如图所示,一宇宙飞船绕地球中心做圆周运动,已知地球半径为R,轨道1半径是2R,现在欲将飞船转移到另一个半径为4R的圆轨道2上去,已知地球表面处的重力加速度为g,飞船质量为m,万有引力常数为G,求:
(1)地球的质量
(2)飞船在1、2两个轨道上做圆运动的的环绕速度之比v1:v2=?
(3)理论上,若规定距地心无穷远处为引力势能零势能点,飞船和地球系统之间的引力势能表达式为,(其中r为飞船到地心的距离)请根据理论,计算完成这次轨道转移点火需要的能量
(1) (2) (3)
【详解】
(1)设在地面附近有一小物体m0:m0g=G,可得地球的质量M=
(2)飞船在轨道1有:G=m,v1=
飞船在轨道2有:G=m,v2=
可得:v1v2=
(3)设飞船在2R和4R轨道上稳定运行时的机械能分别为E1和E2,则:
E1=Ek1+Ep1,Ek1=m,G=m,Ep1=-,E1=-=-
同理可得:E2=-=-
所以完成这次轨道转移点火需要的能量E=E2-E1=
计算天体质量与密度:
1、用万有引力定律求天体的质量:通过观天体卫星运动的周期T和轨道半径r或天体表面的重力加速度g和天体的半径R,就可以求出天体的质量M。
2、用万有引力定律计算天体的平均密度:通过观测天体表面运动卫星的周期T,就可以求出天体的密度ρ。
计算天体质量与密度:
1、用万有引力定律求天体的质量:通过观天体卫星运动的周期T和轨道半径r或天体表面的重力加速度g和天体的半径R,就可以求出天体的质量M。以地球的质量的计算为例
①若已知月球绕地球做匀速圆周运动的周期T和半径r,根据:
,得:;
②若已知月球绕地球做匀速圆周运动的线速度v和半径r,根据:
,得:;
③若已知月球绕地球做匀速圆周运动的线速度v和周期T,根据:
和,得:;
④若已知地球的半径R和地球表面的重力加速度g,根据:
,得:——此式通常被称为黄金代换式。
2、用万有引力定律计算天体的平均密度:通过观测天体表面运动卫星的周期T,就可以求出天体的密度ρ。
天体球体积:V=;天体密度:(由,,,r指球体半径,R指轨道半径,当R=r时,)。
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