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）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册（鲁科版2019）

第2节　万有引力定律的应用 第3节　人类对太空的不懈探索 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.会计算人造卫星的环绕速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度； 2．能用万有引力定律解释一些天体运动问题． 3．具有与万有引力定律相关的运动与相互作用的观念． 4．了解“地心说”和“日心说”的内容及意义． 5．了解海王星的发现过程，掌握研究天体(或卫星)运动的基本方法，并能用万有引力定律解决相关问题． 1.能将一些熟悉天体的运动抽象成匀速圆周运动模型； 2．能分析一些简单的天体运动问题，通过推理获得结论； 3．能用与万有引力定律相关的证据解释一些天象． 4．能对一些错误认识提出有依据的质疑． 1.能认识发现万有引力定律的过程及重要意义，认识科学定律对人类探索未知世界的作用； 2．知道科学包含大胆的想象和创新； 3．有探索太空、了解太空的兴趣，能为牛顿力学对航天技术发展的重大贡献而振奋． [对应学生用书P98] 知识点一 天体质量的计算 1.地球质量的估算 (1)思路：地球表面的物体，若不考虑地球的自转❶，物体的重力等于地球对物体的万有引力． (2)关系式：mg＝G❷． (3)结果：M＝ 2．天体质量的估算：假设质量为m的天体围绕质量为M的天体近似做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，G＝mr，则M＝❸． 1．在地球表面，物体受到的地球的万有引力就是重力．(×) 2．若已知天体m绕天体M做圆周运动的周期和轨道半径，可以求出m的质量．(×) 3．已知地球绕太阳转动的周期和轨道半径，可以求出地球的质量．(×) 知识点二 人造卫星上天 1.人造地球卫星的发射原理 (1)牛顿的设想：在高山上水平抛出一个物体，当初速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕地球转动的人造地球卫星． (2)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，万有引力提供向心力❹，即G＝m❺，则卫星在轨道❻上运行的线速度v＝ . 2．宇宙速度 (1)第一宇宙速度❼大小为7.9_km/s，也叫环绕速度❽． (2)第二宇宙速度❾大小为11.2_km/s，也叫脱离速度． (3)第三宇宙速度大小为16.7_km/s，也叫逃逸速度． 1．人造地球卫星的最小运转半径是地球半径．(√) 2．第一宇宙速度是发射地球卫星的最小速度．(√) 3．在地面上发射火星探测器的速度应为11.2 km/s<v<16.7 km/s.(√) 知识点三 预测求知天体人类对太空的不懈探索 1.预测未知天体 (1)海王星的发现 在观测天王星时，发现其实际轨道与万有引力计算的轨道不吻合，并由此预测存在另一行星，这就是后来发现的海王星． (2)意义 巩固了万有引力定律的地位，展现了科学理论超前的预见性． 2．人类对太空的探索 (1)两种学说 内容 局限性 地心说 地球是宇宙的中心，而且是静止不动的，太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动 都把天体的运动看得很神圣，认为天体的运动必然是最完美、最和谐的匀速圆周运动，而和丹麦天文学家第谷的观测数据不符 日心说 太阳是宇宙的中心，且是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动 (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，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． 1．海王星是依据万有引力定律计算的轨道而发现的．(√) 2．天王星的计算轨道与实际轨道不符是因为受到的未知天体海王星的影响．(√) 3．太阳是宇宙的中心，且是静止不动的．(×) 批注❶：重力与万有引力的关系： 考虑地球的自转，如图所示，万有引力的一个分力F1为物体随地球自转做圆周运动的向心力，另一个分力F2就是物体的重力mg，故一般情况mg＜G. 批注❷：我们无法应用称量工具直接称出地球的质量，但是如果我们已知地球表面的重力加速度、地球的半径和万有引力常量，则可应用mg＝G计算出地球的质量．关系式GM＝gR2称为“黄金代换”式． 批注❸：若已知小天体绕中心大天体运动的周期T和两天体之间的距离r，可计算中心大天体的质量M. 批注❹：万有引力提供物体做圆周运动的向心力，所以，卫星轨迹圆的圆心都是地心． 批注❺：其中r为卫星到地心的距离． 批注❻：人造地球卫星的运行轨道： 所有卫星都在以地心为圆心的圆或椭圆轨道上. ①赤道轨道，卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方． ②极地轨道，卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空． ③一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度． 批注❼：第一宇宙速度是卫星在地面附近轨道绕地球做匀速圆周运动的速度． 批注❽：环绕速度：指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度． 发射速度：指卫星进入轨道时的初速度． 批注❾：第二宇宙速度是使卫星挣脱地球引力束缚的最小地面