file 18天體運(yùn)動(dòng)

1、家教資料 file 18衛(wèi)星問(wèn)題一、難點(diǎn)形成原因：衛(wèi)星問(wèn)題是高中物理內(nèi)容中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)基本規(guī)律、能量守恒定律、萬(wàn)有引力定律甚至還有電磁學(xué)規(guī)律的綜合應(yīng)用。其之所以成為高中物理教學(xué)難點(diǎn)之一，不外乎有以下幾個(gè)方面的原因。1、不能正確建立衛(wèi)星的物理模型而導(dǎo)致認(rèn)知負(fù)遷移由于高中學(xué)生認(rèn)知心理的局限性以及由牛頓運(yùn)動(dòng)定律研究地面物體運(yùn)動(dòng)到由天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究衛(wèi)星問(wèn)題的跨度，使其對(duì)衛(wèi)星、飛船、空間站、航天飛機(jī)等天體物體繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)以及對(duì)地球表面物體隨地球自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)、受力情形的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)分辯不清，無(wú)法建立衛(wèi)星或天體的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物理學(xué)模型（包括過(guò)程模型和狀態(tài)模型），解題時(shí)自然不自然界的受制于舊有的運(yùn)

2、動(dòng)學(xué)思路方法，導(dǎo)致認(rèn)知的負(fù)遷移，出現(xiàn)分析與判斷的失誤。2、不能正確區(qū)分衛(wèi)星種類導(dǎo)致理解混淆 人造衛(wèi)星按運(yùn)行軌道可分為低軌道衛(wèi)星、中高軌道衛(wèi)星、地球同步軌道衛(wèi)星、地球靜止衛(wèi)星、太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星、大橢圓軌道衛(wèi)星和極軌道衛(wèi)星；按科學(xué)用途可分為氣象衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、科學(xué)衛(wèi)星、應(yīng)用衛(wèi)星和技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。由于不同稱謂的衛(wèi)星對(duì)應(yīng)不同的規(guī)律與狀態(tài)，而學(xué)生對(duì)這些分類名稱與所學(xué)教材中的衛(wèi)星知識(shí)又不能吻合對(duì)應(yīng)，因而導(dǎo)致理解與應(yīng)用上的錯(cuò)誤。3、不能正確理解物理意義導(dǎo)致概念錯(cuò)誤衛(wèi)星問(wèn)題中有諸多的名詞與概念，如，衛(wèi)星、雙星、行星、恒星、黑洞；月球、地球、土星、火星、太陽(yáng)；衛(wèi)星的軌道半徑、衛(wèi)星的自身半徑；衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周

3、期、衛(wèi)星的自轉(zhuǎn)周期；衛(wèi)星的向心加速度、衛(wèi)星所在軌道的重力加速度、地球表面上的重力加速度；衛(wèi)星的追趕、對(duì)接、變軌、噴氣、同步、發(fā)射、環(huán)繞等問(wèn)題。因?yàn)椴磺宄l(wèi)星問(wèn)題涉及到的諸多概念的含義，時(shí)常導(dǎo)致讀題、審題、求解過(guò)程中概念錯(cuò)亂的錯(cuò)誤。4、不能正確分析受力導(dǎo)致規(guī)律應(yīng)用錯(cuò)亂由于高一時(shí)期所學(xué)物體受力分析的知識(shí)欠缺不全和疏于深化理解，牛頓運(yùn)動(dòng)定律、圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律、曲線運(yùn)動(dòng)知識(shí)的不熟悉甚至于淡忘，以至于不能將這些知識(shí)遷移并應(yīng)用于衛(wèi)星運(yùn)行原理的分析，無(wú)法建立正確的分析思路，導(dǎo)致公式、規(guī)律的胡亂套用，其解題錯(cuò)誤也就在所難免。5、不能全面把握衛(wèi)星問(wèn)題的知識(shí)體系，以致于無(wú)法正確區(qū)分類近知識(shí)點(diǎn)的不同。如，開普勒行星運(yùn)動(dòng)

4、規(guī)律與萬(wàn)有引力定律的不同；赤道物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度與同步衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行的向心加速度的不同；月球繞地球運(yùn)動(dòng)的向心加速度與月球軌道上的重力加速度的不同；衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的向心加速度與切向加速度的不同；衛(wèi)星的運(yùn)行速度與發(fā)射速度的不同；由萬(wàn)有引力、重力、向心力構(gòu)成的三個(gè)等量關(guān)系式的不同；天體的自身半徑與衛(wèi)星的軌道半徑的不同；兩個(gè)天體之間的距離與某一天體的運(yùn)行軌道半徑的不同。只有明確的把握這些類近而相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)的異同時(shí)才能正確的分析求解衛(wèi)星問(wèn)題。二、難點(diǎn)突破策略：（一）明確衛(wèi)星的概念與適用的規(guī)律： 1、衛(wèi)星的概念：由人類制作并發(fā)射到太空中、能環(huán)繞地球在空間軌道上運(yùn)行（至少一圈）、用于科研應(yīng)用的無(wú)人

5、或載人航天器，簡(jiǎn)稱人造衛(wèi)星。高中物理的學(xué)習(xí)過(guò)程中要將其抽象為一個(gè)能環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的物體。2、適用的規(guī)律：牛頓運(yùn)動(dòng)定律、萬(wàn)有引力定律、開普勒天體運(yùn)動(dòng)定律、能量守恒定律以及圓周運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、電磁感應(yīng)規(guī)律。均適應(yīng)于衛(wèi)星問(wèn)題。但必須注意到“天上”運(yùn)行的衛(wèi)星與“地上”運(yùn)動(dòng)物體的受力情況的根本區(qū)別。（二）認(rèn)清衛(wèi)星的分類：高中物理的學(xué)習(xí)過(guò)程中，無(wú)須知道各種衛(wèi)星及其軌道形狀的具體分類，只要認(rèn)清地球同步衛(wèi)星（與地球相對(duì)靜止）與一般衛(wèi)星（繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)）的特點(diǎn)與區(qū)別即可。（1）、地球同步衛(wèi)星：、同步衛(wèi)星的概念：所謂地球同步衛(wèi)星，是指相對(duì)于地球靜止、處在特定高度的軌道上、具有特定速度且與地球具有相同周期、相

6、同角速度的衛(wèi)星的一種。、同步衛(wèi)星的特性：不快不慢-具有特定的運(yùn)行線速度（V=3100m/s）、特定的角速度（=7.26x10-5 ra d/s ）和特定的周期（T=24小時(shí)）。不高不低-具有特定的位置高度和軌道半徑，高度H=3.58 x107m, 軌道半徑r=4.22 x107m.圖4-1不偏不倚-同步衛(wèi)星的運(yùn)行軌道平面必須處于地球赤道平面上，軌道中心與地心重合，只能靜止在赤道上方的特定的點(diǎn)上。證明如下：如圖4-1所示，假設(shè)衛(wèi)星在軌道A上跟著地球的自轉(zhuǎn)同步地勻速圓周運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的向心力來(lái)自地球?qū)λ囊σ?，引中除用?lái)作向心力的1外，還有另一分力2，由于2的作用將使衛(wèi)星運(yùn)行軌道靠向赤道，只有赤

