2021届高考物理教学案：第21讲　万有引力定律及其应用含解析

1、学必求其心得，业必贵于专精2021届高考物理人教版一轮创新教学案：第21讲万有引力定律及其应用含解析第五章天体运动研读考纲明方向考纲要求复习指南内容要求考情分析：万有引力定律与牛顿运动定律结合分析天体、人造卫星、宇宙飞船的运动问题，以及估算天体的质量和密度问题，反映了物理学与现代科技的密切联系，是每年高考命题的热点.命题趋势:天体运动一般以选择题的形式单独考查，几乎每年必考。万有引力定律及其应用环绕速度第二宇宙速度和第三宇宙速度经典时空观和相对论时空观重读教材定方法1p31哪位科学家把天空中的现象与地面上的现象统一起来，成功解释了天体运行的规律？提示：牛顿。2p32开普勒行星运动定律的表述。提

2、示：(1）所有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。（2)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。(3)所有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。3p33对行星运动轨道简化为圆周后的开普勒三个定律的表述。提示:(1)行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心.(2)对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速度（或线速度）大小不变,即行星做匀速圆周运动.(3）所有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k。4p36问题与练习t2。提示：近地点的速度较大。5p37“太阳对行星的引力”一段,太阳对行星的引力公式依据什

3、么推导出来的？提示：依据开普勒行星运动定律和圆周运动向心力公式推导出来.6p39问题与练习t2。提示:通过开普勒第三定律得到的。7p40万有引力定律的适用范围是什么?提示：自然界中的任何两个物体。8p41万有引力理论的成就有哪些？提示：计算天体的质量、发现未知天体。9p42笔尖下发现的是哪一颗行星？提示：海王星。10p43问题与练习t3。提示：由m2r，得m,代入数据得：m5。931024 kg。11p44“宇宙速度”一段，发射地球卫星的最小速度是多少？提示:7。9 km/s。12p46科学漫步黑洞的特点是什么？提示：黑洞是引力非常大的天体，光以3108 m/s的速度都不能从其表面逃逸。第21

4、讲万有引力定律及其应用基础命题点一开普勒行星运动定律开普勒行星运动三大定律定律内容图示开普勒第一定律（轨道定律)所有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开普勒第二定律(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开普勒第三定律(周期定律)所有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,表达式为k火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行，根据开普勒行星运动定律可知(）a太阳位于木星运行轨道的中心b火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等c火星与木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方d相同时间内,火星与太阳连线扫过的面积等于木星

5、与太阳连线扫过的面积解析由于火星和木星在椭圆轨道上运行,太阳位于椭圆轨道的一个焦点上，a错误；由于火星和木星在不同的椭圆轨道上运行，速度大小变化，火星和木星的运行速度大小不一定相等，b错误；由开普勒第三定律可知,k，得，c正确;由于火星和木星在不同的轨道上，因此d错误.答案c(1)开普勒行星运动定律也适用于其他天体，如“嫦娥五号”绕月球的运动、卫星绕地球的运动.（2）开普勒第三定律k中，k值只与中心天体的质量有关，与行星质量无关；对于不同的中心天体，k值一般不同.(3）大多数行星或卫星绕中心天体的运动轨道可近似按圆轨道处理。对于圆轨道，轨道半长轴a就是圆轨道半径r.1(2016全国卷)关于行星

6、运动的规律，下列说法符合史实的是()a开普勒在牛顿定律的基础上，导出了行星运动的规律b开普勒在天文观测数据的基础上,总结出了行星运动的规律c开普勒总结出了行星运动的规律，找出了行星按照这些规律运动的原因d开普勒总结出了行星运动的规律,发现了万有引力定律答案b解析开普勒在天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律，但并没有找出其中的原因，a、c错误，b正确；万有引力定律是牛顿发现的，d错误。2（2017全国卷）(多选）如图，海王星绕太阳沿椭圆轨道运动,p为近日点,q为远日点,m、n为轨道短轴的两个端点，运行的周期为t0。若只考虑海王星和太阳之间的相互作用,则海王星在从p经m、q到n的运动过程中

7、（）a从p到m所用的时间等于b从q到n阶段，机械能逐渐变大c从p到q阶段,速率逐渐变小d从m到n阶段，万有引力对它先做负功后做正功答案cd解析由开普勒第二定律可知,相等时间内，太阳与海王星连线扫过的面积都相等，a错误；从q到n阶段，机械能守恒，b错误;从p到q阶段，万有引力做负功，动能减小，速率逐渐变小，c正确；从m到n阶段，万有引力与速度的夹角先是钝角后是锐角，即万有引力对它先做负功后做正功，d正确。3(2019河南高考模拟)若“嫦娥五号”卫星在距月球表面h处的环月轨道上做匀速圆周运动，其运行的周期为t；随后“嫦娥五号在该轨道上某点采取措施,使卫星降至椭圆轨道上，如图所示。若近月点接近月球表

