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5.开普勒从1909~1919年发表了著名的开普勒行星三定律:
其中第三定律: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都相等.实践证明,开普勒三定律也适用于人造地球卫星的运动.
如果人造地球卫星沿半径为r的圆形轨道绕地球运动,当开动制动发动机后,卫星速度降低并转移到与地球相切的椭圆轨道,如图所示,结合以上信息,问在这之后,卫星经过多长时间着陆?(空气阻力不计.地球半径为R,地球表面重力加速度为g,圆形轨道可作为椭圆轨道的一种特殊形式.)

分析 根据牛顿第二定律与向心力表达式,结合引力提供向心力,并由地表时,引力等于重力,及开普勒第三定律,即可求解.

解答 解:当卫星在圆轨道上运动时,由牛顿第二定律有:$G\frac{Mm}{r^2}=mr{(\frac{2π}{T})^2}$(r为轨道半径)
在地面时,有:$mg=G\frac{Mm}{R^2}$(R为地球半径)
卫星由圆轨道转移到椭圆轨道,设周期为T',由开普勒第三定律,有:$\frac{r^3}{T^2}=\frac{{{{[\frac{(R+r)}{2}]}^3}}}{{{{T'}^2}}}$
卫星落地时间$t=\frac{T'}{2}$
联解以上各式,得:$t={\frac{{π[{\frac{{({r+R})}}{2}}]}}{{{{({g{R^2}})}^{\frac{1}{2}}}}}^{\frac{3}{2}}}$
答:在这之后,卫星经过$\frac{π(\frac{r+R}{2})^{\frac{3}{2}}}{(g{R}^{2})^{\frac{1}{2}}}$时间着陆.

点评 考查万有引为定律与开普勒第三定律的应用,掌握牛顿第二定律的内容,理解引力提供向心力与引力等于重力的两种情况.

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