7、道上空，同步衛(wèi)星才可能在穩(wěn)定的軌道上運(yùn)行。由 得h=R-R地 是一個(gè)定值。(h是同步衛(wèi)星距離地面的高度)因此，同步衛(wèi)星一定具有特定的位置高度和軌道半徑。、同步衛(wèi)星的科學(xué)應(yīng)用：同步衛(wèi)星一般應(yīng)用于通訊與氣象預(yù)報(bào)，高中物理中出現(xiàn)的通訊衛(wèi)星與氣象衛(wèi)星一般是指同步衛(wèi)星。（2）、一般衛(wèi)星：、定義：一般衛(wèi)星指的是，能圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道半徑、軌道平面、運(yùn)行速度、運(yùn)行周期各不相同的一些衛(wèi)星。、衛(wèi)星繞行速度與半徑的關(guān)系：由 得：即 (r越大v越小)、衛(wèi)星繞行角速度與半徑的關(guān)系：由得：即；（r越大越?。?、衛(wèi)星繞行周期與半徑的關(guān)系：由得：即（r越大越大），（3）雙星問(wèn)題兩顆靠得很近的、質(zhì)量可以相比的、相互繞著

8、兩者連線上某點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)的星體，叫做雙星雙星中兩顆子星相互繞著旋轉(zhuǎn)可看作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其向心力由兩恒星間的萬(wàn)有引力提供由于引力的作用是相互的，所以兩子星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力大小是相等的，因兩子星繞著連線上的一點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，所以它們的運(yùn)動(dòng)周期是相等的，角速度也是相等的，線速度與兩子星的軌道半徑成正比（三）運(yùn)用力學(xué)規(guī)律研究衛(wèi)星問(wèn)題的思維基礎(chǔ)： 光年，是長(zhǎng)度單位，1光年= 9.461012千米認(rèn)為星球質(zhì)量分布均勻，密度，球體體積，表面積地球公轉(zhuǎn)周期是一年（約365天，折合 8760 小時(shí)），自轉(zhuǎn)周期是一天（約24小時(shí)）。月球繞地球運(yùn)行周期是一個(gè)月（約28天，折合672小時(shí)；實(shí)際是27.3天）圍繞地球

9、運(yùn)行飛船內(nèi)的物體，受重力，但處于完全失重狀態(tài)。B同步軌道地球A圖4-2發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，火箭要克服地球引力做功。由于地球周圍存在稀薄的大氣，衛(wèi)星在運(yùn)行過(guò)程中要受到空氣阻力，動(dòng)能要變小，速率要變小，軌道要降低，即半徑變小。視天體的運(yùn)動(dòng)近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其所需向心力都是來(lái)自萬(wàn)有引力，即應(yīng)用時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選用適當(dāng)?shù)墓竭M(jìn)行分析。天體質(zhì)量、密度的估算：測(cè)出衛(wèi)星圍繞天體作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r和周期，由得：，（當(dāng)衛(wèi)星繞天體表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，=3/GT2）發(fā)射同步通訊衛(wèi)星一般都要采用變軌道發(fā)射的方法：點(diǎn)火，衛(wèi)星進(jìn)入停泊軌道（圓形軌道，高度200300km），當(dāng)衛(wèi)星穿過(guò)赤道平面時(shí)，點(diǎn)火，衛(wèi)星進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道（橢圓軌道），

10、當(dāng)衛(wèi)星達(dá)到遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)火，進(jìn)入靜止軌道（同步軌道）。如圖4-2所示。明確三個(gè)宇宙速度：第一宇宙速度（環(huán)繞速度）：v=7.9千米秒；（地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度）第二宇宙速度（脫離速度）：v=11.2千米秒；（衛(wèi)星掙脫地球束縛的最小發(fā)射速度）第三宇宙速度（逃逸速度）：v=16.7千米秒。（衛(wèi)星掙脫太陽(yáng)束縛的最小發(fā)射速度）人造衛(wèi)星在圓軌道上的運(yùn)行速度是隨著高度的增大而減小的，但是發(fā)射高度大的衛(wèi)星克服地球的引力做功多，所以將衛(wèi)星發(fā)射到離地球遠(yuǎn)的軌道，在地面上的發(fā)射速度就越大。三、運(yùn)用力學(xué)規(guī)律研究衛(wèi)星問(wèn)題的基本要點(diǎn)1、必須區(qū)別開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律與萬(wàn)有引力定律的不同開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律 開普勒第一定律：所有行

11、星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道均是橢圓，太陽(yáng)處在這些橢圓軌道的一個(gè)公共焦點(diǎn)上。開普勒第二定律（面積定律）：太陽(yáng)和運(yùn)動(dòng)著的行星之間的聯(lián)線，在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積總相等。 開普勒第三定律（周期定律）：各個(gè)行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期的平方和它們的橢圓軌道的半長(zhǎng)軸的立方成正比。若用r表示橢圓軌道的半長(zhǎng)軸，用T表示行星的公轉(zhuǎn)周期，則有k=r3/T2是一個(gè)與行星無(wú)關(guān)的常量。開普勒總結(jié)了第谷對(duì)天體精確觀測(cè)的記錄，經(jīng)過(guò)辛勤地整理和計(jì)算，歸納出行星繞太陽(yáng)運(yùn)行的三條基本規(guī)律。開普勒定律只涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)、幾何學(xué)方面的內(nèi)容。開普勒定律為萬(wàn)有引力定律的提出奠定了理論基礎(chǔ)，此三定律也是星球之間萬(wàn)有引力作用的必然結(jié)果。（）萬(wàn)有引力定律萬(wàn)有引力

12、定律的內(nèi)容是：宇宙間一切物體都是相互吸引的，兩個(gè)物體間的引力大小，跟它們的質(zhì)量的乘積成正比，跟它們間的距離的平方成反比。萬(wàn)有引力定律的公式是：F=， （=6.6711牛頓米2千克2，叫作萬(wàn)有引力恒量）。萬(wàn)有引力定律的適用條件是：嚴(yán)格來(lái)說(shuō)公式只適用于質(zhì)點(diǎn)間的相互作用，當(dāng)兩個(gè)物體間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物體本身大小時(shí)公式也近似適用，但此時(shí)它們間距離r應(yīng)為兩物體質(zhì)心間距離。（3）開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律與萬(wàn)有引力定律的關(guān)系：萬(wàn)有引力定律是牛頓根據(jù)行星繞太陽(yáng)（或恒星）運(yùn)動(dòng)的宇宙現(xiàn)象推知行星所需要的向心力必然是由太陽(yáng)對(duì)行星的萬(wàn)有引力提供，進(jìn)而運(yùn)用開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律. 開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律是萬(wàn)有引力

13、定律的理論基礎(chǔ)。開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律從軌道形狀、運(yùn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)周期、軌道半徑等方面描述、揭示了行星繞太陽(yáng)（或恒星）運(yùn)動(dòng)的宇宙現(xiàn)象，表明了天體運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和規(guī)律。萬(wàn)有引力定律是從行星轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的向心力來(lái)源與本質(zhì)上揭示了行星與太陽(yáng)（或恒星）以及宇宙萬(wàn)物間的引力關(guān)系，描述的是行星運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征與規(guī)律。例1：世界上第一顆人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行軌道的長(zhǎng)軸比第二顆人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球軌道的長(zhǎng)軸短8000km, 第一顆人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的周期是96.2min,求第一顆人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球軌道的長(zhǎng)軸和第二顆人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的周期（已知地球質(zhì)量.X1024kg）.【審題】本題中第一顆人造地球衛(wèi)

