高三物理知识点突破训练题20.doc
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(三)运用力学规律研究卫星问题的思维基础: ①光年,是长度单位,1光年= 9.46×1012千米 ②认为星球质量分布均匀,密度,球体体积,表面积 ③地球公转周期是一年(约365天,折合 8760 小时),自转周期是一天(约24小时)。 ④月球绕地球运行周期是一个月(约28天,折合672小时;实际是27.3天) ⑤围绕地球运行飞船内的物体,受重力,但处于完全失重状态。 B 同步轨道 地球 A 图4-2 ⑥发射卫星时,火箭要克服地球引力做功。由于地球周围存在稀薄的大气,卫星在运行过程中要受到空气阻力,动能要变小,速率要变小,轨道要降低,即半径变小。 ⑦视天体的运动近似看成匀速圆周运动,其所需向心力都是来自万有引力, 即 应用时根据实际情况选用适当的公式进行分析。 ⑧天体质量M、密度ρ的估算: 测出卫星围绕天体作匀速圆周运动的半径r和周期T, 由得:,(当卫星绕天体表面运动时,ρ=3π/GT2) ⑨发射同步通讯卫星一般都要采用变轨道发射的方法:点火,卫星进入停泊轨道(圆形轨道,高度200—300km),当卫星穿过赤道平面时,点火,卫星进入转移轨道(椭圆轨道),当卫星达到远地点时,点火,进入静止轨道(同步轨道)。如图4-2所示。 ⑩明确三个宇宙速度: 第一宇宙速度(环绕速度):v=7.9千米/秒;(地球卫星的最小发射速度) 第二宇宙速度(脱离速度):v=11.2千米/秒;(卫星挣脱地球束缚的最小发射速度) 第三宇宙速度(逃逸速度):v=16.7千米/秒。(卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度) 人造卫星在圆轨道上的运行速度是随着高度的增大而减小的,但是发射高度大的卫星克服地球的引力做功多,所以将卫星发射到离地球远的轨道,在地面上的发射速度就越大。 三、运用力学规律研究卫星问题的基本要点 1、必须区别开普勒行星运动定律与万有引力定律的不同 开普勒行星运动定律 开普勒第一定律:所有行星围绕太阳运动的轨道均是椭圆,太阳处在这些椭圆轨道的一个公共焦点上。 开普勒第二定律(面积定律):太阳和运动着的行星之间的联线,在相等的时间内扫过的面积总相等。 开普勒第三定律(周期定律):各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。若用r表示椭圆轨道的半长轴,用T表示行星的公转周期,则有k=r3/T2是一个与行星无关的常量。 开普勒总结了第谷对天体精确观测的记录,经过辛勤地整理和计算,归纳出行星绕太阳运行的三条基本规律。开普勒定律只涉及运动学、几何学方面的内容。开普勒定律为万有引力定律的提出奠定了理论基础,此三定律也是星球之间万有引力作用的必然结果。 (2)万有引力定律 万有引力定律的内容是: 宇宙间一切物体都是相互吸引的,两个物体间的引力大小,跟它们的质量的乘积成正比,跟它们间的距离的平方成反比。 万有引力定律的公式是: F=, (G=6.67×10-11牛顿·米2/千克2,叫作万有引力恒量)。 万有引力定律的适用条件是: 严格来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大小时公式也近似适用,但此时它们间距离r应为两物体质心间距离。 (3)开普勒行星运动定律与万有引力定律的关系: 万有引力定律是牛顿根据行星绕太阳(或恒星)运动的宇宙现象推知行星所需要的向心力必然是由太阳对行星的万有引力提供,进而运用开普勒行星运动定律推导发现了万有引力定律. 开普勒行星运动定律是万有引力定律的理论基础。 开普勒行星运动定律从轨道形状、运动速度、转动周期、轨道半径等方面描述、揭示了行星绕太阳(或恒星)运动的宇宙现象,表明了天体运动运动学特征和规律。