高中物理--万有引力与天体运动--最全讲义及习题及答案详解
22页1、第四节万有引力及天体运动一万有引力定律1、内容:自然界中任何两个物体都是相互吸引的,引力的方向沿两物体的连线,引力的大小F及这两个物体质量的乘积m1m2成正比,及这两个物体间距离r的平方成反比2、公式: 其中G6.671011 Nm2/kg2,称为引力常量3、 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,公式也可近似运用,但此时r应为两物体重心间的距离对于匀称的球体,r是两球心间的距离二万有引力定律的应用1、行星表面物体的重力:重力近似等于万有引力表面重力加速度:因 则 轨道上的重力加速度:因 则2、人造卫星万有引力供应向心力:人造卫星绕地球的运动可看成是匀速圆周运动,所需的向心力是地球对它的万有引力供应的,因此解决卫星问题最基本的关系是:同步卫星:地球同步卫星,是相对地面静止的,及地球自转具有相同的周期周期肯定:同步卫星绕地球的运动及地球自转同步,它的运动周期就等于地球自转的周期,T24 h.角速度肯定:同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度 轨道肯定:全部同步卫星的轨道必在赤道平面内高度肯定:全部同步卫星必需位于赤道正上方,且
2、距离地面的高度是肯定的(轨道半径都相同,即在同一轨道上运动),其确定的高度约为h=3.6104 km.环绕速度大小肯定:全部同步卫星绕地球运动的线速度的大小是肯定的,都是3.08 km/s,环绕方向及地球自转方向相同3、 三种宇宙速度第一宇宙速度:要想放射人造卫星,必需具有足够的速度,放射人造卫星最小的放射速度称为第一宇宙速度,v1=7.9 km/s。但却是绕地球做匀速圆周运动的各种卫星中的最大环绕速度。当人造卫星进入地面旁边的轨道速度大于7.9 km/s时,它绕地球运行的轨迹就不再是圆形,而是椭圆形.其次宇宙速度:当卫星的速度等于或大于11.2 km/s时,卫星就会脱离地球的引力不再绕地球运行,成为绕太阳运行的人造行星或飞到其他行星上去,我们把v2=11.2 km/s称为其次宇宙速度,也称脱离速度。第三宇宙速度:当物体的速度等于或大于16.7 km/s时,物体将摆脱太阳引力的束缚,飞到太阳系以外的宇宙空间中去,我们把v3=16.7 km/s称为第三宇宙速度,也称逃逸速度。说明:宇宙速度是指放射速度,不是卫星的运行速度。三、 万有引力定律的应用例析基本方法:天体运动都可以近似地看成匀速
3、圆周运动,其向心力由万有引力供应 在地面旁边万有引力近似等于物体的重力 1、 人造卫星的v、T、a及轨道半径r的关系r 越大,v 越小。r 越大,越小。r 越大,T越大。r 越大,a 向越小。补充:V T W a 及r的正比关系F;a;v;;T。规律:越高越慢2、 天体质量M、密度的估算(以地球为例)若已知卫星绕地球运行的周期T 和半径 r地球的质量:地球的密度(设地球半径R已知):若已知卫星绕地球运行的线速度v 和半径 r地球的质量:地球的密度(设地球半径R已知):若已知卫星绕地球运行的线速度v 和周期T(或角速度)地球的质量:地球的密度(设地球半径R已知):若已知地球半径R和地球表面的重力加速度g地球的质量:地球的密度(设地球半径R已知):3、 卫星变轨和卫星的能量问题人造卫星在圆轨道变换时,总是主动或由于其他缘由使速度发生改变,导致万有引力及向心力相等的关系被破坏,继而发生近心运动或者离心运动,发生变轨。在变轨过程中,由于动能和势能的相互转化,可能出现万有引力及向心力再次相等,卫星即定位于新的圆轨道。轨道半径越大,速度越小,动能越小,重力势能越大,但机械能并不守恒,且总机械能也越
4、大。也就是轨道半径越大的卫星,运行速度虽小,但放射速度越大。解卫星变轨问题,可依据其向心力的供求平衡关系进行分析求解若 F供F 求,供求平衡物体做匀速圆周运动若 F 供F 求,供不应求物体做离心运动若 F 供F 求,供过于求物体做向心运动卫星要达到由圆轨道变成椭圆轨道或由椭圆轨道变成圆轨道的目的,可以通过加速(离心)或减速(向心)实现速率比较:同一点上,外轨道速率大;同一轨道上,离恒星(或行星)越近速率越大加速度及向心加速度比较:同一点上加速度相同,外轨道向心加速度大;同一轨道上,近地点的向心加速度大于远地点的向心加速度。4.近地卫星、赤道上物体及同步卫星的运行问题近地卫星、同步卫星和赤道上随地球自转的物体三种匀速圆周运动的异同:1轨道半径:r同r近r物2运行周期:T同T物T近3向心加速度:a近a同a物5.双心问题在天体运动中,将两颗彼此距离较近的恒星称为双星它们围绕两球连线上的某一点做圆周运动由于两星间的引力而使它们在运动中距离保持不变已知两星质量分别为 M1 和M2,相距 L,求它们的角速度如图 ,设 M1的轨道半径为 r1,M2 的轨道半径为 r2,由于两星绕 O 点做匀速圆周运
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