万有引力与航天专题复习.doc

专题： 万有引力与航天1内容： 2公式：F ，其中G N·m2/kg2，叫引力常量3适用条件：宇宙速度数值(km/s)意 义第一宇宙速度卫星绕地球做圆周运动的最小发射速度（最大环绕速度）若7.9 km/sv<11.2 km/s，物体绕 运行(环绕速度) 第二宇宙速度物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度若11.2 km/sv<16.7 km/s，物体绕 运行(脱离速度) 第三宇宙速度物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度若v16.7 km/s，物体将脱离 在宇宙空间运行(逃逸速度)1轨道平面一定：轨道平面与 共面2周期一定：与 周期相同，即T24 h.3角速度一定：与 的角速度相同4高度一定：由Gm(Rh)得同步卫星离地面的高度h R. ×107m5速率一定：v 6. 向心加速度大小一定万有引力定律应用的基本方法：(1)把天体的运动看成匀速圆周运动，所需向心力由万有引力提供“万能”连等式：Gman=mm2rm()2rm(2f)2r（2）不考虑中心天体的自转。黄金代换式：（表面）， （h高处）考向一：天体的质量M、密度的估算（1）测出卫星绕中心天体做匀速圆周运动的半径r和周期T，由Gm()2r，可得天体质量为：M.该中心天体密度为：（R为中心天体的半径）当卫星沿中心天体表面运行时，rR，则.（2）利用天体表面的重力加速度g和天体半径R.由于Gmg，故天体质量M，天体密度.【例4】天文学家新发现了太阳系外的一颗行星这颗行星的体积是地球的倍，质量是地球的25倍已知某一近地卫星绕地球运动的周期约为小时，引力常量G×1011 N·m2/kg2，由此估算该行星的平均密度约为（ ）A×103 kg/m3B×103 kg/m3 C×104 kg/m3 D×104 kg/m3考向二：卫星的运行和变轨问题1人造卫星的动力学特征万有引力提供向心力即Gmmr2m()2r 2人造卫星的运动学特征（1）向心加速度：由得，随着轨道半径的增加，卫星的向心加速度减小。（2）由线速度v：由Gm得v ，随着轨道半径的增加，卫星的线速度减小。（3）角速度：由Gm2r得 ，随着轨道半径的增加，卫星的角速度减小。 （4）周期T：由Gmr得T2，随着轨道半径的增加，卫星的周期增大。【例5】如图所示，a、b是两颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星，它们距地面的高度分别是R和2R(R为地球半径)下列说法中正确的是（ ）Aa、b的线速度大小之比是 1Ba、b的周期之比是12 Ca、b的角速度大小之比是3 4Da、b的向心加速度大小之比是943卫星的环绕速度和发射速度不同高度处的人造地球卫星在圆轨道上运行速度，其大小随半径的增大而减小但是，由于在人造地球卫星发射过程中火箭要克服地球引力做功，因此将卫星发射到离地球越远的轨道，在地面上所需的发射速度就越大，即v发射v环绕，所以近地人造地球卫星的速度是最大环绕速度，也是人造卫星的最小发射速度4人造地球卫星的超重和失重(1)人造地球卫星在发射升空时，有一段加速运动；在返回地面时，有一段减速运动这两个过程加速度方向均向上，因而都是超重状态(2)人造地球卫星在沿圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力，因此处于完全失重状态在这种情况下凡是与重力有关的力学现象都不会发生因此，在卫星上的仪器，凡是制造原理与重力有关的均不能使用同理，与重力有关的实验也将无法进行（如：天平、水银气压计等）5.卫星的变轨卫星做匀速圆周运动时满足：Gma = mmr2mr()2当卫星由于某种原因速度突然改变时(开启或关闭发动机或空气阻力作用)，万有引力就不再等于向心力，卫星将做变轨运行(1)当v增大时，所需向心力m增大，即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大，但卫星一旦进入新的轨道运行，由v 知其运行速度要减小，但重力势能、机械能均增加(2)当卫星的速度突然减小时，向心力减小，即万有引力大于卫星所需的向心力，因此卫星将做向心运动，同样会脱离原来的圆轨道，轨道半径变小，进入新轨道运行时由v 