万有引力定律是从行星转动所需要的向心力来源与本质上揭示了行星与太阳(或恒星)以及宇宙万物间的引力关系,描述的是行星运动的动力学特征与规律。 例1:世界上第一颗人造地球卫星环绕地球运行轨道的长轴比第二颗人造地球卫星环绕地球轨道的长轴短8000km, 第一颗人造地球卫星环绕地球运转的周期是96.2min,求第一颗人造地球卫星环绕地球轨道的长轴和第二颗人造地球卫星环绕地球运转的周期(已知地球质量M=5.98X1024kg). 【审题】本题中第一颗人造地球卫星环绕地球轨道的长轴与第二颗人造地球卫星环绕地球运转的周期均是待求量,仅由开普勒行星运动定律难以求解。因此可以假想有一颗近地卫星环绕地球运行,由万有引力提供向心力的关系求出引卫星的R3/T2,又由开普勒第三定律知,所有绕地球运行的卫星的r3/T2值均相等,只要把假想卫星的R3/T2题中的二卫星的r3/T2值相比较即可求得结论。 【解析】假想有一颗近地卫星环绕地球运行,由于万有引力提供向心力,则 GMm/R2=m4π2 R /T2 解之得 K= R3/T2=GM/4π2, 再设第一颗人造地球卫星环绕地球轨道的长轴为a, 第二颗人造地球卫星环绕地球运转的周期为T,由开普勒第三定律得 K =(a/2)3/T12 =(a/2+4000)3/T22 由以上二式得,a=1.47×107m. T2=96.3 min. 【总结】由于此题中有两个待求物理量,单纯地运用万有引定律或开普勒行星运动定律难以求解,故而联立两个定律合并求解。同时,再假想有一颗近地卫星环绕地球运行,由万有引力提供向心力的关系求出卫星的R3/T2,由开普勒第三定律得知所有绕地球运行的卫星的r3/T2值均相等,找出等量关系即可求解。这种‘虚拟’卫星的思路十分重要,也是此题求解的‘切入口’。 图4-3 例2:如图4-3所示,在均匀球体中,紧贴球的边缘挖去一个半径为R/2的球形空穴后,对位于球心和空穴中心边线上、与球心相距d的质点m的引力是多大? 【解析】 把整个球体对质点的引力看成是挖去的小球体和剩余部分对质点的引力之和,即可求解完整的均质球体对球外质点m的引力 此引力可以看成是挖去球穴后的剩余部分对质点的引力F1与半径为R/2的小球对近质点的引力F2之和,即F=F1+F2。因为半径为R/2的小球质量M′=;则,所以挖去球穴后的剩余部分对球外质点m的引力为: 【总结】如果先设法求出挖去球穴后的重心位置,然后把剩余部分的质量集中于这个重心上,应用万有引力公式求解.这是不正确的.万有引力存在于宇宙间任何两个物体之间,但计算万有引力的简单公式却只能适应于两个质点或均匀的球体。挖去空穴后的剩余部分已不再是均质球了,故不能直接使用上述公式计算引力。 2、必须区别开普勒第三行星定律中的常量K与万有引力定律中常量G的不同 (1)开普勒第三定律中的常量K: 开普勒第三定律中的常量K= r3/T2,对于行星与太阳的天体系统而言,常量K仅与太阳的质量有关而与行星的质量无关。此规律对于其它的由‘中心天体’与‘环绕天体’组成的天体系统同样适用。常量K仅由‘中心天体’的质量决定而与‘环绕天体’的质量无关。‘中心天体’相同的天体系统中的常量K相同,‘中心天体’不同的天体系统的常量K也不同。“K= r3/T2=常量”的伟大意义在于启发牛顿总结、发现了万有引力定律。 (2)万有引力定律中的常量G: 万有引力定律中的常量G是由万有引力定律F=变形求出的,G=F r2/m1m2,数值是G=6。67×10-11Nm2/Kg2.是卡文迪许扭秤实验测出的,适用于宇宙间的所有物体。万有引力定律中的常量G的测定不仅证明了万有引力的存在,更体现了万有引力定律在天文研究中的巨大价值。 (3)常量K与常量G的关系: 常量K与常量G有如下关系,K= GM/4π2,或者G=4π2/GM。K的值由‘中心天体’的质量而定,而常量G则是一个与任何因素无关的普适常量。 