万有引力定律复习策略之我见

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  一、解决天体圆周运动问题的两条思路
  1、在天体表面附近万有引力近似等于物体的重力,F引=mg,即G=mg,整理得GM=gR2。不考虑天体自转,对任何天体表面都可以认为F引=mg从而得出GM=gR2(通常称为黄金代换),其中M为该天体的质量,R为该天体的半径,g为相应天体表面的重力加速度。
  2、天体运动都可近似地看成匀速圆周运动,其向心力由万有引力提供,即F引=F向。一般有以下几种表述形式:
  G=m ;G=mω2r;G=mr。
  例1:“嫦娥二号”探月卫星于2010年10月1日成功发射,目前正在月球上方100km的圆形轨道上运行。已知“嫦娥二号”卫星的运行周期、月球半径、月球表面重力加速度、万有引力恒量G。根据以上信息可求出( )。
  A、卫星所在处的加速度B、月球的平均密度
  C、卫星线速度大小D、卫星所需向心力
  解析:设“嫦娥二号”卫星的运行周期为T、月球半径为R、月球表面重力加速度为g、卫星的轨道半径为R+H,月球质量为M,则:
  GM=gR2,G=ma,G=m a=,v= ,M=,由ρ= 可求出月球的平均密度,因卫星质量未知,不可求出卫星所需向心力。
  答案:ABC
  二、卫星的各物理量随轨道半径的变化而变化的规律
  1、向心力和向心加速度:向心力是由万有引力充当的,即F向=G=ma,随着轨道半径的增加,卫星的向心力和向心加速度都减小。
  2、线速度v:由G=m v= ,随着轨道半径的增加,卫星的线速度减小。
  3、角速度ω:由Gmω2rω= ,随着轨道半径的增加,卫星的角速度减小。
  4、周期T:由G=mrT=2π ,随着轨道半径的增加,卫星的周期增大。
  特别提示:上述讨论都是卫星做匀速圆周运动的情况,而非变轨时的情况。
  三、地球同步卫星特点
  1、地球同步卫星只能在赤道上空。
  2、地球同步卫星与地球自转具有相同的角速度和周期。
  3、地球同步卫星相对地面静止。
  4、同步卫星的高度是一定的。
  例2:如图1所示,1为同步卫星,2为近地卫星,3为赤道上的一个物体,它们都在同一平面内绕地心做圆周运动。关于它们的圆周运动的线速度、角速度和向心加速度,下列说法正确的是( )。
  A、v2=v3>v1 B、ω1=ω3<ω2
  C、α1=α2<α3 D、α2>α1>α3
  解析:不少同学错选A。错因是由万有引力提供向心力,得出v= ,由r2=r3v1。
  正确解答:因1、2都是卫星,故地球的万有引力提供向心力,又因v1>v2,故v1α3,D正确;由v=ωr知v1>v3,因此有v2>v1>v3。
  答案:BD。
  点评:卫星运动时只受万有引力,而地面上的物体除受万有引力外还受地面支持力。故虽然它们都绕地心做匀速圆周运动,但v、ω、a等与半径r的关系却大不相同,不能将卫星运动的规律直接用于赤道上的物体。
  四、卫星的变轨问题
  卫星绕地球稳定运行时,万有引力提供了卫星做圆周运动的向心力,由v= 可知,轨道半径r越大,卫星的线速度v越小。当卫星由于某种原因速度v突然改变时,受到的万有引力G和需要的向心力m 不再相等,卫星将偏离原轨道运动。当G>m 时,卫星做近心运动,其轨道半径r变小,由于万有引力做正功,因而速度越来越大;反之,当G  例3:2010年10月26日21时27分,北京航天飞行控制中心对“嫦娥二号”卫星实施了降轨控制,卫星成功由轨道半径为a、周期为Tl的极月圆轨道进入远月点距离为a、周期为T2的椭圆轨道,为在月球虹湾区拍摄图像做好准备,轨道如图2所示。则“嫦娥二号”( )。
  A、在圆轨道运行周期T1小于它在椭圆轨道运行周期T2。B、经过圆轨道上B点时的速率大于它经过椭圆轨道上A点时的速率。C、在圆轨道上经过B点和在椭圆轨道上经过A点时的加速度大小相等。D、在圆轨道上经过B点和在椭圆轨道上经过A点时的机械能相等
  解析:由开普勒第三定律 =k,知T1>T2;由v=知圆轨上B点时的速率和椭圆轨道上A点时的速率相等,在A点卫星速率变小,由G>m 知卫星才能由圆轨道进入椭圆轨道,故经过圆轨道上B点时的速率大于它經过椭圆轨道上A点时的速率,B正确;由G==ma知在圆轨道上各点和在椭圆轨道上经过A点时的加速度大小相等,C正确;在圆轨道上经过B点和在椭圆轨道上经过A点时的重力势能相等,而圆轨道上经过B点时动能大于在椭圆轨道上经过A点时的动能,因此机械能不等。答案:BC。
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