《2010届高三物理知识点复习—万有引力定律天体运动.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2010届高三物理知识点复习—万有引力定律天体运动.doc（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、万有引力定律天体运动一、万有引力定律（1）开普勒三定律所有行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。对每个行星而言太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相同的面积所有行星轨道的半长轴R的三次方与公转周期T的二次方的比值都相同，即，常用开普勒三定律来分析行星在近日点和远日点运动速率的大小。（2）万有引力定律：自然界的一切物体都相互吸引，两个物体间的引力的大小，跟它们的质量乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比。公式：，G=6.6710-11N.m2/kg2.适用条件：适用于相距很远，可以看做质点的两物体间的相互作用，质量分布均匀的球体也可用此公式计算，其中r指球心间的距离。（3）三
2、种宇宙速度：第一宇宙速度V1=7.9Km/s,人造卫星的最小发射速度；第二宇宙速度V2=11.2km/s,使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度；（3）第三宇宙速度V3=16.7km/s,使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。注意：V1=7.9Km/s是最小的发射速度，但是是最大的运行速度。当V1=7.9Km/s时，卫星近表面运行，V运=7.9Km/s。当7.9Km/sv射11.2km/s时，卫星在离地较远处运行，v运7.9km/s二、万有引力定律的应用：1、开普勒三定律应用所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等，这就是开普勒第三定律，也叫周期定律.我们把行星的椭圆轨道近
3、似地当作圆，若用r代表轨道半径，T代表公转周期，则开普勒第三定律的表达式为r3/T2=k.因用周期T表示，则把代入基本方程即得：显然这个量k只与恒星的质量M有关，而与行星其他任何物理量均无关。2、各物理量与轨道半径的关系若已知人造卫星绕地心做匀速率圆周运动的轨道半径为 r，地球的质量为M。由得卫星运行的向心加速度为由得卫星运行的线速度为：由得卫星运行的角速度为： 由得卫星运行的周期为：由得卫星运行的动能：即随着运行的轨道半径的逐渐增大，向心加速度an、线速度v、角速度、动能Ek将逐渐减小，周期T将逐渐增大.3、会讨论重力加速度g随离地面高度h的变化情况。4、会用万有引力定律求天体的质量。通过观
4、天体卫星运动的周期T和轨道半径r或天体表面的重力加速度g和天体的半径R，就可以求出天体的质量M。以地球的质量的计算为例（1）若已知月球绕地球做匀速圆周运动的周期T和半径r，根据：得：（2）若已知月球绕地球做匀速圆周运动的线速度v和半径r根据：得：（3）若已知月球绕地球做匀速圆周运动的线速度v和周期T根据：和得：（4）若已知地球的半径R和地球表面的重力加速度g得：此式通常被称为黄金代换式。5、会用万有引力定律计算天体的平均密度。通过观测天体表面运动卫星的周期T，就可以求出天体的密度。6、会用万有引力定律求卫星的高度。通过观测卫星的周期T和行星表面的重力加速度g及行星的半径R可以求出卫星的高度。7
