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天体运动讲义教师版
天体运动讲义 奥赛大纲 1、万有引力定律2、均匀球壳对壳内和壳外质点的引力公式3、开普勒定律4、行星和人造卫星运动5、太阳系 银河系 宇宙和黑洞的初步知识 数学基础 1、中学阶段全部初等数学(包括解析几何) 2、向量的合成和分解 3、极限、无限大和无限小的初步概念 4、不要求用复杂的积分进行推导和运算 一、基本概念 1.开普勒定律 第一定律(轨道定律):所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上围绕太阳运动。太阳是在这些椭圆的一个焦点上。 第二定律(面积定律):对每个行星来说,太阳和行星的连线(叫矢径)在相等的时间内扫过相等的面积。“面积速度”: (θ为矢径r与速度的夹角) 第三定律(周期定律):所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值相等。即:. 2.万有引力定律 ⑴万有引力定律:自然界中任何两个物体都是相互吸引的.任何两个质点之间引力的大小跟这两个质点的质量的乘积成正比,跟它们的距离的二次方成反比. , ,称为引力常量. ⑵重力加速度的基本计算方法 设M为地球的质量,g为地球表面的重力加速度. 在地球表面附近( )处:, 在地球上空距地心r=R+h处:, 在地球内部跟离地心r处:, , 例1、(全国物理竞赛预赛题)已知太阳光从太阳射到地球需要8min20s,地球公转轨道可以近似看作圆轨道,地球半径约为6.4×106m,试估算太阳质量M与地球质量m之比M/m为多大?地球表面重力加速度为g 解析:太阳到地球距离为R500s×3×108 m/s=1.5×1011 m 太阳为中心天体,质量为:GMm/ R2=m4π2R/T2M=4π2R3/GT2 知道地球表面的重力加速度为g地球的质量GM’m/r2=mgM’= r2g/G M/ M’=4π2R3/r2T2g=3×105(其中R为地日间距离,r为地球半径,T为地球公转周期,g为地球表面重力加速度) 12年。设地球至太阳的距离为1AU(天文单位),则木星至太阳的距离约为多少天文单位? 解析:由开普勒第三定律:R13/R23=T13/T23(其中,R是行星公转轨道半长轴,T是行星公转周期) 得R木=5.2 AU可知椭圆的半长轴a=R,两轨道的交点必为半短轴顶点,(由椭圆定义,PF1+PF2=2a) 发射飞船时,绕日速度应沿轨道切线方向,即与椭圆长轴平行的方向. 则飞船的“面积速度”为:, 地球的“面积速度”为:, 故: 例4、(2011物理竞赛)地球上空有人造地球同步通讯卫星,它们向地球发射微波,但无论同步卫星的数目增加多少个,地球表面总有一部分面积不能直接收到它们发射的微波,请求出这个面积的大小。己知地球半径R0=6.4×106m,半径为R,高为h的球冠的表面积为S1=2πRh,球体的表面积为S2=4πR2,结果保留一位有效数字。 解析:如图,同步通讯卫星相对地面是静止的,则 对地球表面上质量为m0的物体有GMm0/R02=m0g; 对地球同步通讯卫星有 由几何关系可知 以S表示某个极周围接收不到微波区域的面积: 地球有两个极,接收不到微波区域的面积为 二、万有引力、引力势能 1、万有引力定律的公式适用于计算质点间的万有引力,此时万有引力定律公式中的r就是两质点间的距离。万有引力定律的公式也适用于计算两个质量分布均匀的球体间的相互吸引力,这种情况等效于把球体的质量集中在球心处的质点间的万有引力的计算,式中的r是两个球体球心间的距离。从这种情况也可以推出以下几个推论: (1)质量分布是球对称的两个球体之间的万有引力的计算。 (2)质量分布是球对称的两个空心球体之间的万有引力的计算。 (3)质量分布均匀的球壳之间的万有引力的计算。但要注意的是两球壳球心之间的距离必须大于等于两球壳的半径之和。(可以证明:球壳对处于它内部的物体的万有引力为零。) 万有引力定律的公式也可以用来计算质量分布均匀(或质量分布是球对称)的球体(或空心球体、或球壳)与球外一个质点间的万有引力的计算,这时的r是质点到球体球心间的距离。 例、如图所示,有质量为m、半径为R的质量分布均匀的球体A与用同种材料制成的半径为均匀球体B,两球球心相距L,现在在球A中靠近B球一边与A球相切的挖一个半径为的球形洞,三个球心在同一条连线上,求挖空后两球间的万有引力。本题可用填补法来做:设F为实心球A与B球之间的万有引力,F1为被挖去一个球形洞后的A球与B球之间的万有引力,F2为被挖去的球体在未挖去前与B球之间的万有引力。由于实心球A与B球之间的万有引力F应是被挖去一个球形洞后的A球与B球之间的万有引力F1与挖去的那部分球体在未挖去前与B球之间的万有引力F2之和,所以有 F=F1+F2(1)根据万有引力定律可得 由式(1)(2)(3)可得 例
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