例3:行星绕太阳运转的轨道是椭圆,这些椭圆在一般情况下可以近似视为圆周轨道,试用万有引力定律和向心力公式证明对所有绕太阳运转的行星,绕太阳公转轨道半径的立方与运转周期的平方的比值为常量。论述此常量的决定因素有哪些?此结论是否也适用于地球与月球的系统? 【审题】 本题中行星绕太阳运转的轨道近似视为圆周轨道时,只要运用万有引力定律和向心力公式即可证明得出结论。 【解析】 因为行星绕太阳运转需要的向心力是由太阳的万有引力提供,设太阳质量为M,行星的质量为m,行星绕太阳运转轨道的半径为r,运行周期为T,则, GMm/r2=m4π2r/T2,故,r3/T2=GM/4π2,即,K= GM/4π2。 图4-4 显然,由于太阳质量一定,K的数值仅由太阳质量M决定,与其它因素无关。这一结论适用于地球与月球系统,也适用于其它‘中心天体’与‘环绕天体’组成的天体系统。 【总结】开普勒第三定律中的常量K与万有引力定律中的常量G的这种关系(K= GM/4π2,或者G=4π2/GM)可以用来方便的求解卫星类的问题,作为一种解题的‘切入口’应在解题过程中予以重视。 3、必须区别地面物体的万有引力与重力以及向心力的不同 (1)地球对地面物体的万有引力:地面上的物体所受地球引力的大小均由万有引力定律的公式F=决定,其方向总是指向地心。 (2)地面物体所受的重力: 处在地面上的物体所受的重力是因地球的吸引而产生的,其大小为mg,方向竖直向下(绝不可以说为“垂直向下”和“指向地心”)。 地面上同一物体在地球上不同纬度处的的重力是不同的。在地球的两极上最大,在地球赤道上最小,随着位置从赤道到两极的移动而逐渐增大-----这种现象不是‘超重’,应该与‘超重’现象严格区别开来。 以地球赤道上的物体为例,如图4-4所示,质量为m的物体受到的引力为F=GMm/R2 ,因此物体与地球一起转动,即以地心为圆心,以地球半径为半径做匀速圆周运动,角速度即与地球的自转角速度相同,所需要的向心力为 F向=mωR2 =mR4π2/T2.因地球自转周期较大,F向必然很小,通常可忽略,故物体在地球两极M或N上时其重力等于受到的万有引力。 一般说来,同一物体的重力随所在纬度的变化而发生的变化很小, 有时可以近似认为重力等于万有引力,即mg=。 在任何星体表面上的物体所受的重力均是mg=,而物体在距星体表面高度为h处的重力为mg’=Gm1m2/(r+h)2 (3)地面物体随地球自转所需的向心力: 由于地球的自转,处于地球上的物体均随地球的自转而绕地轴做匀速圆周运动,所需向心力由万有引力提供,大小是F向=mω2r=mr4π2/T2(ω是地球自转角速度,r是物体与地轴间的距离,T是地球的自转周期),其方向是垂直并指向地轴。对于同一物体,这一向心力在赤道时最大,F大=mω2R(R是地球半径);在两极时最小,F小=0。 图4-5 因地球自转,地球赤道上的物体也会随着一起绕地轴做圆周运动,这时物体受地球对物体的万有引力和地面的支持力作用,物体做圆周运动的向心力是由这两个力的合力提供,受力分析如图4-5所示. 实际上,物体受到的万有引力产生了两个效果,一个效果是维持物体做圆周运动,另一个效果是对地面产生了压力的作用,所以可以将万有引力分解为两个分力:一个分力就是物体做圆周运动的向心力,另一个分力就是重力,如图4-5所示.这个重力与地面对物体的支持力是一对平衡力.在赤道上时这些力在一条直线上. 当在赤道上的物体随地球自转做圆周运动时,由万有引力定律和牛顿第二定 律可得其动力学关系为,式中R、M、、T分别为地球的半径、质量、自转角速度以及自转周期。 当赤道上的物体“飘”起来时,必须有地面对物体的支持力等于零,即N=0,这时物体做圆周运动的向心力完全由地球对物体的万有引力提供.由此可得赤道上的物体“飘”起来的条件是:由地球对物体的万有引力提供向心力。以上的分析对其它的自转天体也是同样适用的。 (4)万有引力、重力、向心力三者间的关系: 地面物体随地球自转所需向心力F向=mω2r=mr4π2/T由万有引力F引=GMm/R2提供,F向是F引的一个分力,引力F引的另一个分力才是物体的重力mg,引力F引是向心力F向和重力mg的合力,三者符合力的平行四边形定则,大小关系是F引≥mg>F向。 例4:已知地球半径R=6.37×106m.地球质量M=5.98×1024Kg,万有引力常量G=6.67×10-11 Nm2/Kg2.试求挂在赤道附近处弹簧秤下的质量m=1Kg的物体对弹簧秤的拉力多大? 【审题】对物体受力分析如图4-6所示,弹簧秤对物体竖直向上的拉力和地球对物体竖直向下的万有引力的合力提供了物体随地球自转而做匀速圆周运动的向心力。 图4-6 【解析】在赤道附近处的质量m=1Kg的物体所受地球的万有引力为 F=GMm/R2=6.67×10-11×5.98×1024×1/ (6.37×106)2 N=9.830N 此物体在赤道所需向心力为 F向=mω2R=mR4π2/T2= 1×()2×6.37×106 N=0.0337 N。 此物体在赤道所受到的弹簧秤拉力为F拉=F-F向=(9.830-0.0337)N =9.796N。 由牛顿第三定律可知,物体对弹簧秤的拉力为F拉=9.796N。亦即物体所受到的重力也是9.796N。 【总结】由计算可知,引力F=9.830N远大于向心力F向=0.0337 N,而物体所受重力9.796N与物体所受的万有引力F=9.830N相差很小,因而一般情况下可认为重力的大小等于万有引力的大小。但应该切记两点:①重力一般不等于万有引力,仅在地球的两极时才可有大小相等、方向相同,但重力与万有引力仍是不同的两个概念。②不能因为物体随地球自转所需要的向心力很小而混淆了万有引力、重力、向心力的本质区别。 例5:地球赤道上的物体重力加速度为g,物体在赤道上随地球自转的向心加速度为a,要使赤道上的物体“飘”起来,则地球转动的角速度应为原来的( ) 倍 A. B. C. D. 【审题】依据牛顿第二定律和万有引力定律,以赤道上的物体“飘”起来的动力学本质为‘切入口,’即可求出地球转动的角速度。 【解析】设地球原来自转的角速度为,用F表示地球对赤道上的物体的万有引力, N表示地面对物体的支持力,由牛顿第二定律得 ① 由于物体受到的支持力与物体的重力是一对平衡力,所以有 ② 当赤道上的物体“飘”起来时,只有万有引力提供向心力,设此时地球转动的角速度为,有 ③ 联立①、②、③三式可得,所以正确答案为B选项。 【总结】当赤道上的物体“飘”起来时,是一种物体、地球之间接触与脱离的临界状态,地球对物体的支持力为零,只有万有引力完全提供向心力,只要正确运用牛顿第二定律和万有引力定律列式求解即可。 例6:假设火星和地球都是球体,火星的质量M火和地球质量M地之比M火/M地=p,火星的半径R火和地球半径R地之比R火/R地=q,那么离火星表面R火高处的重力加速度和离地球表面R地高处的重力加速度之比等于多少? 【审题】解题时要明确以下二点: 一、因为已知火星的质量M火和地球质量M地之比M火/M地=p以及火星的半径R火和地球半径R地之比R火/R地=q,故可以运用比例法进行求解。 二、所求的是离火星表面R火高处的重力加速度和离地球表面R地高处的重力加速度之比,而不是火星表面与地球表面的重力加速度之比。 【解析】 物体的重力来自万有引力,所以离火星表面R火高处:m=GM火·m/(2R火)2 =。离地对表面R地高处:m=GM地·m/(2R地)2,= ∴/=·=P/q2 【总结】 由于引力定律公式中只有乘法与除法,故可以运用比例法进行求解。对星球表面上空某处的重力加速度公式,也可以这样理解:g′和星球质量成正比和该处到球心距离的平方成反比。 4、必须区别天体系统中‘中心天体’与‘环绕天体’的不同 对于天体质量的测量,常常是运用万有引力定律并通过观测天体的运行周期T和轨道半径r(必须明确天体的运行周期T和轨道半径r是研究卫星问题中的两个关键物理量),把天体或卫星的椭圆轨道运动近似视为匀速圆周运动,然后求解。