【文章內(nèi)容簡介】 球，地球是一個(gè) ”環(huán)繞天體 ”， 而 已知的是地球繞太陽運(yùn)行的周期和地球的軌道半徑，只能求出太陽的質(zhì)量，因此無法計(jì)算出地球的質(zhì)量。故 A 選項(xiàng)錯(cuò)誤 . 對 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，由萬有引力定律與勻速圓周運(yùn)第 10 頁 共 36 頁 動的規(guī)律可得 rTmrGMm 222 4??，故有地球質(zhì)量為 M=2324GTr? ，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。故 B 選項(xiàng)正確。 對 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)動周期 T，由萬有引力定律與勻速圓周運(yùn)動規(guī)律可得 hRmvhRGMm ???22)(和222 4)( TmhRG Mm ???，又因?yàn)榇巳嗽斓厍蛐l(wèi) 星是 ”近地“衛(wèi)星，則 hR，可視為 h ≈ 0 ，必有 R+h ≈ R ，則以上兩式可分別化為RmvRGMm 22 ? ① 和RTRGmm 222 4?? ② ， 又由于 v=Tr?2，代入 ① 式（當(dāng)然也可以代入 ② 式）可得，地球的質(zhì)量為 M=234GTR? 。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 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，對其運(yùn)用萬有引力定律可得： mgRGMm?2，則 M=GgR2。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) 】 對于天體的質(zhì)量是通過測量計(jì)算得到的，而不是通過稱量獲得。首先要明確，這種方法只能用來計(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)用萬有引力定律和勻速圓周運(yùn)動的規(guī)律計(jì)算求得天體的質(zhì)量。 必須區(qū)別衛(wèi)星的運(yùn)行速度與發(fā)射速度的不同 對于人造地球衛(wèi)星，由 rvmrGMm 22 ?可得 v=rGM，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=rGM，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)射過程中必須克服地球引力做功，從而增大了衛(wèi)星的引力勢能，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（ km/s）和第二宇宙速度（ 11. 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（ 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。 第 11 頁 共 36 頁 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= 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= 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= 千米／秒。（衛(wèi)星掙脫太陽束縛的最小發(fā)射速度） 例 8： 1999 年 5 月 10 日，我國成功地發(fā)射了“一箭雙星”，將“風(fēng)云一號”氣象衛(wèi)星和“實(shí)驗(yàn)五號”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、 、 km/s C、 km/s D、 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 h＝ 870km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。 【 解析】 （方法一）判斷選定法 對選項(xiàng) A， v＝ ，是發(fā)射速度。以此速度發(fā)射的人造地球衛(wèi)星會以 v＝ 。其軌道半徑近似等于地球半徑，即 r≈ R 地 ，不會處在 h=870km 的軌道上。故 A 選項(xiàng)錯(cuò)誤。 對選項(xiàng) B， v=，是發(fā)射速度，以此速度發(fā)射的人造地球衛(wèi)星會脫離地球的引力范圍，飛到距地球的“無限遠(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），不會穩(wěn)定運(yùn)行在 h =870km 的軌道上，故 B 選項(xiàng)錯(cuò)誤。 對選項(xiàng) C， v=＜ （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=，而同步衛(wèi)星的軌道高度是 36000km 而不是870km。故運(yùn)用排除法即可得知 C 選項(xiàng)正確。 對選項(xiàng) D， v=，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 由于地球的萬有引力提供了人造地球衛(wèi)星的向心力，故得)()(22 hRvmhRG Mm ???，則有 v=hRGM?，代入引力常量 G= 1011 Nm2/Kg2，地球質(zhì)量 M= 1024Kg，地球半徑 R=6400km和衛(wèi)星的軌道高度 h＝ 870km?？傻?v=，即此衛(wèi)星的運(yùn)行速度為 。故 C 選項(xiàng)正確。 【 總結(jié) 】 以上兩種方法相比，顯然是前一種“判斷選定法”更為簡捷方便，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，稍有不慎不僅會影響解題速度甚至還會導(dǎo)致錯(cuò)誤 。故而注重選擇題的解答技巧十分重要。 必須區(qū)別由萬有引力、重力、向心力構(gòu)成的三個(gè)等量關(guān)系式的不同 針對天體（行星，衛(wèi)星）和人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行問題（包括線速度、周期、高度 ），可以看作勻速圓周運(yùn)動，從而運(yùn)用萬有引力定律。