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高中物理 | 萬有引力定律與航天

一、知識點(diǎn)

1、開普勒行星運(yùn)動定律

1)所有行星繞太陽運(yùn)動的軌道都是橢圓,太陽處在橢圓的一個焦點(diǎn)上。

2)對任意一個行星來說,它與太陽的連線在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積。

3)所有行星的軌道的半長軸的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等

。

2、萬有引力定律及其應(yīng)用

自然界中任何兩個物體都是相互吸引的,引力的大小跟這兩個物體質(zhì)量的乘積成正比,跟它們距離的二次方成反比。

表達(dá)式:

地球表面附近,重力近似等于萬有引力

3、第一宇宙速度    第二宇宙速度    第三宇宙速度

人造地球衛(wèi)星:衛(wèi)星環(huán)繞速度v、角速度

、周期T與半徑
的關(guān)系:

,可得:

r越大,v越??;

,r越大,
越?。?/span>

,r越大,T越大。

第一宇宙速度(環(huán)繞速度):

;

第二宇宙速度(脫離速度):

;

第三宇宙速度(逃逸速度):

4、求第一宇宙速度:  

衛(wèi)星貼近地球表面飛行

     

地球表面近似有

則有 

5、經(jīng)典力學(xué)的局限性

牛頓運(yùn)動定律只適用于解決宏觀、低速問題,不適用于高速運(yùn)動問題,不適用于微觀世界。


二、重點(diǎn)、難點(diǎn)解析

1、萬有引力定律適用條件

在公式

中,如是兩質(zhì)點(diǎn),則r指兩質(zhì)點(diǎn)間距,如是均勻球體,r為球心間距。但有些時候,如題目中結(jié)出的不是均勻球體,則可用“挖補(bǔ)法”,即構(gòu)成均勻球體后再進(jìn)行計算。

2、綜合運(yùn)用牛頓定律、萬有引力和勻速率圓周運(yùn)動求解天體的運(yùn)動的問題

1)衛(wèi)星的速度、加速度、周期和衛(wèi)星軌道的關(guān)系

天體運(yùn)動近似看成勻速率圓周運(yùn)動,其向心力都來源于萬有引力,即

由此得出:

,即線速度
;

,即角速度ω ∝
;

,即周期

,即向心加速度a∝
。

說明:① 衛(wèi)星環(huán)繞半徑r與該軌道上的線速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a存在一一對應(yīng)關(guān)系,一旦r確定,則v、ω、T、a皆確定,與衛(wèi)星的質(zhì)量m無關(guān)。② 對于環(huán)繞地球運(yùn)動的衛(wèi)星,若半徑r增大,其周圍T變大,線速度v、角速度ω、向心加速度a變?。蝗舭霃?/span>r減小,其周期T變小,線速度v、角速度ω、向心加速度a增大。

2)求天體的質(zhì)量、密度

通過觀察天體做勻速率圓周運(yùn)動的衛(wèi)星的周期T、半徑r,由萬有引力等于向心力

,得天體質(zhì)量

① 若知天體的半徑R,則天體的密度

② 若天體的衛(wèi)星環(huán)繞天體表面運(yùn)動,其軌道半徑r等于天體半徑R,其周期T,則天體密度

3)星體表面及其某一高度處的重力加速度的求法

① 地球表面的重力加速度

由于自轉(zhuǎn)而導(dǎo)致重力的變化是很微小的,因而在一般的情況下,常忽略地球自轉(zhuǎn)的影響,此時物體所受的重力大小就等于萬有引力的大小,因此,若地球表面的重力加速度為g0,則根據(jù)萬有引力定律:

R0為地球的半徑)。該式也適用于其他星體表面。

② 離地面高h處的重力加速度,根據(jù)萬有引力定律:

R0為地球的半徑)。

4)衛(wèi)星的變軌問題

衛(wèi)星繞天體穩(wěn)定運(yùn)行時萬有引力提供了衛(wèi)星做圓周運(yùn)動的向心力.

