刊名: 教学与研究
Teaching and Research
主办: 中国人民大学
周期: 月刊
出版地:北京市
语种: 中文;
开本: 大16开
ISSN: 0257-2826
CN: 11-1454/G4
邮发代号: 2-256
历史沿革:
现用刊名:教学与研究
创刊时间:1953
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万有引力定律的应用
【作者】 赛尔江·卡依所旦
【机构】 新疆沙湾县教师进修学校
【摘要】万有引力定律揭示了天体运动的规律,在天文学上和宇宙航行计算方面有着广泛的应用。它为实际的天文观测提供了一套计算方法,可以只凭少数观测资料,就能算出长周期运行的天体运动轨道,科学史上哈雷彗星、海王星、冥王星的发现,都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。利用万有引力公式,开普勒第三定律等还可以计算太阳、地球等无法直接测量的天体的质量。【关键词】F=■=■,万有引力,环绕天体的绕行速度,角速度、周期,第一宇宙速度(环绕速度),第二宇宙速度(脱离速度),第三宇宙速度(逃逸速度)
万有引力定律的发现有着重要的物理意义:它对物理学、天文学的发展具有深远的影响;它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来;对科学文化发展起到了积极的推动作用,解放了人们的思想,给人们探索自然的奥秘建立了极大信心,人们有能力理解天地间的各种事物。俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(1857-1935)是举世闻名的科学家、科幻作家,被誉为“航天之父”。1903年,他推导出了著名的齐奥尔科夫斯基火箭公式,多级火箭可以达到这样大的速度
当卫星的速度达到一定程度时,就可以围绕地球转动。此时万有引力提供向心力,下面的推导代数式中m1代表地球的质量,m2代表卫星的质量:
F=■=■ 消去m2和一个r,推出v=■
第一宇宙速度(环绕速度):7.9km/s (在地面附近做匀速圆周运动所需要的最小的速度。近地轨道运行时大于7.9km/s,小于11.2km/s。
第二宇宙速度(脱离速度):11.2km/s (卫星速度大于等于11.2km/s,而又小于16.7km/s时,围绕太阳旋转的速度)
第三宇宙速度(逃逸速度):16.7km/s (卫星速度大于等于16.7km/s时,就会脱离太阳的吸引,跑到太阳系以外的宇宙空间。
环绕天体的绕行速度,角速度、周期与半径的关系:
①由G■=m■得v=■
∴r越大,v越小
②由G■=mω2r得ω=■
∴r越大,ω越小
③由G■=m■得T=■
∴r越大,T越大
例一:关于第一宇宙速度,下面说法中错误的是[ ]
A. 它是人造地球卫星绕地飞行的最小速度
B. 它是人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度
C. 它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度V=■
射到越远的地方越容易
解析:应选择A、D.
例二:比较图中a、b、c三颗卫星的线速度, 角速度,周期,向心加速度,向心力的大小?
解:如图:a卫星的线速度大于b、c卫星的线速度,b、c两卫星因为轨道半径相等,所以线速度、周期都相等。
根据■=m2a a=■向心加速度跟轨道半径的二次方成反比。
宇宙速度:(弄清第一宇宙速度与卫星发射速度的区别)
例三:将卫星发射至近地圆形轨道1(如图所示),然后再次点火,将卫星送入同步轨道3。轨道1、2相切于Q点,2、3相切于P点,则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,以下说法正确的是:
A. 卫星在轨道3上的速率大于轨道1上的速率。
B. 卫星在轨道3上的角速度大于在轨道1上的角速度。
C. 卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度。
D. 卫星在轨道2上经过P点的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度。
解:由G■=■得v=■
而ω=■=■,
轨道3的半径比1的大,故A错B对,“相切”隐含着切点弯曲程度相同,即卫星在切点时两轨道瞬时运行半径相同,又a=■,故C错D对。
万有引力定律的发现,是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次解释了(自然界中四种相互作用之一)一种基本相互作用的规律,在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。
万有引力定律揭示了天体运动的规律,在天文学上和宇宙航行计算方面有着广泛的应用。它为实际的天文观测提供了一套计算方法,可以只凭少数观测资料,就能算出长周期运行的天体运动轨道,科学史上哈雷彗星、海王星、冥王星的发现,都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。利用万有引力公式,开普勒第三定律等还可以计算太阳、地球等无法直接测量的天体的质量。牛顿还解释了月亮和太阳的万有引力引起的潮汐现象。他依据万有引力定律和其他力学定律,对地球两极呈扁平形状的原因和地轴复杂的运动,也成功的做了说明。