14、星環(huán)繞地球軌道的長(zhǎng)軸與第二顆人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的周期均是待求量，僅由開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律難以求解。因此可以假想有一顆近地衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行，由萬(wàn)有引力提供向心力的關(guān)系求出引衛(wèi)星的R3/T2，又由開普勒第三定律知，所有繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星的r3/T2值均相等，只要把假想衛(wèi)星的R3/T2題中的二衛(wèi)星的r3/T2值相比較即可求得結(jié)論?！窘馕觥考傧胗幸活w近地衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行，由于萬(wàn)有引力提供向心力，則GMm/R2=m42 R /T2 解之得 K= R3/T2=GM/42，再設(shè)第一顆人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球軌道的長(zhǎng)軸為a, 第二顆人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的周期為T，由開普勒第三定律得 K =（a/2）3/T1

15、2 =（a/2+4000）3/T22由以上二式得，a=1.47107m. T2=96.3 min.圖4-3【總結(jié)】由于此題中有兩個(gè)待求物理量，單純地運(yùn)用萬(wàn)有引定律或開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律難以求解，故而聯(lián)立兩個(gè)定律合并求解。同時(shí)，再假想有一顆近地衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行，由萬(wàn)有引力提供向心力的關(guān)系求出衛(wèi)星的R3/T2，由開普勒第三定律得知所有繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星的r3/T2值均相等，找出等量關(guān)系即可求解。這種虛擬衛(wèi)星的思路十分重要，也是此題求解的切入口。例2：如圖4-3所示，在均勻球體中，緊貼球的邊緣挖去一個(gè)半徑為R/2的球形空穴后，對(duì)位于球心和空穴中心邊線上、與球心相距d的質(zhì)點(diǎn)m的引力是多大？【解析】 把整個(gè)

16、球體對(duì)質(zhì)點(diǎn)的引力看成是挖去的小球體和剩余部分對(duì)質(zhì)點(diǎn)的引力之和，即可求解完整的均質(zhì)球體對(duì)球外質(zhì)點(diǎn)m的引力此引力可以看成是挖去球穴后的剩余部分對(duì)質(zhì)點(diǎn)的引力F1與半徑為R/2的小球?qū)|(zhì)點(diǎn)的引力F2之和，即F=F1+F2。因?yàn)榘霃綖镽/2的小球質(zhì)量M=；則，所以挖去球穴后的剩余部分對(duì)球外質(zhì)點(diǎn)m的引力為: 【總結(jié)】如果先設(shè)法求出挖去球穴后的重心位置，然后把剩余部分的質(zhì)量集中于這個(gè)重心上，應(yīng)用萬(wàn)有引力公式求解這是不正確的萬(wàn)有引力存在于宇宙間任何兩個(gè)物體之間，但計(jì)算萬(wàn)有引力的簡(jiǎn)單公式卻只能適應(yīng)于兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)或均勻的球體。挖去空穴后的剩余部分已不再是均質(zhì)球了，故不能直接使用上述公式計(jì)算引力。2、必須區(qū)別開普勒第

17、三行星定律中的常量K與萬(wàn)有引力定律中常量G的不同（1）開普勒第三定律中的常量K：開普勒第三定律中的常量K= r3/T2，對(duì)于行星與太陽(yáng)的天體系統(tǒng)而言，常量K僅與太陽(yáng)的質(zhì)量有關(guān)而與行星的質(zhì)量無(wú)關(guān)。此規(guī)律對(duì)于其它的由中心天體與環(huán)繞天體組成的天體系統(tǒng)同樣適用。常量K僅由中心天體的質(zhì)量決定而與環(huán)繞天體的質(zhì)量無(wú)關(guān)。中心天體相同的天體系統(tǒng)中的常量K相同，中心天體不同的天體系統(tǒng)的常量K也不同。“K= r3/T2=常量”的偉大意義在于啟發(fā)牛頓總結(jié)、發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。（2）萬(wàn)有引力定律中的常量G： 萬(wàn)有引力定律中的常量G是由萬(wàn)有引力定律F=變形求出的，G=F r2/m1m2，數(shù)值是G=6。6710-11Nm2

18、/Kg2.是卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)出的，適用于宇宙間的所有物體。萬(wàn)有引力定律中的常量G的測(cè)定不僅證明了萬(wàn)有引力的存在，更體現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律在天文研究中的巨大價(jià)值。（3）常量K與常量G的關(guān)系： 常量K與常量G有如下關(guān)系，K= GM/42，或者G=42/GM。K的值由中心天體的質(zhì)量而定，而常量G則是一個(gè)與任何因素?zé)o關(guān)的普適常量。圖4-4例3：行星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道是橢圓，這些橢圓在一般情況下可以近似視為圓周軌道，試用萬(wàn)有引力定律和向心力公式證明對(duì)所有繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的行星，繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道半徑的立方與運(yùn)轉(zhuǎn)周期的平方的比值為常量。論述此常量的決定因素有哪些?此結(jié)論是否也適用于地球與月球的系統(tǒng)？ 【審題】 本題中行

19、星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道近似視為圓周軌道時(shí)，只要運(yùn)用萬(wàn)有引力定律和向心力公式即可證明得出結(jié)論。【解析】 因?yàn)樾行抢@太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)需要的向心力是由太陽(yáng)的萬(wàn)有引力提供，設(shè)太陽(yáng)質(zhì)量為M，行星的質(zhì)量為m，行星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的半徑為r，運(yùn)行周期為T，則，GMm/r2=m42r/T2,故，r3/T2=GM/42，即，K= GM/42。顯然，由于太陽(yáng)質(zhì)量一定，K的數(shù)值僅由太陽(yáng)質(zhì)量M決定，與其它因素?zé)o關(guān)。這一結(jié)論適用于地球與月球系統(tǒng)，也適用于其它中心天體與環(huán)繞天體組成的天體系統(tǒng)?！究偨Y(jié)】開普勒第三定律中的常量K與萬(wàn)有引力定律中的常量G的這種關(guān)系（K= GM/42，或者G=42/GM）可以用來(lái)方便的求解衛(wèi)星類的問(wèn)題，作為一

20、種解題的切入口應(yīng)在解題過(guò)程中予以重視。3、必須區(qū)別地面物體的萬(wàn)有引力與重力以及向心力的不同（1）地球?qū)Φ孛嫖矬w的萬(wàn)有引力：地面上的物體所受地球引力的大小均由萬(wàn)有引力定律的公式F=決定，其方向總是指向地心。（2）地面物體所受的重力： 處在地面上的物體所受的重力是因地球的吸引而產(chǎn)生的，其大小為mg，方向豎直向下（絕不可以說(shuō)為“垂直向下”和“指向地心”）。地面上同一物體在地球上不同緯度處的的重力是不同的。在地球的兩極上最大，在地球赤道上最小，隨著位置從赤道到兩極的移動(dòng)而逐漸增大-這種現(xiàn)象不是超重，應(yīng)該與超重現(xiàn)象嚴(yán)格區(qū)別開來(lái)。以地球赤道上的物體為例，如圖4-4所示，質(zhì)量為m的物體受到的引力為F=GMm