但是必须区别天体系统中‘中心天体’与‘环绕天体’的不同。 所谓‘中心天体’是指位于圆周轨道中心的天体,一般是质量相对较大的天体;如,恒星、行星等等。所谓‘环绕天体’是指绕着‘中心天体’做圆周运动的天体或者卫星以及人造卫星,一般是质量相对较小的天体或卫星。此种方法只能用来测定‘中心天体’的质量,而无法用来测定‘环绕天体’的质量。这是解题时必须注意的。 (1)根据天体表面上物体的重力近似等于物体所受的万有引力,由天体表面上的重力加速度和天体的半径求天体的质量,其公式推证过程是: 由mg=G 得 .(式中M、g、R分别表示天体的质量、天体表面的重力加速度和天体的半径.) (2)根据绕中心天体运动的卫星的运行周期和轨道半径,求中心天体的质量 卫星绕中心天体运动的向心力由中心天体对卫星的万有引力提供,利用牛顿第二定律得 若已知卫星的轨道半径r和卫星的运行周期T、角速度或线速度v,可求得中心天体的质量为 例7:已知引力常量G和以下各组数据,能够计算出地球质量的是: 地球绕太阳运行的周期和地球与太阳间的距离 月球绕地球运行的周期和月球与地球间的距离 人造地球卫星在地面附近处绕行的速度与周期 若不考虑地球的自转,已知地球的半径与地面的重力加速度 【审题】此题中的目的是求解‘地球’的质量,其关键在于题中所给四个情景中“地球”是否是一个‘中心天体’.若地球是一个‘中心天体’,则可在题中所给的四个情景中找到以地球为‘中心天体’、以‘月球’或‘卫星’为运‘环绕天体’的系统,再运用万有引力定律和匀速圆周运动的规律联合求解。此外,还要注意到每一个选项中给定的两个物理量能否用得上,只有做好这样的分析判断之后,解题才能事半功倍。解此题关键是要把式中各字母的含义弄清楚,要区分天体半径和天体圆周运动的轨道半径. 【解析】 对A选项。此选项之中“地球绕太阳运转”,给定的条件是”地球绕太阳的运转周期”和”地球与太阳之间的距离”。显然此处的”中心天体”是太阳而非地球,地球是一个”环绕天体”, 而已知的是地球绕太阳运行的周期和地球的轨道半径,只能求出太阳的质量,因此无法计算出地球的质量。故A选项错误. 对B选项。在此选项中,月球绕地球运转,月球是“环绕天体”,而地球是“中心天体”,且已知月球绕地球的运转周期T和月球与地球之间的距离r,由万有引力定律与匀速圆周运动的规律可得,故有地球质量为M= ,显然,式中的各量均为已知量,即地球质量由此式可计算出来。故B选项正确。 对C选项。在此项中人造地球卫星是“环绕天体“,而地球则是中心天体,又已知人造地球卫星的运行速度v和运动周期T,由万有引力定律与匀速圆周运动规律可得 和,又因为此人造地球卫星是”近地“卫星,则h<<R,可视为h≈0,必有R+h≈R,则以上两式可分别化为-----① 和-----②, 又由于v=,代入①式(当然也可以代入②式)可得,地球的质量为M=。显然此式中的量均为已知。即可由此式计算出地球质量。故C选项正确。 对D选项。可以运用虚拟物体法计算地球的质量。假设有一个在地面上静止的物体,对其运用万有引力定律可得:,则M=。其中的g为地面上的重力加速度,R为地球半径,均为已知,可以由此计算出地球质量。故D选项正确。 【总结】 对于天体的质量是通过测量计算得到的,而不是通过称量获得。首先要明确,这种方法只能用来计算“中心天体”的质量,而不能计算“环绕天体”的质量。其次还必须明确利用题中所给的天文数据能否计算出被测天体的质量。只有满足这两方面面的要求,才可以运用万有引力定律和匀速圆周运动的规律计算求得天体的质量。 5、必须区别卫星的运行速度与发射速度的不同 对于人造地球卫星,由可得v=,这个速度指的是人造地球卫星在轨道上稳定运行的速度。其大小仅随轨道半径r的增大而减小,与卫星的质量、形状等因素无关。只要卫星能运行在半径为r`的轨道上,其运行的速度就必须是而且也只能是 v=,此式是人造地球卫星稳定运行速度的决定公式。 