8、面，而h等于月球半径,忽略月球自转及地球对卫星的影响,则“嫦娥五号”在轨道上的运行周期为()a.t b。t c.t d。t答案c解析在轨道上，轨道半径rrh2h，在轨道上，半长轴为ah，根据开普勒第三定律知，解得t1t,故c正确.基础命题点二万有引力定律的理解和应用1万有引力定律(1)内容:自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比，与它们之间距离r的平方成反比.（2)表达式：fg，其中g为引力常量，g6.671011 nm2/kg2。卡文迪许第一个通过实验精确测量出g值。(3）适用条件：严格地说，公式只适用于质点间的相互作用，当两个

9、物体间的距离远大于物体本身的大小时，物体可视为质点。质量分布均匀的球体可视为质点，其中r是两球心间的距离。对于一个质量分布均匀的球体与球外一个质点间的万有引力，r为球心到质点的距离.2万有引力理论的主要成就(1)发现未知天体。（2)计算天体质量。理论上已经证明：质量分布均匀的球壳对壳内物体的万有引力为零.现假设地球是一半径为r、质量分布均匀的实心球体,o为球心,以o为原点建立坐标轴ox，如图所示.一个质量一定的质点(假设它能够在地球内部移动)在x轴上各位置受到的引力大小用f表示，则f随x的变化关系图象正确的是（）解析根据题意，质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零，当质点在地球的内部离球心x处

10、时，受到地球的万有引力即为半径等于x的球体对质点的万有引力,所以fggx,其中为地球的密度,m为质点的质量;当质点在地球球面或球面以外，离球心x处时，受到地球的万有引力,地球可以看成质量集中于球心的质点，对质点的万有引力fg,其中m为地球的质量。综上所述，当xr时，f与x成正比，当xr后，f与x的平方成反比，所以a正确.答案a(1)在匀质球层的空腔内任意位置处,质点受到球壳万有引力的合力为零。（2)在匀质球体内部距球心r处，质点受到的万有引力等于半径为r的球体对它的引力。（3)万有引力定律的表达式fg适用于计算质点或匀质球体间的万有引力.当物体间的作用力不符合万有引力公式的适用条件时，可以把物

11、体分成若干部分，求出两物体每部分之间的万有引力,然后求它们的合力.这是“分割求和”的思想方法,此处的“和是矢量和。1对于万有引力定律的数学表达式fg,下列说法中正确的是(）a牛顿发现了万有引力定律，并第一个通过实验较精确地测量出了引力常量g的大小br趋近于0时，万有引力趋于无穷大c质量为m1、m2的物体受到的万有引力总是大小相等d质量为m1、m2的物体受到的万有引力总是大小相等，方向相反,是一对平衡力答案c解析牛顿发现了万有引力定律，卡文迪许第一个通过实验较精确地测量出了引力常量g的大小,a错误；万有引力定律的表达式fg,适用于两个质点之间万有引力的计算,当r0时，两个物体都不能看成质点,上式

12、不再成立，b错误；两个物体间的万有引力是一对作用力与反作用力，它们总是大小相等，方向相反,作用在两个物体上，c正确,d错误。2质量为m的物体在地球表面受到地球的万有引力大小为f。质量为2m的卫星在离地高度为地球半径的2倍处，受到地球的万有引力大小为（)a b c d答案b解析设地球质量为m,半径为r，质量为m的物体在地球表面时，有：fg，质量为2m的卫星在离地面高度等于地球半径2倍处，有:fg，解得：ff，故b正确。3.如图所示，有一个质量为m、半径为r、密度均匀的大球体，从中挖去一个半径为的小球体，并在空腔中心o处放置一质量为m的质点，则大球体的剩余部分对该质点的万有引力大小为（已知质量分布

13、均匀的球壳对壳内物体的引力为零）()ag b0 c4g dg答案d解析若将挖去的小球体用原材料补回，可知剩余部分对o处质点的吸引力等于完整大球体对o处质点的吸引力与挖去小球体对o处质点的吸引力之差，挖去的小球体球心与o处质点重合,对o处质点的万有引力为零,则剩余部分对o处质点的万有引力等于完整大球体对o处质点的万有引力；将剩余部分分为以大球体球心为中心的半径为的球以及剩余均匀球壳，易知该球质量为m，剩余均匀球壳对o处质点的万有引力为零，故剩余部分对o处质点的万有引力fgg，故d正确.能力命题点天体质量与密度的计算天体质量和密度的常用计算方法方法已知量理论依据表达式备注质量的计算利用运行天体r、