21、/R2 ，因此物體與地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，即以地心為圓心，以地球半徑為半徑做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，角速度即與地球的自轉(zhuǎn)角速度相同，所需要的向心力為 F向=mR2 =mR42/T2.因地球自轉(zhuǎn)周期較大，F(xiàn)向必然很小，通常可忽略，故物體在地球兩極M或N上時(shí)其重力等于受到的萬(wàn)有引力。一般說(shuō)來(lái)，同一物體的重力隨所在緯度的變化而發(fā)生的變化很小，有時(shí)可以近似認(rèn)為重力等于萬(wàn)有引力，即mg=。圖4-5在任何星體表面上的物體所受的重力均是mg=，而物體在距星體表面高度為h處的重力為mg=Gm1m2/(r+h)2（3）地面物體隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力：由于地球的自轉(zhuǎn)，處于地球上的物體均隨地球的自轉(zhuǎn)而繞地軸做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所需向心力

22、由萬(wàn)有引力提供，大小是F向=m2r=mr42/T2(是地球自轉(zhuǎn)角速度，r是物體與地軸間的距離，T是地球的自轉(zhuǎn)周期)，其方向是垂直并指向地軸。對(duì)于同一物體，這一向心力在赤道時(shí)最大，F(xiàn)大=m2R（R是地球半徑）；在兩極時(shí)最小，F(xiàn)小=0。因地球自轉(zhuǎn)，地球赤道上的物體也會(huì)隨著一起繞地軸做圓周運(yùn)動(dòng)，這時(shí)物體受地球?qū)ξ矬w的萬(wàn)有引力和地面的支持力作用，物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力是由這兩個(gè)力的合力提供，受力分析如圖4-5所示實(shí)際上，物體受到的萬(wàn)有引力產(chǎn)生了兩個(gè)效果，一個(gè)效果是維持物體做圓周運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)效果是對(duì)地面產(chǎn)生了壓力的作用，所以可以將萬(wàn)有引力分解為兩個(gè)分力：一個(gè)分力就是物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，另一個(gè)分力就是

23、重力，如圖4-5所示這個(gè)重力與地面對(duì)物體的支持力是一對(duì)平衡力在赤道上時(shí)這些力在一條直線上當(dāng)在赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，由萬(wàn)有引力定律和牛頓第二定 律可得其動(dòng)力學(xué)關(guān)系為，式中R、M、T分別為地球的半徑、質(zhì)量、自轉(zhuǎn)角速度以及自轉(zhuǎn)周期。當(dāng)赤道上的物體“飄”起來(lái)時(shí),必須有地面對(duì)物體的支持力等于零，即N=0，這時(shí)物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力完全由地球?qū)ξ矬w的萬(wàn)有引力提供.由此可得赤道上的物體“飄”起來(lái)的條件是：由地球?qū)ξ矬w的萬(wàn)有引力提供向心力。以上的分析對(duì)其它的自轉(zhuǎn)天體也是同樣適用的。（4）萬(wàn)有引力、重力、向心力三者間的關(guān)系：地面物體隨地球自轉(zhuǎn)所需向心力F向=m2r=mr42/T由萬(wàn)有引力F引=GM

24、m/R2提供，F(xiàn)向是F引的一個(gè)分力，引力F引的另一個(gè)分力才是物體的重力mg，引力F引是向心力F向和重力mg的合力，三者符合力的平行四邊形定則，大小關(guān)系是F引mgF向。例4：已知地球半徑R=6.37106m.地球質(zhì)量M=5.981024Kg,萬(wàn)有引力常量G=66710-11 Nm2/Kg2.試求掛在赤道附近處彈簧秤下的質(zhì)量m=1Kg的物體對(duì)彈簧秤的拉力多大？【審題】對(duì)物體受力分析如圖4-6所示，彈簧秤對(duì)物體豎直向上的拉力和地球?qū)ξ矬w豎直向下的萬(wàn)有引力的合力提供了物體隨地球自轉(zhuǎn)而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。圖4-6【解析】在赤道附近處的質(zhì)量m=1Kg的物體所受地球的萬(wàn)有引力為F=GMm/R2=6.67

25、10-115.9810241/ (6.37106)2 N=9.830N此物體在赤道所需向心力為 F向=m2R=mR42/T2=1（）26.37106 N=0.0337 N。此物體在赤道所受到的彈簧秤拉力為F拉=F-F向=（9.830-0.0337）N=9.796N。由牛頓第三定律可知，物體對(duì)彈簧秤的拉力為F拉=9.796N。亦即物體所受到的重力也是9.796N。【總結(jié)】由計(jì)算可知，引力F=9.830N遠(yuǎn)大于向心力F向=0.0337 N，而物體所受重力9.796N與物體所受的萬(wàn)有引力F=9.830N相差很小，因而一般情況下可認(rèn)為重力的大小等于萬(wàn)有引力的大小。但應(yīng)該切記兩點(diǎn)：重力一般不等于萬(wàn)有引力

26、，僅在地球的兩極時(shí)才可有大小相等、方向相同，但重力與萬(wàn)有引力仍是不同的兩個(gè)概念。不能因?yàn)槲矬w隨地球自轉(zhuǎn)所需要的向心力很小而混淆了萬(wàn)有引力、重力、向心力的本質(zhì)區(qū)別。例5：地球赤道上的物體重力加速度為g,物體在赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a,要使赤道上的物體“飄”起來(lái),則地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度應(yīng)為原來(lái)的( ) 倍A. B. C. D. 【審題】依據(jù)牛頓第二定律和萬(wàn)有引力定律，以赤道上的物體“飄”起來(lái)的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)為切入口,即可求出地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度?！窘馕觥吭O(shè)地球原來(lái)自轉(zhuǎn)的角速度為，用F表示地球?qū)Τ嗟郎系奈矬w的萬(wàn)有引力, N表示地面對(duì)物體的支持力，由牛頓第二定律得 由于物體受到的支持力與物體的重力是一對(duì)平

27、衡力,所以有 當(dāng)赤道上的物體“飄”起來(lái)時(shí),只有萬(wàn)有引力提供向心力，設(shè)此時(shí)地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為，有 聯(lián)立、三式可得，所以正確答案為B選項(xiàng)。【總結(jié)】當(dāng)赤道上的物體“飄”起來(lái)時(shí),是一種物體、地球之間接觸與脫離的臨界狀態(tài)，地球?qū)ξ矬w的支持力為零，只有萬(wàn)有引力完全提供向心力，只要正確運(yùn)用牛頓第二定律和萬(wàn)有引力定律列式求解即可。 例6：假設(shè)火星和地球都是球體，火星的質(zhì)量火和地球質(zhì)量地之比火地=p，火星的半徑火和地球半徑地之比火地=q，那么離火星表面火高處的重力加速度和離地球表面地高處的重力加速度之比等于多少？【審題】解題時(shí)要明確以下二點(diǎn)：一、因?yàn)橐阎鹦堑馁|(zhì)量火和地球質(zhì)量地之比火地=p以及火星的半徑火和地球

28、半徑地之比火地=q，故可以運(yùn)用比例法進(jìn)行求解。二、所求的是離火星表面火高處的重力加速度和離地球表面地高處的重力加速度之比，而不是火星表面與地球表面的重力加速度之比?！窘馕觥?物體的重力來(lái)自萬(wàn)有引力，所以離火星表面火高處：m=G火m/(火)2=。離地對(duì)表面地高處：m=G地m/(地)2，=/=P/q2【總結(jié)】 由于引力定律公式中只有乘法與除法，故可以運(yùn)用比例法進(jìn)行求解。對(duì)星球表面上空某處的重力加速度公式，也可以這樣理解：g和星球質(zhì)量成正比和該處到球心距離的平方成反比。4、必須區(qū)別天體系統(tǒng)中中心天體與環(huán)繞天體的不同對(duì)于天體質(zhì)量的測(cè)量，常常是運(yùn)用萬(wàn)有引力定律并通過(guò)觀測(cè)天體的運(yùn)行周期T和軌道半徑r（必須

