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人造衛(wèi)星繞地心做勻速率圓周運動的相關(guān)物理量分析

2024-06-23 21:27:42信息公告38

1.已知一顆繞地球中心做勻速圓周運動的衛(wèi)星,其軌道半徑為r,地球的質(zhì)量為M,則各物理量與軌道半徑的關(guān)系為:R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

① 通過R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

衛(wèi)星的向心加速度為:R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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② 通過R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

衛(wèi)星的線速度為:R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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③ 通過R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

衛(wèi)星的角速度為:R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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④ 通過R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

該衛(wèi)星的軌道周期為:R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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⑤ 通過R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

衛(wèi)星的動能為:R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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衛(wèi)星的向心加速度都小于地面重力加速度R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

即隨著軌道半徑逐漸增大,向心加速度a、線速度v、角速度ω、動能Ek會逐漸減小,周期T會逐漸增大。R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.利用萬有引力定律求出衛(wèi)星的高度:R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

通過觀測衛(wèi)星的周期T、行星表面的重力加速度g和行星的半徑R,可以計算出衛(wèi)星的高度。R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

3. 近地衛(wèi)星和赤道靜止物體R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

① 以勻速繞地球運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星稱為近地衛(wèi)星。其軌道半徑可認(rèn)為等于地球半徑R0,軌道平面通過地心。已知地球表面重力加速度為g0,則R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

取決于R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

必須:R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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將地球半徑R0=6.4×106m、g0=9.8m/s2代入上式,可得v=7.9×103m/s、ω=1.24×10-3rad/s、T=5074s,R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

衛(wèi)星的向心加速度都小于地面重力加速度R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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且衛(wèi)星的軌道半徑r>R0,因此所有繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星的線速度v均小于7.9×103米/秒,角速度ω小于1.24×10-3rad/s,周期T大于5074s。R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

②特別需要指出的是,對于靜止在地球表面的物體,雖然地球作用于該物體的重力也是mg,而且雖然該物體隨地球的自轉(zhuǎn)而自轉(zhuǎn),并繞著地球軸做勻速圓周運動,且運轉(zhuǎn)周期等于地球的自轉(zhuǎn)周期,與近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星類似,但它的軌道平面并不一定通過地心,如圖所示。只有當(dāng)緯度θ=0°,也就是物體在赤道上時,軌道平面才有可能通過地心。地球引力F作用于物體的一個分力是使物體做勻速圓周運動所需的向心力f=mω2r,另一個分力就是物體的重力mg,也就是引力F不等于物體的重力mg。 只有當(dāng)r=0時,即物體位于兩極時,因為f=mω2r=0,所以F才等于mg。R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

衛(wèi)星的向心加速度都小于地面重力加速度R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

③隨地球自轉(zhuǎn)在赤道做圓圈運動的物體與近地衛(wèi)星的區(qū)別:R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

A. 赤道處物體受到的引力只有一小部分是向心力,其余都是重力,使物體緊緊地貼在地面上。而近地衛(wèi)星受到的引力全部是向心力,衛(wèi)星已經(jīng)離開地球了。R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

B.赤道處(地球上)的物體相對于地球保持靜止?fàn)顟B(tài),而近地衛(wèi)星相對于地球則處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

4. 衛(wèi)星超重與失重R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

“超重”是指衛(wèi)星進(jìn)入軌道時的加速上升過程和回收時的減速下降過程,與“電梯”中物體的超重是一樣的。“失重”是指衛(wèi)星進(jìn)入軌道并正常運行時,衛(wèi)星上物體的完全“失重”(因為重力提供了向心力)。此時衛(wèi)星上一切制造原理與重力有關(guān)的儀器都無法正常使用,如水銀氣壓表、天平、密度計、電子秤、擺鐘等。R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

5.衛(wèi)星軌道變化問題R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

衛(wèi)星由低軌道向高軌道運動時,需要加速,加速后做離心運動,勢能增大,動能減小,在高軌道做圓周運動時,速度比在低軌道時要低。R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

衛(wèi)星的向心加速度都小于地面重力加速度R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

當(dāng)人造衛(wèi)星以第一宇宙速度發(fā)射時,它將繞地球表面做勻速圓周運動;如果它的發(fā)射速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之間,它將繞地球做橢圓運動。有時,為了使衛(wèi)星繞地球做圓周運動,需要在衛(wèi)星發(fā)射后的橢圓運動過程中再次點火,以達(dá)到預(yù)定的圓形軌道。設(shè)第一宇宙速度為v,則第一宇宙速度的推導(dǎo)過程為R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

如果衛(wèi)星發(fā)射時的速度v1>v,在地球表面,衛(wèi)星就會受到地球引力的影響。R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

它應(yīng)該小于衛(wèi)星以v1繞地球做圓周運動所需的向心力mR8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

,所以從此時起,衛(wèi)星將做離心運動。隨著衛(wèi)星離地心越來越遠(yuǎn),其速度也不斷減小。在其橢圓軌道遠(yuǎn)地點(離地心的距離為R′)時,速度為v2(v2<v1)。此時,由于GR8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

>米R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

從此時起,衛(wèi)星向心運動,同時速度增加,從而在橢圓軌道上繞地球做周期性運動。如果衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點加電衛(wèi)星的向心加速度都小于地面重力加速度,使其速度突然增加到v3,GR8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

=米R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

,則衛(wèi)星就能以速度v3、半徑R'繞地球做勻速圓周運動。同樣,在回收衛(wèi)星時,如果選擇合適的時機(jī),突然降低圓周運動衛(wèi)星的速度,衛(wèi)星就會沿橢圓軌道向心運動,而橢圓與預(yù)定的回收位置相切或相交,衛(wèi)星就能被成功回收。R8z物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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