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万有引力与航天 一、行星的运动 1、 开普勒行星运动三大定律 ①第一定律〔轨道定律〕：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。 ②第二定律〔面积定律〕：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积。 推论：近日点速度比拟快，远日点速度比拟慢。 ③第三定律〔周期定律〕：所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等。 a即： 其中k是只与中心天体的质量有关，与做圆周运动的天体的质量无关。 k 3T2推广：对围绕同一中心天体运动的行星或卫星，上式均成立。K取决于中心天体的质量 例1. 据报道，美国方案从2021年开始每年送15 000名游客上太空旅游．如下图，当航天器围绕地球沿椭圆轨道运行时，在近地点A的速率 (填“大于〞“小于〞或“等于〞)在远地点B的速率。 例2、宇宙飞船进入一个围绕太阳运动的近乎圆形的轨道上运动，如果轨道半径是地球轨道半径的9倍，那么宇宙飞船绕太阳运行的周期是〔 〕 A.3年 B.9年 C.27年 D.81年 二、万有引力定律 1、万有引力定律的建立 Mm①太阳与行星间引力公式 FG2rG ②卡文迪许的扭秤实验——测定引力常量G6.671011Nm2/kg22、万有引力定律 ①内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比，与它们之mm间的距离r的二次方成反比。即： FG122r②适用条件 〔Ⅰ〕可看成质点的两物体间，r为两个物体质心间的距离。 〔Ⅱ〕质量分布均匀的两球体间，r为两个球体球心间的距离。 ③运用 〔1〕万有引力与重力的关系： 重力是万有引力的一个分力，一般情况下，可认为重力和万有引力相等。 忽略地球自转可得： GMmmg2R 例3.设地球的质量为M，赤道半径R，自转周期T，那么地球赤道上质量为m的物体所受重力的大小为？〔式中G为万有引力恒量〕 〔2〕计算重力加速度 Mm地球外表附近〔h?R〕 方法：万有引力≈重力 mg G 2 R Mm'地球上空距离地心r=R+h处 方法： mg G 2(Rh) ''在质量为M’，半径为R’的任意天体外表的重力加速度g 方法： ' 'm '' MmgG2 R''〔3〕计算天体的质量和密度 Mm利用自身外表的重力加速度： G 2 mg R 22 GMmv42mmrmrrr2T2利用环绕天体的公转： 等等 43 〔注：结合 M R 得到中心天体的密度〕 3例4.宇航员站在一星球外表上的某高处，以初速度V0沿水平方向抛出一个小球，经过时间t，球落到星球外表，小球落地时的速度大小为V. 该星球的半径为R，引力常量为G ，求该星球的质量M。 例5. 2021年1月23日，我国首颗1米分辨率C频段多极化合成孔径雷达(SAS)卫星“高分三号〞正式投入使用，某天文爱好者观测卫星绕地球做匀速圆周运动时，发现该卫星每经过时间t扫过的弧长为L，该弧长对应的圆心角为θ弧度，引力常量为G，那么以下说法正确的选项是〔 〕 A. 卫星绕地球做匀速圆周运动的线速度大小为 B. 卫星绕地球做匀速圆周运动的角速度为C. 地球的质量为 D. 卫星的质量为 2 2Mmv2 经验总结———“天上〞：万有引力提供向心力 一条龙：Fma=G2＝m=mr2=mrrrT“地上〞：万有引力近似等于重力 黄金代换：GM＝gR 〔4〕双星：两者质量分别为m1、m2，两者相距L 特点：距离不变，向心力相等，角速度相等，周期相等。 R1v1m2双星轨道半径之比： 双星的线速度之比： R2v2m1例6经长期观测，人们在宇宙中已经发现了“双星系统〞，“双星系统〞由两颗相距较近的恒星组成，每个恒星的线度远小于两个星体之间的距离，而且双星系统一般远离其他天体.