29、明確天體的運(yùn)行周期T和軌道半徑r是研究衛(wèi)星問(wèn)題中的兩個(gè)關(guān)鍵物理量），把天體或衛(wèi)星的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)近似視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，然后求解。但是必須區(qū)別天體系統(tǒng)中中心天體與環(huán)繞天體的不同。所謂中心天體是指位于圓周軌道中心的天體，一般是質(zhì)量相對(duì)較大的天體；如，恒星、行星等等。所謂環(huán)繞天體是指繞著中心天體做圓周運(yùn)動(dòng)的天體或者衛(wèi)星以及人造衛(wèi)星，一般是質(zhì)量相對(duì)較小的天體或衛(wèi)星。此種方法只能用來(lái)測(cè)定中心天體的質(zhì)量，而無(wú)法用來(lái)測(cè)定環(huán)繞天體的質(zhì)量。這是解題時(shí)必須注意的。（1）根據(jù)天體表面上物體的重力近似等于物體所受的萬(wàn)有引力，由天體表面上的重力加速度和天體的半徑求天體的質(zhì)量，其公式推證過(guò)程是：由mg=G 得 .（式中M、

30、g、R分別表示天體的質(zhì)量、天體表面的重力加速度和天體的半徑）（2）根據(jù)繞中心天體運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星的運(yùn)行周期和軌道半徑，求中心天體的質(zhì)量衛(wèi)星繞中心天體運(yùn)動(dòng)的向心力由中心天體對(duì)衛(wèi)星的萬(wàn)有引力提供，利用牛頓第二定律得若已知衛(wèi)星的軌道半徑r和衛(wèi)星的運(yùn)行周期T、角速度或線速度v，可求得中心天體的質(zhì)量為例7：已知引力常量G和以下各組數(shù)據(jù)，能夠計(jì)算出地球質(zhì)量的是：地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的周期和地球與太陽(yáng)間的距離月球繞地球運(yùn)行的周期和月球與地球間的距離人造地球衛(wèi)星在地面附近處繞行的速度與周期若不考慮地球的自轉(zhuǎn)，已知地球的半徑與地面的重力加速度【審題】此題中的目的是求解地球的質(zhì)量，其關(guān)鍵在于題中所給四個(gè)情景中“地球”是否是一

31、個(gè)中心天體若地球是一個(gè)中心天體，則可在題中所給的四個(gè)情景中找到以地球?yàn)橹行奶祗w、以月球或衛(wèi)星為運(yùn)環(huán)繞天體的系統(tǒng)，再運(yùn)用萬(wàn)有引力定律和勻速圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律聯(lián)合求解。此外，還要注意到每一個(gè)選項(xiàng)中給定的兩個(gè)物理量能否用得上，只有做好這樣的分析判斷之后，解題才能事半功倍。解此題關(guān)鍵是要把式中各字母的含義弄清楚，要區(qū)分天體半徑和天體圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑【解析】 對(duì)A選項(xiàng)。此選項(xiàng)之中“地球繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)”，給定的條件是”地球繞太陽(yáng)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期”和”地球與太陽(yáng)之間的距離”。顯然此處的”中心天體”是太陽(yáng)而非地球，地球是一個(gè)”環(huán)繞天體”， 而已知的是地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的周期和地球的軌道半徑，只能求出太陽(yáng)的質(zhì)量，因此無(wú)法計(jì)算出

32、地球的質(zhì)量。故A選項(xiàng)錯(cuò)誤.對(duì)B選項(xiàng)。在此選項(xiàng)中，月球繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，月球是“環(huán)繞天體”，而地球是“中心天體”，且已知月球繞地球的運(yùn)轉(zhuǎn)周期T和月球與地球之間的距離r，由萬(wàn)有引力定律與勻速圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可得，故有地球質(zhì)量為M= ，顯然，式中的各量均為已知量，即地球質(zhì)量由此式可計(jì)算出來(lái)。故B選項(xiàng)正確。對(duì)C選項(xiàng)。在此項(xiàng)中人造地球衛(wèi)星是“環(huán)繞天體“，而地球則是中心天體，又已知人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行速度v和運(yùn)動(dòng)周期T，由萬(wàn)有引力定律與勻速圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得 和，又因?yàn)榇巳嗽斓厍蛐l(wèi)星是”近地“衛(wèi)星，則hR，可視為h0，必有R+hR，則以上兩式可分別化為- 和-，又由于v=，代入式（當(dāng)然也可以代入式）可得，地球的質(zhì)量為

33、M=。顯然此式中的量均為已知。即可由此式計(jì)算出地球質(zhì)量。故C選項(xiàng)正確。對(duì)D選項(xiàng)?？梢赃\(yùn)用虛擬物體法計(jì)算地球的質(zhì)量。假設(shè)有一個(gè)在地面上靜止的物體，對(duì)其運(yùn)用萬(wàn)有引力定律可得：，則M=。其中的g為地面上的重力加速度，R為地球半徑，均為已知，可以由此計(jì)算出地球質(zhì)量。故D選項(xiàng)正確。【總結(jié)】 對(duì)于天體的質(zhì)量是通過(guò)測(cè)量計(jì)算得到的，而不是通過(guò)稱量獲得。首先要明確，這種方法只能用來(lái)計(jì)算“中心天體”的質(zhì)量，而不能計(jì)算“環(huán)繞天體”的質(zhì)量。其次還必須明確利用題中所給的天文數(shù)據(jù)能否計(jì)算出被測(cè)天體的質(zhì)量。只有滿足這兩方面面的要求，才可以運(yùn)用萬(wàn)有引力定律和勻速圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律計(jì)算求得天體的質(zhì)量。5、必須區(qū)別衛(wèi)星的運(yùn)行速度與發(fā)

34、射速度的不同對(duì)于人造地球衛(wèi)星，由可得v=，這個(gè)速度指的是人造地球衛(wèi)星在軌道上穩(wěn)定運(yùn)行的速度。其大小僅隨軌道半徑r的增大而減小，與衛(wèi)星的質(zhì)量、形狀等因素?zé)o關(guān)。只要衛(wèi)星能運(yùn)行在半徑為r的軌道上，其運(yùn)行的速度就必須是而且也只能是 v=，此式是人造地球衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)行速度的決定公式。人造地球衛(wèi)星在圓軌道上的運(yùn)行速度是隨著高度的增大而減小的，由于人造地球衛(wèi)星的發(fā)射過(guò)程中必須克服地球引力做功，從而增大了衛(wèi)星的引力勢(shì)能，故要將衛(wèi)星發(fā)射到距地球越遠(yuǎn)的軌道，需要克服地球的引力做功就越多，在地面上需要的發(fā)射速度就要越大。其發(fā)射速度的具體數(shù)值由預(yù)定軌道的高度決定，在第一宇宙速度（7.9 km/s）和第二宇宙速度（11.

