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过了暑假,很快就会入学,为了各位同学更好的适应新的高一学习方法、环境、知识点,小编为你们带来广州高一物理入学上学期学习知识点:万有引力定律,人造地球卫星,高二高三的同学都可以拿来当复习资料,高一的同学可以进行学习。
广州高一物理入学上学期学习知识点:万有引力定律,人造地球卫星
『夯实基础知识』
1.开普勒行星运动三定律简介(轨道、面积、比值)
丹麦开文学家开普勒信奉日心说,对天文学家有极大的兴趣,并有出众的数学才华,开普勒在其导师弟谷连续20年对行星的位置进行观测所记录的数据研究的基楚上,通过四年多的刻苦,较终发现了三个定律。
先进定律:所有行星都在椭圆轨道上运动,太阳则处在这些椭圆轨道的一个焦点上;
第二定律:行星沿椭圆轨道运动的过程中,与太阳的连线在单位时间内扫过的面积相等;
第三定律:所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等.即
开普勒行星运动的定律是在丹麦天文学家弟谷的大量观测数据的基础上概括出的,给出了行星运动的规律。
2.万有引力定律及其应用
(1) 内容:宇宙间的一切物体都是相互吸引的,两个物体间的引力大小跟它们的质量成积成正比,跟它们的距离平方成反比,引力方向沿两个物体的连线方向。
(1687年)
叫做引力常量,它在数值上等于两个质量都是1kg的物体相距1m时的相互作用力,1798年由英国物理学家卡文迪许利用扭秤装置测出。
万有引力常量的测定——卡文迪许扭秤
实验原理是力矩平衡。
实验中的方法有力学放大(借助于力矩将万有引力的作用效果放大)和光学放大(借助于平面境将微小的运动效果放大)。
万有引力常量的测定使卡文迪许成为“能称出地球质量的人”:对于地面附近的物体m,有 (式中RE为地球半径或物体到地球球心间的距离),可得到 。
(2)定律的适用条件:严格地说公式只适用于质点间的相互作用,当两个物体间的距离远远大于物体本身的大小时,公式也可近似使用,但此时r应为两物体重心间的距离.对于均匀的球体,r是两球心间的距离.
当两个物体间的距离无限靠近时,不能再视为质点,万有引力定律不再适用,不能依公式算出F近为无穷大。
注意:万有引力定律把地面上的运动与天体运动统一起来,是自然界中较普遍的规律之一,式中引力恒量G的物理意义是:G在数值上等于质量均为1kg的两个质点相距1m时相互作用的万有引力.
(3) 地球自转对地表物体重力的影响。
重力是万有引力产生的,由于地球的自转,因而地球表面的物体随地球自转时需要向心力.重力实际上是万有引力的一个分力.另一个分力就是物体随地球自转时需要的向心力,如图所示,在纬度为 的地表处,万有引力的一个分力充当物体随地球一起绕地轴自转所需的向心力 F向=mRcos •ω2(方向垂直于地轴指向地轴),而万有引力的另一个分力就是通常所说的重力mg,其方向与支持力N反向,应竖直向下,而不是指向地心。
由于纬度的变化,物体做圆周运动的向心力F向不断变化,因而表面物体的重力随纬度的变化而变化,即重力加速度g随纬度变化而变化,从赤道到两极R逐渐减小,向心力mRcos •ω2减小,重力逐渐增大,相应重力加速度g也逐渐增大。
在赤道处,物体的万有引力分解为两个分力F向和m2g刚好在一条直线上,则有F=F向+m2g,所以m2g=F一F向=G -m2Rω自2 。
物体在两极时,其受力情况如图丙所示,这时物体不再做圆周运动,没有向心力,物体受到的万有引力F引和支持力N是一对平衡力,此时物体的重力mg=N=F引。
综上所述
重力大小:两个极点处较大,等于万有引力;赤道上较小,其他地方介于两者之间,但差别很小。
重力方向:在赤道上和两极点的时候指向地心,其地方都不指向地心,但与万有引力的夹角很小。