,得
,由此可知軌道半徑r越大,衛(wèi)星的速度v越小。當(dāng)衛(wèi)星由于某種原因速度v突然改變時,F
不再相等,因此就不能再根據(jù)
來確定r的大小.當(dāng)F >
時,衛(wèi)星做近心運(yùn)動;當(dāng)
時,衛(wèi)星做離心運(yùn)動。

5)估算問題的思維與解答方法

物理估算,一般是指依據(jù)一定的物理概念和規(guī)律,運(yùn)用物理方法和近似計算方法,對所有物理量的數(shù)量級或物理量的取值范圍,進(jìn)行大致的推算。

物理估算是一種重要的方法.有的物理問題,在符合精確度的前提下可以用近似的方法簡捷處理;有的物理問題,由于本身條件的特殊性,不需要也不可能進(jìn)行精確的計算。在這些情況下,估算就成為一種科學(xué)而又有實用價值的特殊方法。


1、如圖所示,陰影區(qū)域是質(zhì)量為M、半徑為R的球體挖去一個小圓球后的剩余部分,所挖去的小圓球的球心和大球體球心間的距離是

,求球體剩余部分對球體外離球心O距離為2R、質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)P的引力。

分析:萬有引力定律只適用于兩個質(zhì)點(diǎn)間的作用,只有對均勻球體才可將其看作是質(zhì)量全部集中在球心的一個質(zhì)點(diǎn),至于本題中不規(guī)則的陰影區(qū),那是不能當(dāng)作一個質(zhì)點(diǎn)來處理的,故可用補(bǔ)償法,將挖去的球補(bǔ)上。

解析:將挖去的球補(bǔ)上,則完整的大球?qū)η蛲赓|(zhì)點(diǎn)P的引力:

半徑為

的小球的質(zhì)量

補(bǔ)上小球?qū)|(zhì)點(diǎn)1的引力:

因而挖去小球的陰影部分對質(zhì)點(diǎn)P的引力:

 

例2、已知地球半徑6.4×106m,地面附近重力加速度=9.8 m/s2,計算在距離地面高為h2×106m的圓形軌道上的衛(wèi)星做勻速率圓周運(yùn)動的線速度v和周期T。

分析:在已知地球半徑和地面附近重力加速度的情況下,可以使用變換GM g R 2,使計算變得簡單,也稱其為黃金代換。

解析:衛(wèi)星做圓周運(yùn)動的向心力是它與地球間的萬有引力,即

     

由地球表面附近萬有引力近似等于重力,即

     

由①②兩式可得:

m/s

=6.9×103m/s

運(yùn)動周期:

s

7.64×103s

 

例3、把地球繞太陽公轉(zhuǎn)看作勻速率圓周運(yùn)動,軌道平均半徑約為1.5×108km,已知萬有引力常量6.67×10-11N·m2/kg2,則可估算出太陽的質(zhì)量大約是多少kg?(結(jié)果取一位有效數(shù)字)

解析: 題干給出地球軌道半徑:r=1.5×108km,雖沒直接給出地球運(yùn)轉(zhuǎn)周期數(shù)值,但日常知識告訴我們:地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周為365天,故周期

T365×24×36003.2×107s

萬有引力提供向心力

故太陽質(zhì)量:

kg

2×1030kg

總結(jié): ① 在一些天體運(yùn)行方面的估算題中,常存在一些隱含條件,應(yīng)加以利用.如在地球表面物體受到地球的引力近似等于重力.地面附近的重力加速度9.8 m/s2;地球自轉(zhuǎn)周期T=24h,公轉(zhuǎn)周期365天,月球繞地球運(yùn)動的周期約為27天等。

② 本方法利用的是衛(wèi)星運(yùn)動的有關(guān)參量(如rT),求出的質(zhì)量M是中心天體的,而不是衛(wèi)星本身質(zhì)量m,同學(xué)們應(yīng)切記這一點(diǎn)

③ 本題要求結(jié)果保留一位有效數(shù)字,有效數(shù)字運(yùn)算規(guī)則告訴我們:在代入數(shù)據(jù)運(yùn)算時,只要按四舍五入的方法代入二位(比要求多保留一位)有效數(shù)字即可,這樣可避免無意義的冗長計算,最后在運(yùn)算結(jié)果中,再按四舍五入保留到所要求的一位即可,望同學(xué)們體會運(yùn)用。

 

例4、有一星球的密度跟地球密度相同,但它表面處的重力加速度是地面上重力加速度的4倍,則該星球的質(zhì)量將是地球質(zhì)量的(    

A. 1/4 

B. 4

C. 16

D. 64

解析:星體表面的重力加速度:

,又知
,

所以

  

答案:D

 

例5、如圖所示,a、b、c是在地球大氣層外圓形軌道上運(yùn)行的3顆人造衛(wèi)星,下列說法正確的是(    

A. b、c的線速度大小相等,且大于a的速度

B. bc的向心加速度大小相等,且大于a的向心加速度

C. c加速可追上同一軌道上的bb減速可等候同一軌道上的c

D. a衛(wèi)星由于某種原因,軌道半徑緩慢減小,其線速度將變大

解析:bc在同一軌道上運(yùn)行,故其線速度大小,加速度大小均相等.b、c軌道半徑大于a軌道半徑,由

b
c
a,故A選項錯.由加速度
,知
,故B選項錯.當(dāng)c加速時,c受的萬有引力
,故它將偏離原軌道,做離心運(yùn)動;當(dāng)b減速,b受的萬有引力
,它將偏離原軌道,而離圓心越來越近。所以無論如何c也追不上bb也等不到c,故C選項錯;對這一選項,不能用
來分析b、c軌道半徑的變化情況;對a衛(wèi)星,當(dāng)它的軌道半徑緩慢減小時,在轉(zhuǎn)動一段較短時間內(nèi),可近似認(rèn)為它的軌道半徑未變,視作穩(wěn)定運(yùn)行,由
知,r減小時
逐漸增大,故D選項正確。

答案:D

 

6、1789年英國著名物理學(xué)家卡文迪許首先估算出了地球的平均密度.根據(jù)你學(xué)過的知識,能否知道地球密度的大小。

解析:設(shè)地球質(zhì)量為M,地球半徑為R,地球表面的重力加速度為g,忽略地球自轉(zhuǎn)的影響,根據(jù)萬有引力定律得:

     

將地球看成均勻球體:

     

由①②得地球的平均密度

上式中πG、Rg均為常數(shù),將它們的值代入可得:

ρ5.5×10kg/m3

即地球的平均密度為ρ5.5×10kg/m3

總結(jié):估算題中往往告訴的已知量很少或者什么量也不告訴,解題時就要求我們靈活地運(yùn)用一些物理常數(shù),如:重力加速度g、圓周率π、萬有引力恒量G等等。

 

7、我國發(fā)射的“嫦娥一號”探月衛(wèi)星沿近似于圓形軌道繞月飛行。為了獲得月球表面全貌的信息,讓衛(wèi)星軌道平面緩慢變化。衛(wèi)星將獲得的信息持續(xù)用微波信號發(fā)回地球。設(shè)地球和月球的質(zhì)量分別為Mm,地球和月球的半徑分別為RR1,月球繞地球的軌道半徑和衛(wèi)星繞月球的軌道半徑分別為rr1,月球繞地球轉(zhuǎn)動的周期為T。假定在衛(wèi)星繞月運(yùn)行的一個周期內(nèi)衛(wèi)星軌道平面與地月連心線共面,求在該周期內(nèi)衛(wèi)星發(fā)射的微波信號因月球遮擋而不能到達(dá)地球的時間(用M、m、RR1、r、r1T表示,忽略月球繞地球轉(zhuǎn)動對遮擋時間的影響)。

解析:如下圖所示:

設(shè)O

分別表示地球和月球的中心。在衛(wèi)星軌道平面上,A是地月連心線
與地月球表面的公切線ACD的交點(diǎn),D、CB分別是該公切線與地球表面、月球表面和衛(wèi)星軌道的交點(diǎn)。過A點(diǎn)在另一側(cè)作地月球面的公切線,交衛(wèi)星軌道于E點(diǎn)。衛(wèi)星在圓弧
上運(yùn)動時發(fā)出的信號被遮擋。

設(shè)探月衛(wèi)星的質(zhì)量為m0,萬有引力常量為G,根據(jù)萬有引力定律有:

      ①    

      ②    

② 式中,T1表示探月衛(wèi)星繞月球轉(zhuǎn)動的周期。

由以上兩式可得:

     ③

設(shè)衛(wèi)星的微波信號被遮擋的時間為t,則由于衛(wèi)星繞月球做勻速圓周運(yùn)動,

應(yīng)有:

④    

上式中

,
。

由幾何關(guān)系得:

⑤   

⑥     

③④⑤⑥得:

⑦   

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