35、 2 km/s）之間取值。要明確三個(gè)宇宙速度均指發(fā)射速度。而第一宇宙速度（7.9 km/s）既是衛(wèi)星的最小發(fā)射速度又是衛(wèi)星的最大運(yùn)行速度。人造地球衛(wèi)星的三個(gè)發(fā)射速度分別是：第一宇宙速度（環(huán)繞速度）：v=7.9千米秒；（地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度）第二宇宙速度（脫離速度）：v=11.2千米秒；（衛(wèi)星掙脫地球束縛的最小發(fā)射速度）第三宇宙速度（逃逸速度）：v=16.7千米秒。（衛(wèi)星掙脫太陽(yáng)束縛的最小發(fā)射速度）例8：1999年5月10日，我國(guó)成功地發(fā)射了“一箭雙星”，將“風(fēng)云一號(hào)”氣象衛(wèi)星和“實(shí)驗(yàn)五號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星送入離地面高870km的軌道。這顆衛(wèi)星的運(yùn)行速度為（ ）A、7.9km/s B、11.2 k

36、m/sC、7.4 km/s D、3.1 km/s【審題】 題目中敘述的是人造地球衛(wèi)星的“發(fā)射”與“運(yùn)行”，考查的是人造地球衛(wèi)星的“發(fā)射速度”與“運(yùn)行速度”的物理意義。此題給出的四個(gè)速度中有三個(gè)具有特定的物理意義。只要明確這三個(gè)特殊速度的物理意義，此題求解也就十分容易。此題可有兩種不同的解法，一是，根據(jù)題中的三個(gè)特殊速度而作出判斷；二是根據(jù)題中給出的衛(wèi)星高度h870km和其他的常量計(jì)算出此衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行速度，即可選出正確答案?！窘馕觥浚ǚ椒ㄒ唬┡袛噙x定法對(duì)選項(xiàng)A，v7.9km/s的速度是地球的第一宇宙速度，是發(fā)射速度。以此速度發(fā)射的人造地球衛(wèi)星會(huì)以v7.9km/s的速度環(huán)繞地球低軌道運(yùn)行。其軌道

37、半徑近似等于地球半徑，即rR地，不會(huì)處在h=870km的軌道上。故A選項(xiàng)錯(cuò)誤。對(duì)選項(xiàng)B，v=11.2km/s是地球的第二宇宙速度，是發(fā)射速度，以此速度發(fā)射的人造地球衛(wèi)星會(huì)脫離地球的引力范圍，飛到距地球的“無(wú)限遠(yuǎn)處”（在理論上此衛(wèi)星的軌道半徑r=，其繞地球運(yùn)行速度v=0），不會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行在h =870km的軌道上，故B選項(xiàng)錯(cuò)誤。對(duì)選項(xiàng)C，v=7.4km/s7.9km/s（第一宇宙速度），則肯定是衛(wèi)星的運(yùn)行速度。但是否以此速度運(yùn)行的衛(wèi)星就一定處在h=870km的軌道上？還要計(jì)算判定。然而，由于又在“D選項(xiàng)中”有v=3.1km/s是地球同步衛(wèi)星運(yùn)行速度，而同步衛(wèi)星的軌道高度是36000km而不是870

38、km。故運(yùn)用排除法即可得知C選項(xiàng)正確。對(duì)選項(xiàng)D，v=3.1km/s必然是同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度，而同步衛(wèi)星的軌道高度是距地球赤道地面36000km ，而不是870km。故D選項(xiàng)錯(cuò)誤。（方法二）計(jì)算選定法由于地球的萬(wàn)有引力提供了人造地球衛(wèi)星的向心力，故得，則有v=，代入引力常量G=6.6710-11 Nm2/Kg2，地球質(zhì)量M=5.981024Kg，地球半徑R=6400km和衛(wèi)星的軌道高度h870km。可得v=7.4km/s，即此衛(wèi)星的運(yùn)行速度為7.4km/s。故C選項(xiàng)正確?！究偨Y(jié)】 以上兩種方法相比，顯然是前一種“判斷選定法”更為簡(jiǎn)捷方便，但是要熟知題中給的各個(gè)速度的含義，只要排除不合理的答案即可

39、得到正確答案。如果要運(yùn)用計(jì)算選定法，則需要進(jìn)行繁雜的數(shù)值計(jì)算，稍有不慎不僅會(huì)影響解題速度甚至還會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。故而注重選擇題的解答技巧十分重要。6、必須區(qū)別由萬(wàn)有引力、重力、向心力構(gòu)成的三個(gè)等量關(guān)系式的不同針對(duì)天體（行星，衛(wèi)星）和人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行問(wèn)題（包括線速度、周期、高度 ），可以看作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，從而運(yùn)用萬(wàn)有引力定律。這類“天上”的物體作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力僅由萬(wàn)有引力提供。對(duì)于地面物體，其重力由萬(wàn)有引力產(chǎn)生，若忽略隨地球自轉(zhuǎn)的影響，則其重力等于萬(wàn)有引力。由于 “天上”的物體（如行星、衛(wèi)星）與地面上的物體雖然遵守相同的牛頓力學(xué)定律，但也有本質(zhì)的區(qū)別，通常在解決衛(wèi)星問(wèn)題時(shí)要特別注重以下三個(gè)等量

40、關(guān)系：若萬(wàn)有引力提供向心力，則有 GMm/r2 =ma向 若重力提供向心力， 則有 mg= ma向 若萬(wàn)有引力等于重力， 則有 GMm/r2 =mg 以上三式不僅表現(xiàn)形式有異，而且其物理意義更是各有不同，必須注意區(qū)別辨析。同時(shí)因向心加速度a向又具有多種不同的形式，如a向 =v2/r =2r= 42 r/T2 則可以得以下幾組公式：（1）由 GMm/r2 =ma向得GMm/r2ma向a向GM/r2a向r2。GMm/r2 =m v2/rv =v/GMm/r2 =m2r=/GMm/r2=m4T 2 r/T2T=2 T對(duì)于以上各式，“中心天體”（如地球）一定，則其質(zhì)量M是一定的。因此“環(huán)繞天體”（衛(wèi)星

41、）繞其做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度a向、運(yùn)行速度v、運(yùn)行角速度、運(yùn)行周期T僅與距離r有關(guān)。即以上各量?jī)H由距離r即可得出，故以上各式可稱之為 “決定式”。這組決定式適應(yīng)于用 “G、M、r”表示待求物理量的題目。（2）由 mg= ma向可得mg= ma向a向gmg= m v2/rv=vmg= m2r=/mg= m42 r/T2 T=2T以上各式之中，作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體（如衛(wèi)星）的運(yùn)行速度v、角速度 、周期T由距離r和重力加速度g共同決定。其中的“g“也是一個(gè)隨距離r而變化的變量，而不能認(rèn)為是一個(gè)恒量。這組公式是由GMm/r2 =mg的代換關(guān)系得到的，一般適應(yīng)于已知“g、r”而不知“G、M”的題目。

42、（3）由GMm/r2 =mg 得，對(duì)于地面上的物體可由r=Ro (Ro為地球半徑)，g=go（go為地球表面的重力加速度）若忽略地球自轉(zhuǎn)，則有GMm/ R2o =m go。即GM= go R2o此即所謂的“黃金代換”，可用來(lái)作為“G、M”與“go 、Ro”之間的等量代換。-這一關(guān)系在解題中經(jīng)常用到。例9：（200年五市區(qū)聯(lián)考）設(shè)有兩顆人造地球衛(wèi)星的質(zhì)量之比為m1：m2 ：，其運(yùn)行軌道半徑之比為： ：，試求此兩顆衛(wèi)星運(yùn)行的：線速度之比，角速度之比，周期之比，向心加速度之比?！緦忣}】根據(jù)此題要求求解的四個(gè)“比”值，其給定的已知條件中的“m1：m2 ：”是無(wú)用的“干擾項(xiàng)”，只須運(yùn)用已知條件“： ：”