這類“天上”的物體作勻速圓周運(yùn)動的向第 12 頁 共 36 頁 心力僅由萬有引力提供。對于地面物體，其重力由萬有引力產(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)星問題時(shí)要特別注重以下三個(gè)等量關(guān)系 ： 若萬有引力提供向心力，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 =ω 2r= 4π 2 r/T2 …… 則可以得以下幾組公式： （ 1）由 GMm/r2 =ma 向 得 GMm/r2 ＝ ma 向 → a 向＝ GM/r2→ a 向 ∝１／ r2。 GMm/r2 =m v2/r→ v = rGM → v∝１ / r GMm/r2 =mω 2r→ω =3rGM→ω∝１ / 3r GMm/r2=m4π T 2 r/T2→ T=2πGMr3 → T∝ 3r 對于以上各式，“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）繞其 做勻速圓周運(yùn)動的向心加速度 a 向 、運(yùn)行速度 v、運(yùn)行角速度 ω 、運(yùn)行周期T 僅與距離 r 有關(guān)。即以上各量僅由距離 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 ＝ g mg= m v2/r→ v= gr → v∝ r mg= mω 2r→ω =rg→ω∝１ / r mg= m4π 2 r/T2→ T=2πg(shù)r→ T∝ r 以上各式之中，作勻速圓周運(yùn)動的物體（如衛(wèi)星）的運(yùn)行速度 v、角速度 ω 、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。 （ 3）由 GMm/r2 =mg 得，對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： （ 200６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 ＝１：２，其運(yùn)第 13 頁 共 36 頁 行軌道半徑之比為Ｒ １： Ｒ ２ ＝３：１，試求此兩顆衛(wèi)星運(yùn)行的： ① 線速度之比， ② 角速度之比， ③周期之比，④ 向心加速度之比。 【 審題 】 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 ＝１：２”是無用的“干擾項(xiàng)”，只須運(yùn)用已知條件“Ｒ １ ：Ｒ ２ ＝３：１”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。 【 解析】 人造地球衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí)，所需要的向心力等于地球的萬有引力，由Ｆ 引＝Ｆ 向 可得， ① GMm/r2 =m v2/r， 則 v = rGM 所以， 3/11221 ?? RRVV 。 如果此處運(yùn)用了 v= gr ， 而認(rèn)為 v∝ r ，則可得到1221 RRVV ? ＝ 13 ，顯然這是錯(cuò)誤的。因?yàn)閷τ谶@兩顆衛(wèi)星而言其公式 v= gr 中的“ g”是不同的。 ② 因?yàn)?GMm/r2 =mω 2r，有 ω =3rGM，故，313221 RR??? ＝ 271 ； 如果此處運(yùn)用公式ω =rg而認(rèn)為ω∝１ / r ，則可得，1221 RR??? ＝ 31 ，顯然也是錯(cuò)誤的。其原因仍是忘掉了式中“ g” 的不同。 ③ 因?yàn)?GMm/r2 =m4π 2 r/T2 ，則， T=2πGMr3 ，故有21TT ＝3231RR ＝ 3313 ＝ 127 。如果此處運(yùn)用了 T=2πg(shù)r而認(rèn)為 T∝ r ，則得21TT ＝ 1321 ?RR ，顯然也是錯(cuò)誤的。其原因仍是忘掉了式中“ g” 的不同。 ④ GMm/r2＝ ma 向， 則 a 向 ＝ GM/r2 故有， ?21aa 22212231?RR＝１／９。 如果此處運(yùn)用了 a 向 ＝ g 而認(rèn)為 a 向 軌道半徑無關(guān)，則得 ?21aa 1?gg ，必然錯(cuò)誤， 其原因仍是忘掉了式中“ g”的不同。 【 總結(jié) 】 在求解天體（如，行星、衛(wèi)星等）的圓周運(yùn)動時(shí)，由于圓周運(yùn)動的特點(diǎn)以及“黃金代換”關(guān)系（ GM＝ go R2o）的存在，會使得圓周運(yùn)動中的同一個(gè)物理量有多種不同形式的表達(dá)式。如，對于線速度就有 v = rGM 、 v= gr 、Ｖ＝圖４－７ 第 14 頁 共 36 頁 ω r、Ｖ＝ 2π r／ Ｔ ??? 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)題意有針對性的選取運(yùn)用，同時(shí)還必須牢記 “黃金代換”關(guān)系式 GM＝ go R2o 的重要性。 必須區(qū)別赤道軌道衛(wèi)星、極地軌道衛(wèi)星與一般軌道衛(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 = rGM 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)星才能與地球相對靜止，稱之為“同步衛(wèi)星”，如圖 47 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 47 所示 。 所謂極地軌道衛(wèi)星 ,是指衛(wèi)星的軌道平面始終與太陽保持相對固定的取向 .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 ,故又稱為近極地太陽同步衛(wèi)星。如圖 47 所示 .這種衛(wèi)星由于與地球之間有相對運(yùn)動 ,可以觀測 ,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 ”一箭雙星 ”發(fā)射的 ”風(fēng)云一號 ”與 ”風(fēng)云二號 ”氣象衛(wèi)星中的 ”風(fēng)云一號 ”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