人造地球卫星在圆轨道上的运行速度是随着高度的增大而减小的,由于人造地球卫星的发射过程中必须克服地球引力做功,从而增大了卫星的引力势能,故要将卫星发射到距地球越远的轨道,需要克服地球的引力做功就越多,在地面上需要的发射速度就要越大。其发射速度的具体数值由预定轨道的高度决定,在第一宇宙速度(7.9 km/s)和第二宇宙速度(11. 2 km/s)之间取值。要明确三个宇宙速度均指发射速度。而第一宇宙速度(7.9 km/s)既是卫星的最小发射速度又是卫星的最大运行速度。 人造地球卫星的三个发射速度分别是: 第一宇宙速度(环绕速度):v=7.9千米/秒;(地球卫星的最小发射速度) 第二宇宙速度(脱离速度):v=11.2千米/秒;(卫星挣脱地球束缚的最小发射速度) 第三宇宙速度(逃逸速度):v=16.7千米/秒。(卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度) 例8:1999年5月10日,我国成功地发射了“一箭双星”,将“风云一号”气象卫星和“实验五号”科学实验卫星送入离地面高870km的轨道。这颗卫星的运行速度为( ) A、7.9km/s B、11.2 km/s C、7.4 km/s D、3.1 km/s 【审题】 题目中叙述的是人造地球卫星的“发射”与“运行”,考查的是人造地球卫星的“发射速度”与“运行速度”的物理意义。此题给出的四个速度中有三个具有特定的物理意义。只要明确这三个特殊速度的物理意义,此题求解也就十分容易。此题可有两种不同的解法,一是,根据题中的三个特殊速度而作出判断;二是根据题中给出的卫星高度h=870km和其他的常量计算出此卫星的实际运行速度,即可选出正确答案。 【解析】 (方法一)判断选定法 对选项A,v=7.9km/s的速度是地球的第一宇宙速度,是发射速度。以此速度发射的人造地球卫星会以v=7.9km/s的速度环绕地球低轨道运行。其轨道半径近似等于地球半径,即r≈R地,不会处在h=870km的轨道上。故A选项错误。 对选项B,v=11.2km/s是地球的第二宇宙速度,是发射速度,以此速度发射的人造地球卫星会脱离地球的引力范围,飞到距地球的“无限远处”(在理论上此卫星的轨道半径r=∞,其绕地球运行速度v=0),不会稳定运行在h =870km的轨道上,故B选项错误。 对选项C,v=7.4km/s<7.9km/s(第一宇宙速度),则肯定是卫星的运行速度。但是否以此速度运行的卫星就一定处在h=870km的轨道上?还要计算判定。然而,由于又在“D选项中”有v=3.1km/s是地球同步卫星运行速度,而同步卫星的轨道高度是36000km而不是870km。故运用排除法即可得知C选项正确。 对选项D,v=3.1km/s必然是同步卫星的运行速度,而同步卫星的轨道高度是距地球赤道地面36000km ,而不是870km。故D选项错误。 (方法二)计算选定法 由于地球的万有引力提供了人造地球卫星的向心力,故得,则有v=,代入引力常量G=6.67×10-11 Nm2/Kg2,地球质量M=5.98×1024Kg,地球半径R=6400km和卫星的轨道高度h=870km。可得v=7.4km/s,即此卫星的运行速度为7.4km/s。故C选项正确。 【总结】 以上两种方法相比,显然是前一种“判断选定法”更为简捷方便,但是要熟知题中给的各个速度的含义,只要排除不合理的答案即可得到正确答案。如果要运用计算选定法,则需要进行繁杂的数值计算,稍有不慎不仅会影响解题速度甚至还会导致错误。故而注重选择题的解答技巧十分重要。 6、必须区别由万有引力、重力、向心力构成的三个等量关系式的不同 针对天体(行星,卫星)和人造地球卫星的运行问题(包括线速度、周期、高度 ),可以看作匀速圆周运动,从而运用万有引力定律。这类“天上”的物体作匀速圆周运动的向心力仅由万有引力提供。对于地面物体,其重力由万有引力产生,若忽略随地球自转的影响,则其重力等于万有引力。