1.已知一颗绕地球中心做匀速圆周运动的卫星,其轨道半径为r,地球的质量为M,则各物理量与轨道半径的关系为:
① 通过
卫星的向心加速度为:
;
② 通过
卫星的线速度为:
;
③ 通过
卫星的角速度为:
;
④ 通过
该卫星的轨道周期为:
;
⑤ 通过
卫星的动能为:
;
即随着轨道半径逐渐增大,向心加速度a、线速度v、角速度ω、动能Ek会逐渐减小,周期T会逐渐增大。
2.利用万有引力定律求出卫星的高度:
通过观测卫星的周期T、行星表面的重力加速度g和行星的半径R,可以计算出卫星的高度。
3. 近地卫星和赤道静止物体
① 以匀速绕地球运转的卫星称为近地卫星。其轨道半径可认为等于地球半径R0,轨道平面通过地心。已知地球表面重力加速度为g0,则
取决于
必须:
;
取决于
必须:
;
取决于
必须:
。
将地球半径R0=6.4×106m、g0=9.8m/s2代入上式,可得v=7.9×103m/s、ω=1.24×10-3rad/s、T=5074s,
卫星的向心加速度都小于地面重力加速度,
和
且卫星的轨道半径r>R0,因此所有绕地球做匀速圆周运动的卫星的线速度v均小于7.9×103米/秒,角速度ω小于1.24×10-3rad/s,周期T大于5074s。
②特别需要指出的是,对于静止在地球表面的物体,虽然地球作用于该物体的重力也是mg,而且虽然该物体随地球的自转而自转,并绕着地球轴做匀速圆周运动,且运转周期等于地球的自转周期,与近地卫星、同步卫星类似,但它的轨道平面并不一定通过地心,如图所示。只有当纬度θ=0°,也就是物体在赤道上时,轨道平面才有可能通过地心。地球引力F作用于物体的一个分力是使物体做匀速圆周运动所需的向心力f=mω2r,另一个分力就是物体的重力mg,也就是引力F不等于物体的重力mg。 只有当r=0时,即物体位于两极时,因为f=mω2r=0,所以F才等于mg。
③随地球自转在赤道做圆圈运动的物体与近地卫星的区别:
A. 赤道处物体受到的引力只有一小部分是向心力,其余都是重力,使物体紧紧地贴在地面上。而近地卫星受到的引力全部是向心力,卫星已经离开地球了。
B.赤道处(地球上)的物体相对于地球保持静止状态,而近地卫星相对于地球则处于高速旋转的状态。
4. 卫星超重与失重
“超重”是指卫星进入轨道时的加速上升过程和回收时的减速下降过程,与“电梯”中物体的超重是一样的。“失重”是指卫星进入轨道并正常运行时,卫星上物体的完全“失重”(因为重力提供了向心力)。此时卫星上一切制造原理与重力有关的仪器都无法正常使用,如水银气压表、天平、密度计、电子秤、摆钟等。
5.卫星轨道变化问题
卫星由低轨道向高轨道运动时,需要加速,加速后做离心运动,势能增大,动能减小,在高轨道做圆周运动时,速度比在低轨道时要低。
当人造卫星以第一宇宙速度发射时,它将绕地球表面做匀速圆周运动;如果它的发射速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间,它将绕地球做椭圆运动。有时,为了使卫星绕地球做圆周运动,需要在卫星发射后的椭圆运动过程中再次点火,以达到预定的圆形轨道。设第一宇宙速度为v,则第一宇宙速度的推导过程为
如果卫星发射时的速度v1>v,在地球表面,卫星就会受到地球引力的影响。
它应该小于卫星以v1绕地球做圆周运动所需的向心力m
,所以从此时起,卫星将做离心运动。随着卫星离地心越来越远,其速度也不断减小。在其椭圆轨道远地点(离地心的距离为R′)时,速度为v2(v2<v1)。此时,由于G
>米
从此时起,卫星向心运动,同时速度增加,从而在椭圆轨道上绕地球做周期性运动。如果卫星在远地点加电卫星的向心加速度都小于地面重力加速度,使其速度突然增加到v3,G
=米
,则卫星就能以速度v3、半径R'绕地球做匀速圆周运动。同样,在回收卫星时,如果选择合适的时机,突然降低圆周运动卫星的速度,卫星就会沿椭圆轨道向心运动,而椭圆与预定的回收位置相切或相交,卫星就能被成功回收。