14、tgmrm只能计算中心天体的质量r、vgmmv、tgmtm利用天体表面重力加速度g、rmggm密度的计算利用运行天体r、t、rgmrmr3，当rr时利用近地卫星，只需测出其运行周期利用天体表面重力加速度g、rmggmr3(2019福建宁德二模)2019年4月10日21时，人类首张黑洞照片在全球六地的视界面望远镜发布会上同步发布。该黑洞半径为r，质量m和半径r的关系满足:（其中c为光速，g为引力常量）。若天文学家观测到距黑洞中心距离为r的天体以速度v绕该黑洞做匀速圆周运动,则()a该黑洞质量为 b该黑洞质量为c该黑洞的半径为 d该黑洞的半径为解析天体受到黑洞的万有引力提供天体做匀速圆周运动所需向

15、心力，则：gm，即有m,故a、b错误；黑洞的质量m和半径r的关系满足:，则该黑洞的半径r，故c正确，d错误。答案c1天体半径和卫星的轨道半径通常把天体看成一个球体，天体的半径指的是球体的半径。卫星的轨道半径指的是卫星围绕中心天体做圆周运动的圆的半径。卫星的轨道半径大于等于中心天体的半径。2自转周期和公转周期自转周期是指天体绕自身轴线运动一周所用的时间,公转周期是指卫星（或行星)绕中心天体做圆周运动一周所用的时间。自转周期与公转周期一般不相等.（2019福建泉州二模）2019年1月3日,“嫦娥四号”探测器携“玉兔二号”月球车成功着陆在月球背面，进行科学探测。已知“嫦娥四号在着陆之前绕月球做圆周运

16、动的半径为r1、周期为t1；月球绕地球做圆周运动的半径为r2、周期为t2，引力常量为g。根据以上条件能得出()a地球的密度 b地球对月球的引力大小c“嫦娥四号”的质量 d关系式答案b解析月球绕地球运动,由gm月r2可求出地球质量m，但由于不知道地球半径，则无法求出地球体积，也就不能得出地球的密度，a错误；设“嫦娥四号”质量为m，根据“嫦娥四号”绕月球做圆周运动有：gmr1，求得月球质量：m月，所以地球对月球的万有引力大小为：fm月r2r2，而“嫦娥四号”的质量m不可得,故b正确，c错误；开普勒第三定律适用于围绕同一中心天体运动的卫星，d错误。基础命题点三天体表面的重力加速度问题1万有引力与重力

17、的关系地球表面上的物体所受地球的万有引力f可以分解成物体所受的重力g和随地球自转而做圆周运动所需的向心力f，如图所示。其中fg，而fm2r。除赤道和两极点外，重力与万有引力的大小、方向皆不同。(1)物体在赤道上时，f、g、f三力同向，此时f为最大值，重力为最小值，即：gminffmaxgm2r。(2）物体在两极的极点时，f0，fg，此时重力等于万有引力，重力为最大值，此最大值为gmaxg。2重力加速度的近似计算(1）设在地球表面附近的重力加速度为g，由于物体随地球自转所需的向心力较小，一般计算中可认为万有引力近似等于重力(即不考虑地球的自转)，即：mgg，得g。（2)设在地球上空距离地面高度为

18、h处的重力加速度为g，则:mgg,得g所以.已知在地球表面上，赤道处的重力加速度大小为g1，两极处的重力加速度大小为g2，地球自转的角速度为，引力常量为g,地球可视为质量分布均匀的球体，则地球的密度为(）a。 b。c。 d.解析设地球半径为r，物体在两极处有：mg2，物体在赤道处有：mg1m2r,联立解得:m，r，则地球的密度为,代入地球半径r，解得:，故a、b、c错误，d正确。答案d考虑地球的自转时，地球表面各处的重力加速度不同，地球两极处的重力加速度g1，赤道处的重力加速度g22r。1（多选）假如地球自转角速度增大，关于物体所受的重力，下列说法正确的是()a放在赤道地面上的物体的万有引力不