由于 “天上”的物体(如行星、卫星)与地面上的物体虽然遵守相同的牛顿力学定律,但也有本质的区别,通常在解决卫星问题时要特别注重以下三个等量关系: 若万有引力提供向心力,则有 GMm/r2 =ma向 若重力提供向心力, 则有 mg= ma向 若万有引力等于重力, 则有 GMm/r2 =mg 以上三式不仅表现形式有异,而且其物理意义更是各有不同,必须注意区别辨析。同时因向心加速度a向又具有多种不同的形式,如a向 =v2/r =ω2r= 4π2 r/T2 ……则可以得以下几组公式: (1)由 GMm/r2 =ma向 得 GMm/r2 =ma向→a向=GM/r2→a向∝1/r2。 GMm/r2 =m v2/r→v =→v∝1/ GMm/r2 =mω2r→ω=→ω∝1/ GMm/r2=m4πT 2 r/T2→T=2π →T∝ 对于以上各式,“中心天体”(如地球)一定,则其质量M是一定的。因此“环绕天体”(卫星)绕其做匀速圆周运动的向心加速度a向、运行速度v、运行角速度ω、运行周期T仅与距离r有关。即以上各量仅由距离r即可得出,故以上各式可称之为 “决定式”。这组决定式适应于用 “G、M、r”表示待求物理量的题目。 (2)由 mg= ma向可得 mg= ma向→a向=g mg= m v2/r→v=→v∝ mg= mω2r→ω=→ω∝1/ mg= m4π2 r/T2→ T=2π→T∝ 以上各式之中,作匀速圆周运动的物体(如卫星)的运行速度v、角速度ω 、周期T由距离r和重力加速度g共同决定。其中的“g“也是一个随距离r而变化的变量,而不能认为是一个恒量。这组公式是由GMm/r2 =mg的代换关系得到的,一般适应于已知“g、r”而不知“G、M”的题目。 (3)由GMm/r2 =mg 得,对于地面上的物体可由r=Ro (Ro为地球半径),g=go(go为地球表面的重力加速度)若忽略地球自转,则有GMm/ R2o =m go。即GM= go R2o——此即所谓的“黄金代换”,可用来作为“G、M”与“go 、Ro”之间的等量代换。----------这一关系在解题中经常用到。 例9:(2006年五市区联考)设有两颗人造地球卫星的质量之比为m1:m2 =1:2,其运行轨道半径之比为R1:R2 =3:1,试求此两颗卫星运行的: ①线速度之比,②角速度之比,③周期之比,④向心加速度之比。 【审题】根据此题要求求解的四个“比”值,其给定的已知条件中的“m1:m2 =1:2”是无用的“干扰项”,只须运用已知条件“R1:R2 =3:1”即可求解,但是必须注意所用公式。因为只是已知两颗卫星的轨道半径的比例关系,故而求解时也只能选用上面(1)中的“决定式”,而不能选用(2)中的公式。 【解析】人造地球卫星在轨道上运行时,所需要的向心力等于地球的万有引力,由F引=F向可得, ① GMm/r2 =m v2/r,则v =所以,。 如果此处运用了v=,而认为v∝,则可得到=,显然这是错误的。因为对于这两颗卫星而言其公式v=中的“g”是不同的。 ② 因为GMm/r2 =mω2r,有ω=,故,=;如果此处运用公式ω=而认为ω∝1/,则可得,=,显然也是错误的。其原因仍是忘掉了式中“g” 的不同。 ③ 因为GMm/r2 =m4π2 r/T2 ,则,T=2π,故有===。如果此处运用了T=2π而认为T∝,则得=,显然也是错误的。其原因仍是忘掉了式中“g” 的不同。 图4-7 ④ GMm/r2=ma向,则a向=GM/r2 故有,=1/9。如果此处运用了a向=g而认为a向轨道半径无关,则得,必然错误,其原因仍是忘掉了式中“g”的不同。 【总结】 在求解天体(如,行星、卫星等)的圆周运动时,由于圆周运动的特点以及“黄金代换”关系(GM=go R2o)的存在,会使得圆周运动中的同一个物理量有多种不同形式的表达式。如,对于线速度就有v =、v=、V=ωr、V=2π- 配套讲稿:
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