43、即可求解，但是必須注意所用公式。因?yàn)橹皇且阎獌深w衛(wèi)星的軌道半徑的比例關(guān)系，故而求解時(shí)也只能選用上面（1）中的“決定式”，而不能選用（2）中的公式?！窘馕觥咳嗽斓厍蛐l(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí)，所需要的向心力等于地球的萬(wàn)有引力，由引向可得，GMm/r2 =m v2/r，則v =所以，。如果此處運(yùn)用了v=，而認(rèn)為v，則可得到，顯然這是錯(cuò)誤的。因?yàn)閷?duì)于這兩顆衛(wèi)星而言其公式v=中的“g”是不同的。因?yàn)镚Mm/r2 =m2r，有=，故，；如果此處運(yùn)用公式=而認(rèn)為/，則可得，顯然也是錯(cuò)誤的。其原因仍是忘掉了式中“g” 的不同。因?yàn)镚Mm/r2 =m42 r/T2，則，T=2，故有。如果此處運(yùn)用了T=2而認(rèn)為T，則得

44、，顯然也是錯(cuò)誤的。其原因仍是忘掉了式中“g” 的不同。圖GMm/r2ma向，則a向GM/r2故有，。如果此處運(yùn)用了a向g而認(rèn)為a向軌道半徑無(wú)關(guān)，則得，必然錯(cuò)誤，其原因仍是忘掉了式中“g”的不同?！究偨Y(jié)】在求解天體（如，行星、衛(wèi)星等）的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)以及“黃金代換”關(guān)系（GMgo R2o）的存在，會(huì)使得圓周運(yùn)動(dòng)中的同一個(gè)物理量有多種不同形式的表達(dá)式。如，對(duì)于線速度就有v =、v=、r、2r等多種形式。在解題時(shí)除了要明確這些公式的不同意義和不同條件之外，還必須依據(jù)題意有針對(duì)性的選取運(yùn)用，同時(shí)還必須牢記“黃金代換”關(guān)系式GMgo R2o的重要性。7、必須區(qū)別赤道軌道衛(wèi)星、極地軌道衛(wèi)星

45、與一般軌道衛(wèi)星的不同人造地球衛(wèi)星從軌道取向上一般分為三類：赤道軌道、極地軌道和一般軌道。所謂赤道軌道衛(wèi)星，是指這種衛(wèi)星的軌道處在地球赤道的平面之內(nèi)，衛(wèi)星距赤道地面具有特定的高度，其運(yùn)行速度由公式 v =可求得。而在實(shí)際當(dāng)中只有處在36000km高空的赤道軌道上，且只有與地球自轉(zhuǎn)方向相同的衛(wèi)星才能與地球相對(duì)靜止，稱之為“同步衛(wèi)星”，如圖4-7所示。如果其轉(zhuǎn)向與地球自轉(zhuǎn)反向，則就不能稱之為“同步衛(wèi)星”了。另外，發(fā)射地球同步衛(wèi)星時(shí)，為了節(jié)省能量，其發(fā)射地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近赤道，以借助地球的自轉(zhuǎn)線速度。地球同步衛(wèi)星具有“軌道不偏不倚”、“高度不高不低”、 “速度不快不慢”的六不特性。如圖4-7所示 。所謂極

46、地軌道衛(wèi)星,是指衛(wèi)星的軌道平面始終與太陽(yáng)保持相對(duì)固定的取向.其軌道平面與地球赤道平面的夾角接近90度。衛(wèi)星可在極地附近通過(guò),故又稱為近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星。如圖4-7所示.這種衛(wèi)星由于與地球之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),可以觀測(cè),拍攝地球上任一部位的空中,地面的資料。1999年5月10日我國(guó)”一箭雙星”發(fā)射的”風(fēng)云一號(hào)”與”風(fēng)云二號(hào)”氣象衛(wèi)星中的”風(fēng)云一號(hào)”就是這種極地軌道衛(wèi)星。 所謂一般軌道衛(wèi)星是指軌道平面不與某一經(jīng)線平面重合(赤道平面除外)的人造地球衛(wèi)星。 以上三種軌道衛(wèi)星共同特點(diǎn)是軌道中心必須與地心重合,是以地心為圓心的”同心圓”.，沒(méi)有與地球經(jīng)線圈共面的軌道(赤道平面除外)。例10： (2000年全國(guó)春

47、季高考)可以發(fā)射一顆這樣的人造地球衛(wèi)星,使其圓軌道( ) A 與地球表面上某一緯度線(赤道除外)是共面的同心圓 B 與地球表面上某一經(jīng)度線所決定的圓是共面的 C 與地球表面上的赤道線是共面同心圓,而且相對(duì)地球表面是靜止的 D與地球表面上的赤道線是共面同心圓, 但衛(wèi)星相對(duì)地球表面是運(yùn)動(dòng)的【審題】此題重在判斷人造地球衛(wèi)星的軌道取向與地球的經(jīng)度線平面,緯度線平面,赤道平面的關(guān)系.在辨析,判斷時(shí)必須明確以下幾點(diǎn)：1 作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星必定是無(wú)動(dòng)力飛行,其軌道中心必然在地球中心。2 人造地球衛(wèi)星的軌道有三種:赤道軌道,極地軌道,一般軌道。3 地球同步衛(wèi)星的運(yùn)行軌道與位置高度等方面的特點(diǎn)。只要依據(jù)以上幾

48、方面的特點(diǎn)即可辨析選擇出正確答案。【解析】對(duì)A選項(xiàng)，人造地球衛(wèi)星運(yùn)行時(shí),是地球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供向心力,而此向心力的方向必定指向地心,即所有無(wú)動(dòng)力飛行的衛(wèi)星軌道的圓心一定與地球中心重合,不能是地軸上(除地心之外)的某一點(diǎn)。故A項(xiàng)錯(cuò)誤. 對(duì)B項(xiàng)，由于地球繞地軸在自轉(zhuǎn),所以衛(wèi)星的軌道平面不可能與經(jīng)度線所決定的平面共面.故B項(xiàng)是錯(cuò)誤的。 對(duì)C項(xiàng)，相對(duì)地球表面靜止的衛(wèi)星就是”同步衛(wèi)星”,它必須處在赤道圈平面,且距離赤道地面有確定的高度,高度H=36000千米,其運(yùn)行速度必須是V=3.1km/s.運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同.故C項(xiàng)正確。對(duì)D選項(xiàng)，如果衛(wèi)星所在的高度低于或高于h=36000km時(shí),便不再是