19、变b放在两极地面上的物体的重力不变c放在赤道地面上的物体的重力减小d放在两极地面上的物体的重力增加答案abc解析地球自转角速度增大，放在赤道地面上的物体受到的万有引力不变，a正确;在两极，物体受到的万有引力等于其重力，则其重力不变，b正确，d错误；而对于放在赤道地面上的物体，万有引力fgm2r，由于增大，则g减小,c正确。2宇航员在某星球上为了探测其自转周期做了如下实验：在该星球两极点，用弹簧秤测得质量为m的砝码所受重力为f，在赤道测得该砝码所受重力为f。他还发现探测器绕该星球表面做匀速圆周运动的周期为t。假设该星球可视为质量分布均匀的球体，则其自转周期为(）at btct dt答案d解析设该

20、星球和探测器的质量分别为m、m，在两极点，有：gf，在赤道,有：gfmr,探测器绕该星球表面做匀速圆周运动的周期为t，则有：gmr;联立以上三式解得t自t，故d正确，a、b、c错误。课时作业1（多选）下列说法正确的是()a公式k中的常量k，是一个与中心天体有关的常量b开普勒定律只适用于太阳系,对其他恒星系不适用c已知金星绕太阳公转的周期小于地球绕太阳公转的周期，则可判定金星到太阳的距离小于地球到太阳的距离d发现万有引力定律和测出引力常量的科学家分别是开普勒、伽利略答案ac解析公式k中的k是一个与中心天体有关的常量，a正确;开普勒定律不仅适用于太阳系，对其他恒星系也适用，b错误;已知金星绕太阳公

21、转的周期小于地球绕太阳公转的周期,由k可知金星到太阳的距离小于地球到太阳的距离，c正确；发现万有引力定律和测出引力常量的科学家分别是牛顿和卡文迪许，d错误。2一卫星沿某一行星表面附近做匀速圆周运动，其线速度大小为v。假设宇航员在该行星表面上用弹簧测力计测量一质量为m的物体重力,物体静止时，弹簧测力计的示数为n。已知引力常量为g，则这颗行星的质量为(）a。 b. c。 d。答案b解析设行星的质量为m，半径为r，行星表面的重力加速度为g，卫星的质量为m，由万有引力提供向心力，得gm;在行星表面万有引力等于重力，即gmg;由已知条件得g；联立以上三式可得r，m,故b正确.3设宇宙中某一小行星自转较快

22、，但仍可近似看成质量分布均匀的球体,半径为r.宇航员用弹簧测力计称量一个相对自己静止的小物体的重量，第一次在极点处,弹簧测力计的读数为f1f0;第二次在赤道处,弹簧测力计的读数为f2。假设第三次在赤道平面内深度为的隧道底部，示数为f3;第四次在距行星表面高度为r处绕行星做匀速圆周运动的人造卫星中，示数为f4。已知均匀球壳对壳内物体的引力为零,则以下判断正确的是(）af3、f4 bf3、f40cf3、f40 df34f0、f4答案b解析设该行星的质量为m，则质量为m的物体在极点处受到的万有引力f1f0。在赤道处，弹簧测力计的读数为f2，则向心力fn2f1f2f0m2r。由于该行星的体积为vr3，

23、所以该行星距球心以内的部分的质量为mmm，物体在赤道平面内深度为处受到的万有引力f3f1f0，物体需要的向心力fn3m2m2rf0，所以在赤道平面内深度为的隧道底部，弹簧测力计的示数为：f3f3fn3f0f0f0。第四次在距行星表面高度为r处绕行星做匀速圆周运动的人造卫星中时，物体受到的万有引力恰好提供向心力,所以弹簧测力计的示数为0,即f40，故b正确。4。 如图所示，在半径为r的铅球中挖出一个球形空穴，空穴直径为r且与铅球相切，并通过铅球的球心。在未挖出空穴前铅球质量为m。求挖出空穴后的铅球与距铅球球心距离为d、质量为m的小球(可视为质点）间的万有引力大小。答案解析可以用“补偿法”进行等效

24、计算。设挖出空穴前铅球与小球间的万有引力为f1,挖出的球形实体质量为m,与小球间的万有引力为f2，铅球剩余部分与小球间的万有引力为f，则有f1ff2。设挖出空穴前铅球的体积为v，挖出的球形实体体积为v，则mmm，根据万有引力定律可得f1g，f2g，故挖出空穴后的铅球与小球间的万有引力ff1f2gg.5已知太阳中心到地球地心的距离为l,地球公转轨道可近似成圆轨道，公转周期为t，引力常量为g，地球半径为r，地球表面的重力加速度为g，又已知“嫦娥三号”卫星在月球上空绕月球做匀速圆周运动时，经过时间t通过的弧长为s,卫星与月球中心连线扫过的角度是弧度。求：（1）太阳的质量m1；(2）地球的质量m2；（