如下图，两颗星球组成的双星，在相互之间的万有引力作用下，绕连线上的O点做周期相同的匀速圆周运动.现测得两颗星之间的距离为L，质量之比为m1∶m2=3∶2.那么可知 A．m1、m2做圆周运动的角速度之比为3∶2 B．m1、m2做圆周运动的线速度之比为2∶3 22L 52D．m1做圆周运动的半径为L 5 三、宇宙航行 C．m2做圆周运动的半径为1、人造卫星的运行规律 Mmv2422G2mmrm2rrrTM地m卫GM地v2(1) 由 Gm得:v卫 r2rrM地m卫GM地2mr得:卫23r例7. 地球半径为R，质量为M，自转角速度为r，地球外表重力加速度为g，万有引力常量为G，地球同步卫 (2) 由 G星与地心间的距离为r，那么以下说法中正确的选项是 M地m卫42r3(3) 由 Gr2m卫T2r得:T2GM地A．地面赤道上物体随地球自转运动的线速度为R B．地球近地卫星做匀速圆周运动的线速度为R C．地球近地卫星做匀速圆周运动的线速度为D．地球同步卫星的运行速度为gr 2、宇宙速度 第一宇宙速度：V1=7.9km/s 第二宇宙速度：V2=11.2km/s 第三宇宙速度：V3=16.7km/s 注：〔1〕宇宙速度均指发射速度 〔2〕第一宇宙速度为在地面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度 3、地球同步卫星〔通讯卫星〕 〔1〕运动周期与地球自转周期相同，且T=24h； 〔2〕运转角速度等于地球自转的角速度，周期等于地球自转的周期； 〔3〕同步卫星高度不变，运行速率不变〔因为T不变〕； 〔4〕同步卫星的轨道平面必须与赤道平面平行，在赤道正上方。 2GMmv222对同步卫星：运动规律： mmrm()r2GM R rrTGMGMr3Mv ，3 ， T=2 ，aG2.rrGMr例8由于同步卫星的运动周期确定〔为T=24h〕，故而 其 r、 v、ω、T 、a 等均为定值。 如下图，福州位于北纬26°05′，P是位于福州的物体。一颗地球卫星Q的轨道半径小于地球同步卫星的轨道半径，以下说法正确的选项是〔 〕 A. 地球同步卫星可能经过福州上空 B. P的周期比Q的周期小 C. P的线速度比Q的线速度小 D. P的向心加速度比Q的向心加速度小 课后稳固 1．对于万有引力定律的表达式，以下说法中正确的选项是〔 〕 A. 公式中G为引力常量，它是由实验测得的，没有单位 B. 当r趋近于零时，万有引力趋近于无穷大 C. m1与m2受到的引力总是大小相等的，且与m1、m2是否相等无关 D. m1与m2受到的引力总是大小相等、方向相反，是一对平衡力 2．下面的哪组数据,可以算出地球的质量M〔引力常量G为〕的是( ) A. 月球绕地球运动的周期T 及地球的半径R B. 地球绕太阳运行周期T 及地球到太阳中心的距离r C. 人造卫星在地面附近的运行速度v和运行周期T D. 地球绕太阳运行速度v 及地球到太阳中心的距离r 3．地球半径为R，地球外表的重力加速度为g，假设高空中某处的重力加速度为，那么该处距地面球外表的高度为〔 〕 A. B. R C. R D. 2R 4．以下关于地球同步通信卫星的说法中，正确的选项是〔 〕 A. 为防止通信卫星在轨道上相撞，应使它们运行在不同的轨道上 B. 通信卫星定点在地球上空某处，各个通信卫星的角速度相同，但线速度大小可以不同 C. 不同国家发射通信卫星的地点不同，这些卫星轨道不一定在同一平面内 本文来源：https://www.dywdw.cn/159c633cde36a32d7375a417866fb84ae45cc310.html
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2022-05-26