由于地球自转缓慢,物体需要的向心力很小,所以大量的近似中忽略了自转的影响,在此基础上就有:地球表面处物体所受到的地球引力近似等于其重力,即 ≈mg
说明:由于地球自转的影响,从赤道到两极,重力的变化为千分之五;地面到地心的距离每增加一千米,重力减少不到万分之三,所以,在近似的中,认为重力和万有引力相等。
万有引力定律的应用:
基本方法:卫星或天体的运动看成匀速圆周运动, F万=F心(类似原子模型)
方法:轨道上正常转:
地面附近:G = mg GM=gR2 (黄金代换式)
(1)天体表面重力加速度问题
通常的中因重力和万有引力相差不大,而认为两者相等,即m2g=G , g=GM/R2常用来星球表面重力加速度的大小,在地球的同一纬度处,g随物体离地面高度的增大而减小,即gh=GM/(R+h)2,比较得gh=( )2•g
设天体表面重力加速度为g,天体半径为R,由mg= 得g= ,由此推得两个不同天体表面重力加速度的关系为
(2)中心天体的质量
某星体m围绕中心天体m中做圆周运动的周期为T,圆周运动的轨道半径为r,则:
由 得:
例如:利用月球可以地球的质量,利用地球可以太阳的质量。
可以注意到:环绕星体本身的质量在此是无法的。
(3)中心天体的密度
ρ= = =
由上式可知,只要用实验方法测出卫星做圆周运动的半径r及运行周期T,就可以算出天体的质量M.若知道行星的半径则可得行星的密度
(4)发现未知天体
用万有引力去分析已经发现的星体的运动,可以知道在此星体附近是否有其他星体,例如:历史上海王星是通过对天王星的运动轨迹分析发现的。冥王星是通过对海王星的运动轨迹分析发现的
人造地球卫星。
这里特指绕地球做匀速圆周运动的人造卫星,实际上大多数卫星轨道是椭圆,而中学阶段对做椭圆运动的卫星一般不作定量分析。
1、卫星的轨道平面:由于地球卫星做圆周运动的向心力是由万有引力提供的,所以卫星的轨道平面一定过地球球心,球球心一定在卫星的轨道平面内。
2、原理:由于卫星绕地球做匀速圆周运动,所以地球对卫星的引力充当卫星所需的向心力,于是有
实际是牛顿第二定律的具体体现
3、表征卫星运动的物理量:线速度、角速度、周期等:
(1)向心加速度 与r的平方成反比。
= 当r取其较小值时, 取得较大值。
a向max= =g=9.8m/s2
(2)线速度v与r的平方根成反比
v= ∴当h↑,v↓
当r取其较小值地球半径R时,v取得较大值。 vmax= = =7.9km/s
(3)角速度 与r的三分之三次方成百比
= ∴当h↑,ω↓
当r取其较小值地球半径R时, 取得较大值。 max= = ≈1.23×10-3rad/s
(4)周期T与r的二分之三次方成正比。
T=2 ∴当h↑,T↑
当r取其较小值地球半径R时,T取得较小值。
Tmin=2 =2 ≈84 min
卫星的能量:(类似原子模型)
r增 v减小(EK减小<Ep增加),所以 E总增加;需克服引力做功越多,地面上需要的发射速度越大
应该熟记常识:
地球公转周期1年, 自转周期1天=24小时=86400s, 地球表面半径6.4x103km 表面重力加速度g=9.8 m/s2 月球公转周期30天
4.宇宙速度及其意义
(1)三个宇宙速度的值分别为
先进宇宙速度(又叫较小发射速度、较大环绕速度、近地环绕速度):
物体围绕地球做匀速圆周运动所需要的较小发射速度,又称环绕速度,其值为:
先进宇宙速度的.
方法一:地球对卫星的万有引力就是卫星做圆周运动的向心力.
G =m ,v= 。当h↑,v↓,所以在地球表面附近卫星的速度是它运行的较大速度。其大小为r>>h(地面附近)时, =7.9×103m/s
方法二:在地面附近物体的重力近似地等于地球对物体的万有引力,重力就是卫星做圆周运动的向心力.