5、、会用万有引力定律推导恒量关系式。8、会求解卫星运动与光学问题的综合题9、二个特殊卫星（1）通讯卫星（同步卫星）通讯卫星是用来通讯的卫星，相当于在太空中的微波中继站，通过它转发和反射无线电信号，可以实现全地球的电视转播.这种卫星位于赤道的上空，相对于地面静止不动，犹如悬在空中一样，也叫同步卫星.要使卫星相对于地面静止，卫星运动的周期与地球自转的周期必须相等（即为24小时）；卫星绕地球的运动方向与地球自转方向必须相同，即卫星的轨道平面与地轴垂直；又因为卫星所需的向心力来自地球对它的引力，方向指向地心，因此同步卫星的轨道平面必须通过地心，即与赤道平面重合。.因已知T，将代入基本方程得：若已知地球的
6、半径R地=6.4106m，地球的质量M=6.01024kg，用h表示卫星离地的高度，则R地+h= r =4.2107m，即h3.6107m.所有的同步卫星均在赤道的上空离地为3.6107m的高处的同一轨道上以相同的速率运行，当然同步卫星间绝不会相撞.（2） 近地卫星把在地球表面附近环绕地球做匀速率圆周运动的卫星称之为近地卫星，它运行的轨道半径可以认为等于地球的半径R0，其轨道平面通过地心.若已知地球表面的重力加速度为g0，则由得：由得：由得：若将地球半径R0=6.4106m和g0=9.8m/s2代入上式，可得v=7.9103m/s，=1.2410-3 rad/s，T=5074s，由于，和且卫星
7、运行的轨道半径 rR0，所以所有绕地球做匀速率圆周运动的卫星线速度v7.9103m/s，角速度1.2410-3rad/s，而周期 T 5074s。特别需要指出的是，静止在地球表面上的物体，尽管地球对物体的重量也为mg，尽管物体随地球自转也一起转，绕地轴做匀速率圆周运动，且运行周期等于地球自转周期，与近地卫星、同步卫星有相似之处，但它的轨道平面不一定通过地心，如图2所示.只有当纬度=0，即物体在赤道上时，轨道平面才能过地心.地球对物体的引力F的一个分力是使物体做匀速率圆周运动所需的向心力f=m2r，另一个分力才是物体的重量mg，即引力F不等于物体的重量mg，只有当r=0时，即物体在两极处，由于f
8、=m2r=0，F才等于mg.。图65510、人造卫星失重问题11、卫星的变轨运动问题卫星由低轨道运动到高轨道，要加速，加速后作离心运动，势能增大，动能减少，到高轨道作圆周运动时速度小于低轨道上的速度。图656当以第一宇宙速度发射人造卫星，它将围绕地球表面做匀速圆周运动；若它发射的速度介于第一宇宙速度与第二宇宙速度之间，则它将围绕地球做椭圆运动有时为了让卫星绕地球做圆周运动，要在卫星发射后做椭圆运动的过程中二次点火，以达到预定的圆轨道设第一宇宙速度为v，则由第一宇宙速度的推导过程有Gm在地球表面若卫星发射的速度v1v，则此时卫星受地球的万有引力应小于卫星以v1绕地表做圆周运动所需的向心力m，故从
9、此时开始卫星将做离心运动，在卫星离地心越来越远的同时，其速率也要不断减小，在其椭圆轨道的远地点处（离地心距离为R)，速率为v2(v2v1)，此时由于Gm，卫星从此时起做向心运动，同时速率增大，从而绕地球沿椭圆轨道做周期性的运动如果在卫星经过远地点处开动发动机使其速率突然增加到v3，使Gm，则卫星就可以以速率v3，以R为半径绕地球做匀速圆周运动同样的道理，在卫星回收时，选择恰当的时机使做圆周运动的卫星速率突然减小，卫星将会沿椭圆轨道做向心运动，让该椭圆与预定回收地点相切或相交，就能成功地回收卫星通过以上讨论可知：卫星在某一圆轨道上做匀速圆周运动时，其速率为一确定值，若卫星突然加速（或减速），则卫
10、星会做离心（或向心）运动而离开原来的轨道，有人提过这样的问题：飞船看见前方不远处有一和它在同一轨道上同向做圆周运动的卫星，此时若仅使它速度增大，能否追上卫星？若飞船加速，则它会离开原来的圆轨道，所以不能追上它只有在较低的轨道上加速或在较高的轨道上减速，才有可能遇上卫星四、万有引力问题全解图6521人造地球卫星的轨道是任意的吗？在地球上空绕地球运行的人造地球卫星所受的力是地球对它的万有引力，卫星即可绕地球做圆周运动，也可绕地球做椭圆运动在中学阶段我们主要研究绕地球做匀速圆周运动的卫星卫星绕地球做匀速圆周运动时靠地球对它的万有引力充当向心力，地球对卫星的万有引力指向地心而做匀速圆周运动物体的向心力
