第4章 第2、3节 万有引力定律的应用 人类对太空的不懈探索（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第二册（鲁科版2019）

2、3节　万有引力定律的应用 人类对太空的不懈探索 (赋能课—精细培优科学思维) 课标要求 层级达标 1.认识科学定律对人类探索未知世界的作用。 2.形成初步的第一、二、三宇宙速度的概念，能对简单的宇宙航行现象进行分析和推理。 3.能在熟悉的问题情境中应用天体运动模型。 学考层级 1.了解用万有引力定律计算天体质量的基本思路。 2.会计算人造地球卫星的环绕速度。 3.知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。 选考层级 1.能对万有引力定律的综合性问题进行分析和推理，获得结论并做出解释。 2.会计算人造地球卫星的环绕速度，用牛顿运动定律和万有引力定律解决宇宙航行问题。 一、天体质量的计算 1．地球质量的计算：如果不考虑地球的自转，可以认为在地面附近重力等于万有引力，即mg＝G，可以求得地球的质量：M＝。 2．一般天体质量的计算：分析围绕该天体运动的行星(或卫星)，测出行星(或卫星)的运行周期和轨道半径，由万有引力提供向心力即可求中心天体的质量。由G＝mr，得M＝。 二、人造卫星上天 1．卫星原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，向心力由地球对它的万有引力提供，即G＝m，则卫星在轨道上运行的线速度v＝。 2．宇宙速度 (1)第一宇宙速度 使卫星能环绕地球运行所需的最小发射速度，其大小为v1＝7.9_km/s，又称环绕速度。 (2)第二宇宙速度 使人造卫星脱离地球的引力束缚，不再绕地球运行，从地球表面发射所需的最小速度，其大小为v2＝11.2_km/s，又称脱离速度。 (3)第三宇宙速度 使物体脱离太阳引力的束缚而飞出太阳系，从地球表面发射所需的最小速度，其大小为v3＝16.7_km/s，也称逃逸速度。 1．宇宙速度指的是发射速度，环绕速度一定不大于其发射速度。 2．第一宇宙速度的其他三种叫法：最小发射速度、最大环绕速度、近地环绕速度。 三、预测未知天体 1．海王星的发现 英国剑桥大学的学生亚当斯和法国天文爱好者勒维耶，根据天王星的观测资料，利用万有引力定律计算出天王星外未知行星的轨道。1846年9月23日，德国的伽勒在勒维耶预测的区域发现了这颗神秘的行星——海王星。 2．预言哈雷彗星回归 英国物理学家哈雷，依据万有引力定律计算彗星轨道，准确预言了彗星的回归时间。 3．意义 海王星的发现和哈雷彗星的“按时回归”确立了万有引力定律的地位。 四、人类对太空的不懈探索 1．古希腊人的探索与文艺复兴时期的学说。 2．牛顿的大综合：牛顿在前人研究的基础上，逐步建立了万有引力定律，将地上的力学与天上的力学统一起来，是物理学的第一次大综合，形成了以牛顿三大运动定律为基础的力学体系。 3．对太空的探索成果： 1957年10月，苏联成功发射了第一颗人造地球卫星。 1969年7月，美国“阿波罗十一号”登上月球。 2003年10月，“神舟五号”载人飞船成功发射，中国成为世界上第三个独立掌握载人航天技术的国家。 2012年6月，我国“神舟九号”飞船首次完成与“天宫一号”的手控交会对接任务。 [微情境·大道理] 1．如图是我们测量物体质量的常用工具，地球这么大，我们如何“称量”地球的质量呢？卡文迪许在实验室测出了引力常量G的值，他称自己是“可以称量地球质量的人”。他“称量”的依据是什么？ 提示：若忽略地球自转的影响，在地球表面上物体受到的重力等于地球对物体的万有引力，因为地球表面的重力加速度g已知，地球的半径R已知，由mg＝G ，得m地＝。 2．牛顿设想，如图所示，把物体从高山上水平抛出，当速度足够大时物体不再落回地面，成为人造地球卫星。 请对以下结论作出判断。 (1)若物体的初速度v＝7.9 km/s时，物体将绕地球做匀速圆周运动。(√) (2)若物体的初速度v＞11.2 km/s，物体将绕地球做椭圆轨道运动。(×) (3)若物体的初速度v＞16.7 km/s，物体将挣脱太阳的束缚。(√) (4)若物体的初速度满足7.9 km/s＜v＜11.2 km/s，物体将绕地球做椭圆轨道运动。(√) (5)发射同步卫星的最小发射速度为7.9 km/s。(×) 3．发射人造卫星(或宇宙飞船)应选择靠近赤道处来建较高的发射塔，而且发射的方向都是向东发射。这是什么原因呢？ 提示：因为这样可节省火箭燃料，且物体都有惯性，在生活中我们要尽量利用惯性的有利面，发射卫星所需的推力，不但与卫星的重量和发射倾角有关，而且与发射的方向和发射地点的纬度有关，地球自西向东自转，随地球纬度变化，各处自转的线速度也不同。在赤道处，地球自转的线速度最大，自转的线速度大小随纬度的增大而减小，在南北两极速度为零。如果我们顺着地球自转方向，在赤道附近向东发射倾角为零的卫星，这时就可以充分利用发射的卫星随地球自转的惯性，宛如“顺水推舟”，节省能量。 强化点(一)　重力与