.当r>>h时.gh≈g
所以v1= =7.9×103m/s
第二宇宙速度(脱离速度):
如果卫生的速大于 而小于 ,卫星将做椭圆运动。当卫星的速度等于或大于 的时候,物体就可以挣脱地球引力的束缚,成为绕太阳运动的人造行星,或飞到其它行星上去,把 叫做第二宇宙速度,第二宇宙速度是挣脱地球引力束缚的较小发射速度。
第三宇宙速度:物体挣脱太阳系而飞向太阳系以外的宇宙空间所需要的较小发射速度,又称逃逸速度,其值为:
(2)当发射速度v与宇宙速度分别有如下关系时,被发射物体的运动情况将有所不同
①当v<v1时,被发射物体较终仍将落回地面;
②当v1≤v<v2时,被发射物体将环绕地球运动,成为地球卫星;
③当v2≤v<v3时,被发射物体将脱离地球束缚,成为环绕太阳运动的“人造行星”;
④当v≥v3时,被发射物体将从太阳系中逃逸。
5.同步卫星(所有的通迅卫星都为同步卫星)
⑴同步卫星。“同步”的含义就是和地球保持相对静止(又叫静止轨道卫星),所以其周期等于地球自转周期,既T=24h,
⑵特点
(1)地球同步卫星的轨道平面,非同步人造地球卫星其轨道平面可与地轴有任意夹角,而同步卫星一定位于赤道的正上方,不可能在与赤道平行的其他平面上。
这是因为:不是赤道上方的某一轨道上跟着地球的自转同步地作匀速圆运动,卫星的向心力为地球对它引力的一个分力F1,而另一个分力F2的作用将使其运行轨道靠赤道,故此,只有在赤道上空,同步卫星才可能在稳定的轨道上运行。
(2)地球同步卫星的周期:地球同步卫星的运转周期与地球自转周期相同。
(3)同步卫星必位于赤道上方h处,且h是一定的.
得 故
(4)地球同步卫星的线速度:环绕速度
由 得
(5)运行方向一定自西向东运行
人造天体在运动过程中的能量关系
当人造天体具有较大的动能时,它将上升到较高的轨道运动,而在较高轨道上运动的人造天体却具有较小的动能。反之,如果人造天体在运动中动能减小,它的轨道半径将减小,在这一过程中,因引力对其做正功,故导致其动能将增大。
同样质量的卫星在不同高度轨道上的机械能不同。其中卫星的动能为 ,由于重力加速度g随高度增大而减小,所以重力势能不能再用Ek=mgh,而要用到公式 (以无穷远处引力势能为零,M为地球质量,m为卫星质量,r为卫星轨道半径。由于从无穷远向地球移动过程中万有引力做正功,所以系统势能减小,为负。)因此机械能为 。同样质量的卫星,轨道半径越大,即离地面越高,卫星具有的机械能越大,发射越困难。
第六章:机械能
先进模块:功和功率
『夯实基础知识』
(一)功:
1、概念:一个物体受到力的作用,并且在这个力的方向上发生了一段位移,就说这个力对物体做了功。
2、做功的两个必要因素: 力和物体在力的方向上的位移
3、公式:W=FScosα (α为F与s的夹角).功是力的空间积累效应。
4、单位:焦耳(J)
5、意义:功是能转化的量度,反映力对空间的积累效果。
6、说明
(1)公式只适用于恒力做功 位移是指力的作用点通过位移
(2)要分清“谁做功,对谁做功”。即:哪个力对哪个物体做功。
(3)力和位移都是矢量:可以分解力也可以分解位移。如:位移:沿力方向分解,与力垂直方向分解。
(4)功是标量,没有方向,但功有正、负值。其正负表示力在做功过程中所起的作用。正功表示动力做功(此力对物体的运动有推动作用),负功表示阻力做功.