11、时刻指向它做圆周运动的圆心因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道，当然也应存在着与赤道平面成某一角度的圆轨道，只要圆心在地心，就可能是卫星绕地球运行的圆轨道如图6522人造卫星的运行周期可以小于80 min吗？（1）从卫星的周期讨论设人造地球卫星的质量为m，运转周期为T，轨道半径为r，地球的质量为M，万有引力常量为G，根据卫星绕地球转动的向心力就是地球对它的引力，有mG，可得T由周期公式可以看出：卫星轨道半径r越小，周期也越小，当卫星沿地球表面附近运动时，即rR地6.4106 m，周期最短，此时T5.11
12、03 s85 min显然，T大于80 min，所以想发射一周期小于80 min的卫星是不可能的（2）从卫星运动的轨道半径讨论假设卫星的周期为80 min，则轨道半径r3r32.31020 m3得出r6.2106 mR地显然不能发射一颗这样的卫星（3）从地球提供的向心力讨论地球对卫星所能提供的向心力为：FGT80 min时卫星所需的向心力为：F当rR地6.4106 m时FN9.8 mN，FN10.96mN当rR地时，地球对卫星所能提供的向心力最大，9.8mN，又由上分析可知，因此，要发射一颗周期为80 min的卫星是不可能的（4）从卫星的环绕速度讨论设卫星绕地球运转的环绕速度为v，则有G得出：v
13、由公式可知：r越小环绕速度越大，当rR地6.4106 m时，卫星环绕地球的速度最大vmax7.9103 m/s若地球卫星的周期为80 min，则其绕地球的线速度为v8.4103 m/s由此可见，vvmax，显然不可能发射一颗周期为80 min的地球卫星3卫星的发射速度和运行速度是一回事吗？卫星的发射速度是指在地面（发射站）提供给它的速度上面所说的第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度都指的是发射速度当卫星在预定轨道上绕地球做匀速圆周运动时的速度称为运行速度，只有以第一宇宙速度发射的人造卫星绕地球表面运行时，运行速度与发射速度相等，而对于在离地较高的轨道上运行的卫星，其运行时的速度与地面发射速
14、度并不相等，因而到达预定轨道后其运行速度要比地面发射速度小实际上按照万有引力充当向心力，则由Gm，得v可知：卫星绕地球的运行速率仅由其轨道半径来决定，轨道半径越大即离地越高，其运行速度越小，但我们又知道要想将卫星发射到更高的轨道，在地面发射时需要提供给卫星的速度越大，这与在越高轨道上运行速度越小并不矛盾，因为其中一个指运行速度，一个指发射速度由于卫星绕地球可能的圆轨道中半径最小值为地球半径R，因此由v得到的近地卫星的环绕速度也就是第一宇宙速度，是所有绕地球做匀速圆周运动的卫星的最大运行速度因此，关于第一宇宙速度有三种不同说法：第一宇宙速度是发射人造地球卫星的最小发射速度，是环绕地球表面的近地卫
15、星的环绕速度，是地球卫星的最大运行速度4赤道上随地球做圆周运动的物体与绕地球表面做圆周运动的卫星有什么区别？在有的问题中，涉及到地球表面赤道上的物体和地球卫星的比较，地球赤道上的物体随地球自转做圆周运动的圆心与近地卫星的圆心都在地心，而且二者做匀速圆周运动的半径均可看作地球的半径R，因此，有些同学就把二者混为一谈，实际上二者有着非常显著的区别对它们做圆周运动的向心力的分析前面已经有过讨论，地球上的物体随地球自转做匀速圆周运动所需的向心力由万有引力提供，但由于地球自转角速度不大，万有引力并没有全部充当向心力，向心力只占万有引力的一小部分，万有引力的另一个分力是我们通常所说的物体所受的重力对于赤道上的物体，万有引力、重力、向心力在一直线上时，重力大小等于万有引力和物体随地球自转做匀速圆周运动所需的向心力之差，它的向心力远小于地球对它的万有引力，而围绕地球表面做匀速圆周运动的卫星，由于离开了地球，它做圆周运动时万有引力全部充当向心力对它做圆周运动的运动学特征的分析赤道上的物体随地球自转做匀速圆周运动时，由