25、3)月球的质量m3。答案（1)(2)（3)解析(1)地球绕太阳做匀速圆周运动,万有引力提供向心力，有gm2l解得：m1。（2）地球表面物体的重力等于万有引力，mgg解得：m2。(3）卫星绕月球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，有gm，v, r联立解得：。6(2019全国卷）2019年1月，我国嫦娥四号探测器成功在月球背面软着陆。在探测器“奔向”月球的过程中,用h表示探测器与地球表面的距离，f表示它所受的地球引力，能够描述f随h变化关系的图象是（)答案d解析由万有引力公式fg可知，探测器与地球表面距离h越大,f越小,排除b、c；而f与h不是一次函数关系，排除a。故选d。7（2018全国卷)为了

26、探测引力波,“天琴计划”预计发射地球卫星p，其轨道半径约为地球半径的16倍；另一地球卫星q的轨道半径约为地球半径的4倍。p与q的周期之比约为（)a21 b41 c81 d161答案c解析设地球半径为r，根据题述，地球卫星p的轨道半径为rp16r,地球卫星q的轨道半径为rq4r，根据开普勒定律，64,所以p与q的周期之比为tptq81,c正确。8(2018全国卷）2018年2月，我国500 m口径射电望远镜（天眼）发现毫秒脉冲星“j03180253”，其自转周期t5。19 ms,假设星体为质量均匀分布的球体，已知万有引力常量为6.671011 nm2/kg2.以周期t稳定自转的星体的密度最小值约

27、为(）a5109 kg/m3 b51012 kg/m3c51015 kg/m3 d51018 kg/m3答案c解析设脉冲星质量为m，密度为，星体表面一物块质量为m，根据天体运动规律知：m2r，代入可得:51015 kg/m3，故c正确。9(2018北京高考)若想检验“使月球绕地球运动的力”与“使苹果落地的力遵循同样的规律,在已知月地距离约为地球半径60倍的情况下，需要验证（）a地球吸引月球的力约为地球吸引苹果的力的b月球公转的加速度约为苹果落向地面加速度的c自由落体在月球表面的加速度约为地球表面的d苹果在月球表面受到的引力约为在地球表面的答案b解析设月球质量为m月，地球质量为m，苹果质量为m,

28、则月球受到的万有引力为f月,苹果受到的万有引力为f，由于月球质量和苹果质量之间的关系未知，故二者之间万有引力的关系无法确定，故a错误；根据牛顿第二定律m月a月,ma，整理可以得到a月a,故b正确；在月球表面处gmg月，由于月球本身的半径大小未知，故无法求出月球表面和地面表面重力加速度的关系,故c错误;苹果在月球表面受到引力为fg，由于月球本身的半径大小未知，故无法求出苹果在月球表面受到的引力与地球表面引力之间的关系，故d错误。10（2017北京高考）利用引力常量g和下列某一组数据，不能计算出地球质量的是(）a地球的半径及重力加速度(不考虑地球自转）b人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周

29、期c月球绕地球做圆周运动的周期及月球与地球间的距离d地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与太阳间的距离答案d解析a能:根据gmg可知，已知地球的半径及重力加速度可计算出地球的质量。b能：根据g及v可知，已知人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周期可计算出地球的质量。c能：根据gmr可知，已知月球绕地球做圆周运动的周期及月球与地球间的距离，可计算出地球的质量.d不能:已知地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与太阳间的距离只能求出太阳的质量，不能求出地球的质量。11(2020唐山市高三年级摸底考试）（多选）场是物理学中的重要概念，除了电场和磁场，还有引力场。在处理有关问题时可以将它们进行类比，仿照电场强度的定义，在引力场中可以有一个类似的物理量来反映各点引力场的强弱.已知地球质量为m,半径为r，地球表面处的重力加速度为g，引力常量为g。如果一个质量为m的物体位于距离地面2r处的某点,则下列表达式中能反映该点引力场强弱的是（)ag b c dg答案ac解析根据gmg,可得地表处的引力场强度即地表重力加速度gg，与之类似，在距离地面2r处即离地心3r处的引力场强度ggg,a、c正确.12(2019福建三明高三5月质检）2019年4月10日，世界上首张黑洞图像照片发布，如图，它提供了黑洞存在的直接“视觉”证据。若某黑洞表面的重力加速度g大小约为1012 m/s2，质量m和半径