高一物理-万有引力定律的应用、宇宙速度和人造卫星.ppt

,万有引力定律的应用,宇宙速度和人造卫星,第四单元,曲线运动,万有引力定律,第五节,一、天体质量和密度的计算,天体质量的基本思路：,可将天体的运行轨道视为圆形轨道，是以万有引力作向心力，维持它作匀速圆周运动。,应用的基本公式为：,其中的,r,为,m,绕,M,运行的轨道半径，,T,为运行周期,第五节,万有引力定律的应用,宇宙速度和人造卫星,一、,天体质量和密度的计算,天体质量：,天体密度：,若,m,绕,M,表面运行,则有,R=r，,此时,若己知运行周期和运行轨道半径（两天体间距），便可求出环绕中心天体的质量。若再知该天体的半径，则可求其密度。,一、,天体质量和密度的计算,例1：,己知：地球绕太阳运行周期为365天=3.16,x10,7,s，,地球与太阳间距为1.50,10,11,m。,求：太阳质量,M,为多少？,M=2.010,30,kg,一、,天体质量和密度的计算,例2：,中子星是恒星演化过程的一种可能结果。它的密度很大。现有一中子星，观测到它的自转周期为1/30,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。,（引力常数,G6.6710,-11,Nm,2,/kg,2,）（2003,年全国高考题）,一、,天体质量和密度的计算,例2：,根据分析可知，万有引力做向心力：,解析：,可得：,由密度公式可知：,解得结果：,二、发现未知,天体,1846年9月23日德国的加勒发现第八颗行星海王星。,1930年3月14日发现太阳系第九颗行星幂王星,三、人造卫星和宇宙速度,1、人造卫星的原理及轨道平面特点：,（1）人造卫星原理：如图所示,三、人造卫星和宇宙速度,1、人造卫星的原理及轨道平面特点：,（2）,轨道特点：圆轨道、圆心均在地心,三、人造卫星和宇宙速度,2、人造卫星运行速率、周期的计算：,人造卫星,运动看成匀速圆周运动时，万有引力提供向心力：,运行速率,：,h,越大，,v,越小。,运行周期,：,h,越大，,T,越长。,三、人造卫星和宇宙速度,2、人造卫星运行速率、周期的计算：,当高度,h=0,时：,最大运行速率,：,最小运行周期,：,三、人造卫星和宇宙速度,3、地球同步卫星,（1）地球同步卫星,轨道平面为赤道平面，周期与地球自转周期相同，相对地面静止，轨道半径确定，轨道确定，运行速率确定。,如图所示，地球同步卫星只能定点于赤道上空某一固定圆轨道上，假设卫星是在除赤道平面以外的任一条轨道上运转，卫星受到地球引力,F,引,，它可以分解为两个力,F,向,和,F,1,，,在,F,1,的作用下，卫星会向赤道平面漂移，从而无法定点。,同步卫星,三、人造卫星和宇宙速度,3、地球同步卫星,若卫星轨道在赤道平面内，则卫星做圆周运动所需的向心力,F,向,的方向和受到的地球引力,F,引,的方向，以及引力的另一个分力的方向都在轨道平面内，不会使卫星发生漂移。所以地球同步卫星只能定点于赤道上空某一固定圆轨道上。,同步卫星,三、人造卫星和宇宙速度,3、地球同步卫星,由,：,得：,因为,T,恒定，所以,r,恒定，代入数据可得：,同步卫星轨道半径,r=3.210,4,km,其它卫星的轨道平面虽不一定在地球赤道平面内，但轨道圆心必过地球的球心，其原因与上述相同。,三、人造卫星和宇宙速度,3、地球同步卫星,（2）同步卫星的应用,用于通讯、移动电话、电视信号的传播。,GPS,定位、导航。,利用太阳能发电，以微波形式传回地面。,三、人造卫星和宇宙速度,4、宇宙速度,第一宇宙速度（又称环绕速度）：,绕地球表面附近做匀速圆周运动的卫星的速率，是地球卫星的最小发射速度，也是地球卫星做匀速圆周运动的最大速度。,三、人造卫星和宇宙速度,4、宇宙速度,第一宇宙速度（又称环绕速度）：,设地球半径为,R,由,：,得,：,第一宇宙速度（环绕速度）,v,1,=7.9 km/s,第二宇宙速度（脱离速度）,v,2,=11.2 km/s,第三宇宙速度（逃逸速度）,v,3,=16.7 km/s,注意：宇宙速度均指发射卫星的速度。,三、人造卫星和宇宙速度,例3：,一颗人造卫星以初速度,V,发射后，恰可沿地球表面做匀速圆周运动，若使发射速度变为2,V，,则卫星可能：,A.,绕地球做匀速圆周运动，周期变大,B.,绕地球做椭圆运动，周期变大,C.,脱离地球的束缚，成为太阳的人造行星,D.,争脱太阳的引力束缚，飞到太阳系以外的宇宙中,三、人造卫星和宇宙速度,例3：,解析：,本题可用选择法解得。,由题意可知，,V,为第一宇宙速度，即：7.9,km/s,，,所以当卫星的发射速度为2,V,时,即发射速度为15.8,km/s,时卫星已脱离地球的束缚，成为太阳的人造行星。,所以答案,C,正确。,人造地球卫星环绕速率：,V,绕7.9,km/s,人造地球卫星发射速度：,7.9,km/sV 11.2km/s,三、人造卫星和宇宙速度,例4：,如图所示，,a、b、c,、,是地球大气层外圆轨道上运转的三颗人造卫星，,a、b,质量相同而小于,c,的质量，下列判断正确的是：,A,b、c,的线速度大小相等且小于,a,的线速度,B,b、c,、,的周期相等且大于,a,的周期,C,b、c,、,的向心加速度相等且大于,a,的向心加速度,D,b,受的引力最小,三、人造卫星和宇宙速度,例4：,解析：,卫星运行速率,：,与质量无关。,因此,b、c,的线速度大小相等且小于,a,的线速度，所以,A,正确；,卫星运行周期,：,因此,b、c,的周期相等且大于,a,的周期，所以,B,正确；,由向心加速度：,知，,a,的向心加速度最大，所以,C,错；,由万有引力公式可知,b,受的引力最小，所以,D,正确,三、人造卫星和宇宙速度,如图所示，,a、b、c,、,是地球大气层外圆轨道上运转的三颗人造卫星，,a、b,质量相同而小于,c,的质量，下列判断正确的是：,A,b、c,的线速度大小相等且小于,a,的线速度,B,b、c,、,的周期相等且大于,a,的周期,C,b、c,、,的向心加速度相等且大于,a,的向心加速度,D,b,受的引力最小,所以答案,A、B、D,正确。,关于人造卫星,应记住的数据和关系式：,人造卫星的最大环绕速率为 7.9,km/s,最小周期为 85分钟,向心加速度：,运行速率：,运行周期：,运行角速度：,