49、地球同步衛(wèi)星。雖然還可以使軌道處于地球赤道平面之內(nèi),但由于運(yùn)轉(zhuǎn)的周期與地球自轉(zhuǎn)的周期不會(huì)相同,也就會(huì)相對(duì)地面運(yùn)動(dòng).這種衛(wèi)星就是地球赤道軌道衛(wèi)星,但不是地球同步衛(wèi)星,故D項(xiàng)正確。【總結(jié)】這是一個(gè)關(guān)于人造地球衛(wèi)星運(yùn)行軌道的問(wèn)題,也是一個(gè)“高起點(diǎn)”、“低落點(diǎn)”的題目,符合高考能力考察的命題思想.但是現(xiàn)行高中物理教科書中不會(huì)介紹的很具體,對(duì)于這一類衛(wèi)星軌道問(wèn)題,也只能從衛(wèi)星的向心力來(lái)源、運(yùn)行軌道的取向以及同步衛(wèi)星的特點(diǎn)規(guī)律等方面分析判斷.此處必須明確只有萬(wàn)有引力提供向心力.8、必須區(qū)別“赤道物體”與“同步衛(wèi)星”以及“近地衛(wèi)星”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同 地球同步衛(wèi)星運(yùn)行在赤道上空的“天上”,與地球保持相對(duì)靜止，總

50、是位于赤道的正上空，其軌道叫地球靜止軌道通信衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星等采用這樣的軌道極為有利一顆靜止衛(wèi)星可以覆蓋地球大約40的面積，若在此軌道上均勻分布3顆衛(wèi)星，即可實(shí)現(xiàn)全球通信或預(yù)警為了衛(wèi)星之間不互相千擾，大約30左右才能放置1顆，這樣地球的同步衛(wèi)星只能有120顆可見，空間位置也是一種資源。其繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力完全由萬(wàn)有引力提供.即。此同步衛(wèi)星與其內(nèi)部的物體均處于完全失重狀態(tài)。地球同步衛(wèi)星具有以下特點(diǎn)： 軌道取向一定: 運(yùn)行軌道平面與地球赤道平面共面. 運(yùn)行方向一定: 運(yùn)行方向一定與地球的自轉(zhuǎn)方向相同. 運(yùn)行周期一定: 與地球的自轉(zhuǎn)周期相同,T=86400s， 位置高

51、度一定: 所在地球赤道正上方高h(yuǎn)=36000km處運(yùn)行速率一定: v=3.1km/s,約為第一宇宙速度的0.39倍.運(yùn)行角速度一定: 與地球自轉(zhuǎn)角速度相同，=7.3 105rad/s。地球同步衛(wèi)星相對(duì)地面來(lái)說(shuō)是靜止的。地球赤道上的物體,靜止在地球赤道的”地上”與地球相對(duì)靜止,隨地球的自轉(zhuǎn)繞地軸做勻速圓周運(yùn)動(dòng).地球赤道上的物體所受地球的萬(wàn)有引力,其中的一個(gè)力提供隨地球自轉(zhuǎn)所做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,產(chǎn)生向心加速度，引力產(chǎn)生的另一效果分力為重力,有-mg=m (其中R為地球半徑)。近地衛(wèi)星的軌道高度、運(yùn)行速度、角速度、周期等，均與同步衛(wèi)星不同，更與“赤道上的物體”不可相提并論。“赤道上的物體”與“地球同

52、步衛(wèi)星”的相同之處是：二者具有與地球自轉(zhuǎn)相同的運(yùn)轉(zhuǎn)周期和運(yùn)轉(zhuǎn)角速度,始終與地球保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),共同繞地軸做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；“近地衛(wèi)星”與“地球同步衛(wèi)星”的相同之處是：二者所需要量的向心力均是完全由地球的萬(wàn)有引力提供。 例11： (200年北京模擬) 設(shè)地球半徑為R,地球自轉(zhuǎn)周期為T,地球同步衛(wèi)星距赤道地面的高度為h,質(zhì)量為m,試求此衛(wèi)星處在同步軌道上運(yùn)行時(shí)與處在赤道地面上靜止時(shí)的：線速度之比， 向心加速度之比，所需向心力之比?！緦忣}】 此題的求解關(guān)鍵在于明確地球同步衛(wèi)星與地球赤道上物體的不同特點(diǎn)及其各自遵守的規(guī)律.必須明確一個(gè)在“天上”,一個(gè)在“地上”,其所受萬(wàn)有引力產(chǎn)生的效果不同,必須依據(jù)萬(wàn)

53、有引力定律與勻速圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律求解。【解析】由于衛(wèi)星在同步軌道運(yùn)行時(shí)與處在赤道平面上靜止時(shí)，具有相同的運(yùn)轉(zhuǎn)角速度,則可得 二者的線速度之比為=。二者的向心速度之比為2（R+h）/2.R=。二者所需要的向心力之比m2（R+h）/m2.R=。顯然，由以上解答可知，此三個(gè)比值均為，又由于地球同步距地面高度為h=3。6106m，地球半徑為R=6.4106m.故此比值為=?！究偨Y(jié)】運(yùn)用萬(wàn)有引力定律解題時(shí),必須明確地區(qū)分研究對(duì)象是靜止在”地面上”的物體還是運(yùn)行在軌道上(天上)的衛(wèi)星？是地球的萬(wàn)有引力是完全提供向心力還是同時(shí)又使物體產(chǎn)生了重力？這一點(diǎn)就是此類題目的求解關(guān)鍵。此外，還要特別注意到同步衛(wèi)星與地球

54、赤道上的物體具有相同的運(yùn)行角速度和運(yùn)行周期。例12：設(shè)同步衛(wèi)星離地心距離為r，運(yùn)行速率為v1，加速度為al，地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2，第一宇宙速度為v2，地球半徑為R，下列關(guān)系中正確的有( )。A、= B、= C、= D、=R/r【審題】 此題的研究對(duì)象有三個(gè)：一是地球同步衛(wèi)星；二是靜止在赤道地面上的物體；三是與第一宇宙速度相對(duì)應(yīng)的近地衛(wèi)星；題中需要解析對(duì)比的物理量有兩組：一是同步衛(wèi)星的向心加速度和赤道上的靜止物體的自轉(zhuǎn)向心加速度；二是同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度和第一宇宙速度。必須明確求解衛(wèi)星向心加速度的公式有多個(gè)，如，a=、a=、a=等等；求解衛(wèi)星運(yùn)行速度的公式也有多個(gè)，如，v

55、=、V=、V=等等。只要明確同步衛(wèi)星與赤道地面上的物體產(chǎn)生向心加速度的原因，區(qū)別同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度與第一宇宙速度的不同，依據(jù)題中給定的已知條件，（衛(wèi)星的軌道半徑r和地球的半徑R），再正確選擇公式解答，即可得到正確答案。 【解析】 對(duì)選項(xiàng)A，由于同步衛(wèi)星的向心加速度與赤道地面上的物體向心加速度的產(chǎn)生原因不同，對(duì)同步衛(wèi)星是萬(wàn)有引力提供了向心力，則： =m,- -對(duì)于赤道物體： -N=m-(式中的N是地面對(duì)物體的支持力)此處討論的就是地球的自轉(zhuǎn)，故，mg,而是= mg+m.顯然正確，但無(wú)法用來(lái)求得的比值。又因?yàn)?，同步衛(wèi)星與赤道地面上的物體具有相同的角速度，則： 對(duì)同步衛(wèi)星，=；對(duì)赤道地面上的物體，=，由此二式可得=，故選項(xiàng)A正確。對(duì)選項(xiàng)B，常見這樣的解法：因同步衛(wèi)星在高空軌道，則=m得，=；對(duì)赤道地面上的物體，= m得，=。以上二式相比得=。其實(shí)，這是錯(cuò)誤的，-這是一種典型的、常見的錯(cuò)誤。其原因是錯(cuò)誤的對(duì)“赤道地面上的物體”運(yùn)用了= m的關(guān)系。實(shí)際上，“赤道地面上的物體”是在地上，