本文節選自《試題調研》隨身速記系列“公式定律及核心考點突破”,敬請品讀(版權所有,轉載請注明出處)。
人造地球衛星的相關問題比較
1.衛星繞地球運動的向心加速度和物體隨地球自轉的向心加速度比較
項目
衛星的向心加速度
物體隨地球自轉的向心加速度
產生
萬有引力
萬有引力的一個分力(另一分力為重力)
方向
指向地心
垂直指向地軸
大小
a=g′=GM/r2 (地面附近a近似為g)
a=ω地球2·r,其中r為地面上某點到地軸的距離
變化
隨物體到地心距離r的增大而減小
從赤道到兩極逐漸減小
2.兩種速度——環繞速度與發射速度的比較
(1)不同高度處的人造衛星在圓軌道上運動速度即環繞速度v環繞=(GM/r)1/2,其大小隨半徑的增大而減?。?,由于在人造地球衛星發射過程中火箭要克服地球引力做功,增大勢能,所以將衛星發射到離地球越遠的軌道,在地面上所需的發射速度就越大,此時v發射>v環繞
(2)人造地球衛星的最小發射速度對應將衛星發射到近地表面運行,該速度為衛星繞地球運行的最大速度.
3.兩個半徑——天體半徑R和衛星軌道半徑r的比較
衛星的軌道半徑是衛星繞天體做圓周運動的圓半徑,所以r=R+h.當衛星貼近天體表面運動時,h→0,可近似認為軌道半徑等于天體半徑.
4.兩種周期——自轉周期和公轉周期的比較
自轉周期是天體繞自身某軸線運動一周的時間,公轉周期是衛星繞中心天體做圓周運動運行一周的時間.一般兩者不等,如:地球自轉周期為24小時,公轉周期為365天.但也有相等的,如月球,自轉、公轉周期都約為27天.
5.兩類運行——穩定運行和變軌運行的比較
(1)衛星繞天體穩定運行時萬有引力提供衛星做圓周運動的向心力.由GMm/r2=mv2/r,得v=(GM/r)1/2.由此可知,軌道半徑r越大,衛星的速度越小.
(2)當衛星由于某種原因速度v突然改變時,F引和mv2/r不再相等,當F引>mv2/r時,衛星做向心運動;當F引<mv2/r時,衛星做離心運動.
6.地面上的物體、近地衛星與同步衛星
(1)軌道半徑:近地衛星與赤道上的物體的軌道半徑相同,同步衛星的軌道半徑較大,即
r同>r近=r物.
(2)運行周期:同步衛星與赤道上的物體的運行周期相同.由T=2π(r3/GM)1/2可知,近地衛星的周期要小于同步衛星的周期,即T近<T同=T物.
(3)向心加速度:由GMm/r2=ma知,同步衛星的加速度小于近地衛星的加速度.由a=rω2=r(2π/T)2知,同步衛星的加速度大于赤道上的物體的加速度,即a近>a同>a物.
【典例】 (天津高考)一人造地球衛星繞地球做勻速圓周運動,假如該衛星變軌后仍做勻速圓周運動,動能減小為原來的1/4,不考慮衛星質量的變化,則變軌前后衛星的
A.向心加速度大小之比為4∶1
B.角速度大小之比為2∶1
C.周期之比為1∶8
D.軌道半徑之比為1∶2
【解析】由萬有引力提供向心力,GMm/r2=mv2/r,可得v=(GM/r)1/2.根據動能減小為原來的1/4可知,速度減小為原來的1/2,軌道半徑增加到原來的4倍,向心加速度a= GM/r2減小到原來的1/16,向心加速度大小之比為16∶1,軌道半徑之比為1∶4,選項A、D錯誤.由角速度公式ω=v/r,可知角速度減小為原來的1/8,角速度大小之比為8∶1,根據周期與角速度成反比可知,周期之比為1∶8,選項B錯誤,C正確.答案:C.
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