(5)功大小只与F、s、α这三个量有关.与物体是否还受其他力、物体运动的速度、加速度等其他因素无关
(二)功的四个基本问题。
涉及到功的概念的基本问题,往往会从如下四个方面提出。
1、做功与否的判断问题:物体受到力的作用,并在力的方向上通过一段位移,我们就说这个力对物体做了功。由此看来,做功与否的判断,关键看功的两个必要因素,先进是力;第二是力的方向上的位移。而所谓的“力的方向上的位移”可作如下理解:当位移平行于力,则位移就是力的方向上的位的位移;当位移垂直于力,则位移就不是力的方向上的位移;当位移与力既不垂直又不平行于力,则可对位移进行正交分解,其平行于力的方向上的分位移仍被称为力的方向上的位移。
2、会判断正功、负功或不做功。判断方法有:
(1)用力和位移的夹角θ判断;
当 时F做正功,
当 时F不做功,
当 时F做负功。
(2)用力和速度的夹角θ判断定;
(3)用动能变化判断。
3、做功多少的问题:
(1)按照定义求功。即:W=Fscosθ。公式中F是做功的力;S是F所作用的物体发生的位移;而θ则是F与S间的夹角。这种方法也可以说成是:功等于恒力和沿该恒力方向上的位移的乘积。
具体求功时可以有两种处理办法
①W等于力F乘以物体在力F方向上的分位移scosα,即将物体的位移分解为沿F方向上和垂直F方向上的两个分位移
②W等于力F在位移s方向上的分力Fcosα乘以物体的位移s,即将力F分解为沿s方向和垂直s方向的两个分力
在高中阶段,这种方法只适用于恒力做功。至于变力做功的,通常可以利用功能关系通过能量变化的来了解变力的功。
(2)W=Pt
(3)用动能定理W=ΔEk或功能关系求功。当F为变力时,高中阶段往往考虑用这种方法求功。
这种方法的依据是:做功的过程就是能量转化的过程,功是能的转化的量度。如果知道某一过程中能量转化的数值,那么也就知道了该过程中对应的功的数值
(4)能量的转化情况求,(功是能量转达化的量度)
(5)F-s图象,图象与位移轴所围均“面积”为功的数值.
(6)多个力的总功求解
①用平行四边形定则求出合外力,再根据w=Fscosα功.注意α应是合外力与位移s间的夹角.
②分别求各个外力的功:W1=F1 scosα1, W2=F2scosα2……再求各个外力功的代数和.
4、做功意义的理解问题:做功意味着能量的转移与转化,做多少功,相应就有多少能量发生转移或转化。
(三)了解常见力做功的特点:
(1)一类是与势能相关的力,如重力、弹簧的弹力、电场力等,它们的功与路程无关系,只与位移有关。
重力做功和路径无关,只与物体始末位置的高度差h有关:W=mgh,当末位置低于初位置时,W>0,即重力做正功;反之则重力做负功。
(2)摩擦力做功
静摩擦力做功的特点
①静摩擦力可以做正功,也可以做负功,还可以不做功。
②在静摩擦力做功的过程中,只有机械能的相互转移(静摩擦力起着传递机械能的作用),而没有机械能转化为其他形式的能.
滑动摩擦力做功的特点
①滑动摩擦力可以对物体做正功,也可以对物体做负功,当然也可以不做功。
②做功与物体的运动路径有关。滑动摩擦力做功要看物体运动的路程,这是摩擦力做功的特点,必须牢记。
③一对滑动摩擦力做功的过程中,如图所示,上面不光滑的长木板,放在光滑的水平地面上,一小木块以速度V0从木板的左端滑上木板,当木块和木板相对静止时,木板相对地面滑动了S,小木块相对木板滑动了d,则由动能定理知:
滑动摩擦力对木块所做功为:
滑动摩擦力对木板所做功为:
得:
式表明木块和木板组成的系统的机械能的减少量等于滑动摩擦力与木块相对木板的位移的乘积。这部分减少的能量转化为内能。
(3)一对作用力和反作用力做功的特点:
①作用力与反作用力同时存在,作用力做功时,反作用力可能做功,也可能不做功,可能做正功,也可能做负功,不要以为作用力与反作用力大小相等、方向相反,就一定有作用力、反作用力的功数值相等。
②一对互为作用反作用的摩擦力做的总功可能为零(静摩擦力)、可能为负(滑动摩擦力),但不可能为正
(3)斜面上支持力做功问题:
①斜面固定不动,物体沿斜面下滑时斜面对物体的支持力不做功
②斜面置于光滑的水平面上,一个物体沿斜面下滑,物体受到的支持力对物体做负功,如图所示,物体下滑到斜面底端,斜面由于不受地面摩擦,后退一段距离,需要注意的是位移S是物体相对于地面的位移,不要认为是斜面,否则会得出物体受到的支持力做功为0的错误结论。
功率
1、功率的定义:功跟完成这些功所用时间的比值叫做功率,它表示物体做功的快慢.
