D81 年【答案】 C 类型二、太阳与行星间引力的考查例 3、已知太阳光从太阳射到地球需要500s,地球绕太阳的公转周期约为3. 2 107s,地球的质量约为 6 1024kg,求太阳对地球的引力为多大. 结果保留一位有效数字【思路点拨】地球绕太阳公转,由太阳对地球的引力供应向心力；【解析】地球绕太阳做椭圆运动,由于椭圆特别接近圆轨道,所以可将地球绕太阳的运动看成匀速圆名师归纳总结 周运动,需要的向心力由太阳对地球的引力供应,即FmR2mR42Rct c
19、为光速 ,所以第 5 页,共 9 页T2由于太阳光从太阳射到地球用的时间为500s,所以太阳与地球间的距离- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - F42mct T2学习必备欢迎下载代入数据得F3 1022N【总结升华】在有的物理问题中,所求量不能直接用公式进行求解,必需利用等效的方法间接求解,这就要求在等效替换中建立一个合理的物理模型,利用相应的规律；查找解题的途径举一反三【变式】以下说法正确选项我们引用了公式Fmv2,这个关系式实际上是牛顿其次定律,A 在探究太阳对行星的引力规律时,r是可以在试验室中得到验证的B在探究太阳对行星的引力规律时,我们引用了公式
20、v2 r,这个关系式实际上是匀速圆周运动T的一个公式,它是由速度的定义式得来的C在探究太阳对行星的引力规律时,我们引用了公式r3k,这个关系式是开普勒第三定律,是可T2以在试验室中得到证明的D在探究太阳对行星的引力规律时,使用的三个公式,都是可以在试验室中得到证明的【答案】 A、B 【解析】开普勒的三大定律是总结行星运动的观看结果而总结归纳出来的规律,每一条都是体会定律,都是从观看行星运动所取得的资料中总结出来的,故开普勒的三大定律都是在试验室无法验证的规律【总结升华】物理公式的推导是由已知的公式规律在满意肯定的条件下推导新的理论方式的一类问题,在公式的推导分析中留意公式的成立条件是关键类型三
21、、对万有引力定律的考查例 4、如下列图,在一个半径为R,质量为 M的匀称球体中,紧贴球的边缘挖去一个半径为R 的球 2形空穴后,剩余的阴影部分对位于球心和空穴中心连线上,与球心相距d 的质点 m的引力是多大？【思路点拨】此题可用补偿法,将挖去的部分填补上,变成匀质球后,由万有引力公式可求解,再名师归纳总结 依据力的合成与分解求剩余部分对m的引力；F 和剩余部分对质点的引力F2第 6 页,共 9 页【解析】把整个球体对质点的引力F看成是挖去的小球体对质点的引力之和,即FF 1F 2- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载R3143 R1M填补上
22、空穴的完整球体对质点m的引力FGMmd2挖去的半径为R 的小球体的质量为 2M,就M432838F 1GM m2GMm 2 dR8 dR 22挖去球穴后的剩余部分对球外质点m的引力F2FF 1GMm7 d228 dR2R22d2dR2【总结升华】 物体不能看作质点时,不能应用万有引力公式求解,想方法建立抱负模型后再应用公式求解；万有引力遵循力的合成与分解原就；举一反三【变式】如下列图,一个质量为 M 的匀质实心球,半径为 R假如从球上挖去一个直径为 R 的球,放在相距为 d 的地方求以下两种情形下,两球之间的引力分别是多大 . 1 从球的正中心挖去； 2 从与球面相切处挖去；并指出在什么条件下
23、,两种运算结果相同. M4r3r3,两部分的质量分别为【解析】依据匀质球的质量与其半径的关系3mM,M7M88 1 如图甲所示,依据万有引力定律,这时两球之间的引力为F 1GM m7GM2为此, 可利用等效割补法,先将 M d264d2 2 如图乙所示, 在这种情形下, 不能直接用万有引力公式运算转化为抱负模型,即用同样的材料将其填补为实心球FGMm1GM2d28d2由于填补空心球而增加的引力为M ,这时,两者之间的引力为名师归纳总结 FGdmm21GdM2,第 7 页,共 9 页/ 22,R/ 264R所以,这时M 与 m 之间的引力为1F 2FF1GM218 d8d2R/ 22- - -
24、- - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载当 d 远大于 R 时, M 可以视为质点这时,引力变为F2FF1GM218127GM2F 18d2d64d2即这时两种运算结果相同【总结升华】 万有引力定律表达式FGMm只适用于运算质点间变力,在高中阶段常见的质点模型是r2质量分布匀称的球体,因而利用“ 割补法” 构成质点模型,再利用万有引力定律与力的合成学问可求“ 缺失” 球间的引力例 5、地球赤道上的物体,由于地球自转产生的向心加速度a3.37 1022 m/ s,赤道上的重力加速度 g9. 77m/ s 2,试问： 1 质量为 m 的物体在地球赤道上所受
25、地球的万有引力为多大 . 2 要使在赤道上的物体由于地球的自转完全失去重力 角速度的多少倍 . 完全失重 ,地球自转的角速度应加快到实际【解析】 1 在赤道上,F 万mgF 内mgma9.803m 2 要使在赤道上的物体由于地球自转而完全失去重力即漂浮起来,就有2F 万 F 向 m 0 R,0 F 万 9.8037mR R0为漂浮时地球自转角速度,R 为地球半径正常情形即实际角速度为,就2m R m a,2a 3. 3 7 1 0,R R故 0 9.80372 290.9 173.37 10即自转角速度应加快到实际角速度的 17 倍【总结升华】漂浮时,物体所受万有引力完全用来供应自转的向心力例
26、 6、宇航员站在一星球表面上某高处,沿水平方向抛出一个小球,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 ,如抛出时的初速度增大为原先的 2 倍,就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 【解析】设抛出点的高度为 h,第一次水平位移为 x,就2 2 2x h L同理对于其次次平抛过程有名师归纳总结 2 2 h22 3 L 第 8 页,共 9 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 由解得hL学习必备欢迎下载3设该行星上重力加速度为g,由平抛运动规律得：h12 g t 2由万有引力定律与牛顿其次定律得：GMmmg 中间桥梁 R2由可解得出：M2 3LR23Gt2【总结升华】此题是平抛与万有引力的综合应用,同学们肯定要找到它们之间的联系重力加速度名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 9 页