知运行速度将增大，但重力势能、机械能均减少(卫星的发射和回收就是利用了这一原理)【例6】如图442所示，a、b、c是在地球大气层外圆形轨道上运行的3颗人造卫星，下列说法正确的是()Ab、c的线速度大小相等，且大于a的线速度Bb、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度Cc加速可追上同一轨道上的b，b减速可等到同一轨道上的cDa卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将变大【例7】某人造地球卫星因受高空稀薄空气的阻力作用，绕地球运转的轨道会慢慢改变，某次测量卫星的轨道半径为r1，后来变为r2(r2<r1)，用Ek1、Ek2表示卫星在这两个轨道上的动能，T1、T2表示卫星在这两个轨道上的运行周期，则() AEk2<Ek1，T2<T1 BEk2<Ek1，T2>T1CEk2>Ek1，T2<T1 DEk2>Ek1，T2>T1【例8】人造卫星首次进入的是距地面高度近地点为200km，远地点为340km的椭圆轨道，在飞行第五圈的时候，飞船从椭圆轨道运行到以远地点为半径的圆形轨道上，如图所示，试处理以下几个问题（地球半径R=6370km，g=9.8m/s2）轨道地球轨道QP（1）飞船在椭圆轨道1上运行，Q为近地点，P为远地点，当飞船运动到P点时点火，使飞船沿圆轨道2运行，以下说法正确的是（ ）A飞船在Q点的万有引力大于该点所需的向心力B飞船在P点的万有引力大于该点所需的向心力C飞船在轨道上P点的速度小于轨道上P的速度D、飞船在轨道上P点的加速度小于轨道上P的加速度（2）假设由于飞船的特殊需要，中国的一艘原本在圆轨道运行的飞船前往与之对接，则飞船一定是（ ）A从较低轨道上加速 B. 从较高轨道上加速C. 从同一轨道上加速 D. 从任意轨道上加速考向三：“双星模型”问题m1m2r1r2O在天体模型中，将两颗彼此距离较近的恒星称为双星，它们在相互之间的万有引力作用下，绕两球连线上某点做周期相同的匀速圆周运动如图（1）双星夹圆心，且始终在同一直线上，靠彼此间的万有引力提供向心力（2）具有相同的周期T和角速度（3）轨道半径和质量成反比（4）双星总质量 （其中L为双星间距，T为周期）【例9】如图446，质量分别为m和M的两个星球A和B在引力作用下都绕O点做匀速圆周运动，星球A和B两者中心之间的距离为L.已知A、B的中心和O三点始终共线，A和B分别在O的两侧引力常量为G.(1)求两星球做圆周运动的周期；(2)在地月系统中，若忽略其他星球的影响，可以将月球和地球看成上述星球A和B，月球绕其轨道中心运行的周期记为T1.但在近似处理问题时，常常认为月球是绕地心做圆周运动的，这样算得的运行周期记为T2.已知地球和月球的质量分别为×1024 kg和×1022 kg.求T2与T1两者平方之比(结果保留3位小数)考向四：环绕同一中心天体的星际相距最远和最近问题 1、从相距最近（两星在中心天体的同侧且三星共线）到再次相距最近所需最短时间： 据则， 而 则2、从相距最近（两星在中心天体的同侧且三星共线）到相距最远（两星在中心天体的两侧且三星共线）所需最短时间：据则， 而 则【例10】两颗卫星在同一轨道平面绕地球做匀速圆周运动，地球半径为R，a卫星离地面的高度等于R，b卫星离地面高度为3R，则：(1)a、b两卫星周期之比TaTb是多少(2)若某时刻两卫星正好通过地面同一点的正上方，则a至少经过多少个周期两卫星相距最远考向五：天体的不瓦解问题在赤道处的物体最容易脱离天体:（当FN=0将瓦解）而.故不瓦解的条件是【例10】中子星是恒星演化过程中的一种可能结果，它的密度很大现有一中子星，观测到它的自转周期为T s问该中子星的最小密度应是多少才能维持该星体的稳定，不致因自转而瓦解(计算时星体可视为均匀球体，万有引力常量G×1011m3/kg·s2)考向六：赤道上、近地卫星上、同步卫星上的同物比较角速度周期线速度向心加速度向心力赤道上近地卫星上同步卫星上同物比较【例11】如图，地球赤道上的山丘e，近地资源卫星p和同步通信卫星q均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动设e、p、q的圆周运动速率分别为v1、v2、v3，向心加速度分别为a1、a2、a3，则() Av1>v2>v3 Bv1<v2<v3 Ca1>a2>a3 Da1<a3<a2考向七：万有引力与抛体运动的综合（万有引力与牛顿运动定律的综合）关键是：重力加速度g（1）由黄金代换得g （2）由抛体运动或牛顿运动定律得g我国在2010年实现探月计划“嫦娥工程”同学们也对月球有了更多的关注(1)若已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，月球绕地球运动的周期为T，月球绕地球的运动近似看成匀速圆周运动，试求出月球绕地球运动的轨道半径(2)若宇航员随登月飞船登陆月球后，在月球表面某处以速度v0竖直向上抛出一个小球，经过时间t，小球落回抛出点已知月球半径为r，万有引力常量为G，试求出月球的质量M月