2、功率的定义式: ,所求出的功率是时间t内的平均功率。
3、功率的式:P=Fvcosθ,其中θ是力与速度间的夹角。该公式有两种用法:
①求某一时刻的瞬时功率。这时F是该时刻的作用力大小,v取瞬时值,对应的P为F在该时刻的瞬时功率;
②当v为某段位移(时间)内的平均速度时,则要求这段位移(时间)内F必须为恒力,对应的P为F在该段时间内的平均功率。
③重力的功率可表示为PG=mgVy,即重力的瞬时功率等于重力和物体在该时刻的竖直分速度之积
4、单位:瓦(w),千瓦(kw);
5、标量
6、功率的物理意义:功率是描述做功快慢的物理量。
7、通常讲的汽车的功率是指汽车的牵引力的功率
二、汽车的两种起动问题
汽车的两种加速问题。当汽车从静止开始沿水平面加速运动时,有两种不同的加速过程,但分析时采用的基本公式都是 和F-f =ma
①恒定功率的加速。由公式P=Fv和F-f=ma知,由于P恒定,随着v的增大,F必将减小,a也必将减小,汽车做加速度不断减小的加速运动,直到F=f,a=0,这时v达到较大值 。可见恒定功率的加速一定不是匀加速。这种加速过程发动机做的功只能用W=Pt,不能用W=Fs(因为F为变力)。
②恒定牵引力的加速。由公式P=Fv和F-f=ma知,由于F恒定,所以a恒定,汽车做匀加速运动,而随着v的增大,P也将不断增大,直到P达到额定功率Pm,功率不能再增大了。这时匀加速运动结束,其较大速度为 ,此后汽车要想继续加速就只能做恒定功率的变加速运动了。可见恒定牵引力的加速时功率一定不恒定。这种加速过程发动机做的功只能用W=Fs,不能用W=Pt(因为P为变功率)。
要注意两种加速运动过程的较大速度的区别。
功和能
知识要点;
3)重力势能
重力势能表达式:
重力做功: (重力做功与路径无关,只与物体的初末位置有关)
4)弹性势能
弹性势能表达式: ( 为弹簧的型变量)
1、动能:
在机械能范筹内,我们给能量下了个通俗的定义,什么是能?能是物体具有做功的本领。据此可推出:物体能做功,我们就说物体具有能,运动着的物体就具有做功的本领,流动的河水推动船只顺流而下,对船做功,飞行的子弹打穿耙心,克服耙纸的阻力做功等等。因而运动的物体能做功,运动物体具有能。
定义:物体由于运动而具有的能量叫做动能。
大小(量度):
※ 动能是标量,单位是焦耳。
一个物体的动能是物体运动状态的函数。
2、动能定理:
内容:外力对物体做功的代数和等于物体动能的增量数学表达式:
( )
※ ① ,物体受到的所有力做功的代数和。
② ,末态的动能减去初态的动能,称为动能的增量。
③ ,动能增加
,动能减少
,动能不变(速率不变)
3、应用动能定理处理力学问题的一般程序(思路)
①明确研究对象和初、末状态,明确初、末两状态的动能。
②对研究对象进行受力分析、明确各力对物体做功的情况。
③依据动能定理,列出所有力做功的代数和等于动能增量的方程。
④根据题目需要,解方程,统一单位,代入数值(题目提供的已知条件),求出答案。
※ a.动能定理由二定律和运动学公式推导得出。用二定律结合运动学公式解决的力学问题,一般用动能定理也能解,且解得简便。在应用动能定理解题时,只考虑起、止两状态的动能和过程中各力做功情况,而不涉及过程经历的时间和经历此时过程中的每个细节。
b.动能定理反应了做功是能量改变的途径,同时是能量变化的量度的物理本质。
c.现在,我们思考功的大小时就有了 、 和根据动能定理求功的思路(某些情况下,利用动能定理还可以求变力做
六、机械能守恒定律
(1)机械能守恒定律的两种表述
①在只有重力或弹力做功的情形下,物体的动能和势能发生相互转化,但机械能的总量保持不变。
②如果没有摩擦和介质阻力,物体只发生动能和势能的相互转化时,机械能的总量保持不变。
(2)机械能守恒的条件:
首先应特别提醒注意的是,机械能守恒的条件绝不是合外力的功等于零,更不是合外力等于零,例如水平飞来的子弹打入静止在光滑水平面上的木块内的过程中,合外力的功及合外力都是零,但系统在克服内部阻力做功,将部分机械能转化为内能,因而机械能的总量在减少.
