2019高考物理知識點總結19 萬有引力及應用

2021-10-21 22:26:49 字數 2661 閱讀 4587

2 第二宇宙速度(脫離速度):v2=11.2km/s,使衛星掙脫地球引力束縛的最小發射速度。

3 第三宇宙速度(逃逸速度):v3=16.7km/s,使衛星掙脫太陽引力束縛的最小發射速度。

三、第一宇宙速度的計算.

方法一:地球對衛星的萬有引力就是衛星做圓周運動的向心力.

g=m,v=。當h↑,v↓,所以在地球表面附近衛星的速度是它執行的最大速度。其大小為r>>h(地面附近)時,=7.9×103m/s

方法二:在地面附近物體的重力近似地等於地球對物體的萬有引力,重力就是衛星做圓周運動的向心力.

.當r>>h時.gh≈g 所以v1==7.9×103m/s

第一宇宙速度是在地面附近h<<r,衛星繞地球做勻速圓周運動的最大速度.

四、兩種最常見的衛星

⑴近地衛星。

近地衛星的軌道半徑r可以近似地認為等於地球半徑r,由式②可得其線速度大小為v1=7.9×103m/s;由式③可得其週期為t=5.06×103s=84min。

由②、③式可知,它們分別是繞地球做勻速圓周運動的人造衛星的最大線速度和最小週期。

神舟號飛船的執行軌道離地面的高度為340km,線速度約7.6km/s,週期約90min。

⑵同步衛星。

「同步」的含義就是和地球保持相對靜止,所以其週期等於地球自轉週期,即t=24h。由式g=m= m(r+h)可得,同步衛星離地面高度為 h=-r=3·58×107 m即其軌道半徑是唯一確定的離地面的高度h=3.6×104km,而且該軌道必須在地球赤道的正上方,運轉方向必須跟地球自轉方向一致即由西向東。

如果僅與地球自轉週期相同而不定點於赤道上空,該衛星就不能與地面保持相對靜止。因為衛星軌道所在平面必然和地球繞日公轉軌道平面重合,同步衛星的線速度 v==3.07×103m/s

通訊衛星可以實現全球的電視轉播,從圖可知,如果能發射三顆相對地面靜止的衛星(即同步衛星)並相網際網路,即可覆蓋全球的每個角落。由於通訊衛星都必須位於赤道上空3.6×107m處,各衛星之間又不能相距太近,所以,通訊衛星的總數是有限的。

設想在赤道所在平面內,以地球中心為圓心隔50放置一顆通訊衛星,全球通訊衛星的總數應為72個。

五.了解不同高度的衛星飛行速度及週期的資料

衛星飛行速度及週期僅由距地高度決定與質量無關。

設衛星距地面高度為h,地球半徑為r,地球質量為m,衛星飛行速度為v,則由萬有引力充當向心力可得v=。知道了衛星距離地面的高度,就可確定衛星飛行時的速度大小。

不同高度處人造地球衛星的環繞速度及週期見下表:

六、衛星的超重和失重

(1)衛星進入軌道前加速過程,衛星上物體超重.(2)衛星進入軌道後正常運轉時,衛星上物體完全失重.

七、人造天體在運動過程中的能量關係

當人造天體具有較大的動能時,它將上公升到較高的軌道運動,而在較高軌道上運動的人造天體卻具有較小的動能。反之,如果人造天體在運動中動能減小,它的軌道半徑將減小,在這一過程中,因引力對其做正功,故導致其動能將增大。

同樣質量的衛星在不同高度軌道上的機械能不同。其中衛星的動能為,由於重力加速度g隨高度增大而減小,所以重力勢能不能再用ek=mgh計算,而要用到公式(以無窮遠處引力勢能為零,m為地球質量,m為衛星質量,r為衛星軌道半徑。由於從無窮遠向地球移動過程中萬有引力做正功,所以系統勢能減小,為負。

)因此機械能為。同樣質量的衛星,軌道半徑越大,即離地面越高,衛星具有的機械能越大,發射越困難。

八、相關材料

i.人造衛星做圓軌道和橢圓軌道執行的討論

當火箭與衛星分離時,設衛星的速度為v(此即為發射速度),衛星距離地心為r,並設此時速度與萬有引力垂直(通過地面控制可以實現)如圖所示,則,若衛星以v繞地球做圓周運動,則所需要的向心力為:f向=

1 當f萬=f向時,衛星將做圓周運動.若此時剛好是離地面最近的軌道,則可求出此時的發射速度

v=7.9 km/s.

②當f萬<f向時,衛星將做離心運動,做橢圓運動,遠離地球時引力做負功,衛星動能轉化為引力勢能.(神州五號即屬於此種情況)

③當f萬>f向時,衛星在引力作用下,向地心做橢圓運動,若此時發生在最近軌道,則v<7.9 km/s,衛星將墜人大氣層燒毀。

因此:星箭分離時的速度是決定衛星執行軌道的主要條件.

2.人造衛星如何變軌

衛星從橢圓軌道變到圓軌道或從圓軌道變到橢圓軌道是衛星技術的乙個重要方面,衛星定軌和返回都要用到這個技術.

以衛星從橢圓遠點變到圓軌道為例加以分析:如圖所示,在軌道a點,萬有引力fa>,要使衛星改做圓周運動,必須滿足fa=和fa⊥v,在遠點已滿足了fa⊥v的條件,所以只需增大速度,讓速度增大到=fa,這個任務由衛星自帶的推進器完成.

這說明人造衛星要從橢圓軌道變到大圓軌道,只要在橢圓軌道的遠點由推進器加速,當速度達到沿圓軌道所需的速度,人造衛星就不再沿橢圓軌道運動而轉到大圓軌道.「神州五號」就是通過這種技術變軌的,地球同步衛星也是通過這種技術定點於同步軌道上的.

1、處理人造天體問題的基本思路

由於執行中的人造天體,萬有引力全部提供人造地球衛星繞地球做圓周運動的向心力,因此所有的人造地球衛星的軌道圓心都在地心.解關於人造衛星問題的基本思路:①視為勻速圓周運動處理;②萬有引力充當向心力;③根據已知條件選擇向心加速度的表示式便於計算;④利用代換式gr2=gm推導化簡運算過程。

注意:①人造衛星的軌道半徑與它的高度不同.②離地面不同高度,重力加速度不同,

說明:可以看出,繞地球做勻速圓周運動的人造衛星的軌道半徑r、線速度大小v和週期t是一一對應的,其中乙個量確定後,另外兩個量也就唯一確定了。離地面越高的人造衛星,線速度越小而週期越大。

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