机械能守恒的条件:只有重力和或只有弹簧弹力做功(即没有发生机械能与其他形式能的转化),具体有以下三种情况:只有重力和弹力作用,没有其他力作用;有重力、弹力以外的力作用,但这些力不做功;有重力、弹力以外的力做功,但这些力做功的代数和为零
(3)对机械能守恒定律的理解:
①机械能守恒定律的研究对象一定是系统,至少包括地球在内。通常我们说“小球的机械能守恒”其实一定也就包括地球在内,因为重力势能就是小球和地球所共有的。另外小球的动能中所用的v,也是相对于地面的速度。
②当研究对象(除地球以外)只有一个物体时,往往根据是否“只有重力做功”来判定机械能是否守恒;当研究对象(除地球以外)由多个物体组成时,往往根据是否“没有摩擦和介质阻力”来判定机械能是否守恒。
③对绳子突然绷紧,物体间非弹性碰撞等除题目特别说明,必定有机械能损失,碰撞后两物体粘在一起的过程中一定有机械能损失。
(4)机械能守恒定律的各种表达形式
① ,即 ;
② ; ;
用①时,需要规定重力势能的参考平面。用②时则不必规定重力势能的参考平面,因为重力势能的改变量与参考平面的选取没有关系。尤其是用ΔE增=ΔE减,只要把增加的机械能和减少的机械能都写出来,方程自然就列出来了。
(5)解题步骤
①确定研究对象和研究过程。
②判断机械能是否守恒。
③选定一种表达式,列式求解。
(6)理解势能 势能与相互作用的物体之间的相对位置有关,是系统的状态量。例如重力势能与物体相对地面的高度有关,弹性势能与物体的形变有关。势能的大小与参考点(此处势能为零)的选取有关,但势能的变化与参考点无关。重力势能的变化与重力做功的关系是WG=Ep1-Ep2=mgh1-mgh2;弹性势能的变化与弹簧做功有类似的关系。要区分重力做功WG=mgh中的“h”和重力势能Ep=mgh中的“h”,前者是始末位置的高度差,后者是物体相对参考面的高度。
七、功能关系
(1)功是能的转化的量度:
做功的过程就是能量转化的过程,做功的数值就是能量转化的数值.不同形式的能的转化又与不同形式的功相联系.
(2)力学领域中功能关系的几种主要表现形式:
①合外力对物体所做的功等于物体动能的增量. W合=Ek2一Ek1(动能定理)
②只有重力做功(或弹簧的弹力)做功,物体的动能和势能相互转化,物体的机械能守恒。
③重力功是重力势能变化的量度,即WG=-ΔEP重=一(EP末一EP初) =EP初一EP末
④弹力功是弹性势能变化的量度,即:W弹=一△EP弹=一(EP末一EP初) =EP初一EP末
⑤除了重力,弹力以外的其他力做功是物体机械能变化的量度,即:W其他=E末一E初
⑥一对滑动摩擦力对系统做总功是系统机械能转化为内能的量度,即:f•S相=Q
(3)理解“摩擦生热”
设质量为m2的板在光滑水平面上以速度υ2运动,质量为m1的物块以速度υ1在板上同向运动,且υ1>υ2,它们之间相互作用的滑动摩擦力大小为f,经过一段时间,物块的位移为s1,板的位移s2,此时两物体的速度变为υ′1和υ′2 ,由动能定理得:
-fs1= m1υ′12- m1υ12 (1)
fs2= m2υ′22- m2υ22 (2)
在这个过程中,通过滑动摩擦力做功,机械能不断转化为内能,即不断“生热”,由能量守恒定律及(1)(2)式可得
Q=( m1υ12+ m2υ2 2)-( m1υ′12- m2υ′22)=f(s1-s2) (3)
由此可见,在两物体相互摩擦的过程中,损失的机械能(“生热”)等于摩擦力与相对路程的乘积。
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