3.6.2.天体的运动 开普勒根据前人积累的行星运动观察资料.总结出关于行星运动的三定律--开普勒三定律. 第一定律:行星围绕太阳的运动轨道为椭圆.太阳在椭圆的一个焦点上. 第二定律:行星与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积. 下面举一个例子详加说明: 为用数学式子表述第二定律.设径矢r在时间内扫过的面积为.则面积速度为.由图3-6-1可知. 故面积速度为 常量 式中v为行星运动的线速度.为径矢r与速度v方向之间的夹角.当行星位于椭圆轨道的近日点或远日点时.速度v的方向与径矢r的方向垂直.即=90º.故 第三定律:各行星绕太阳运动的周期平方与轨道半长轴立方的比值相同.即 开普勒定律不仅适用于行星绕太阳的运动.也适用于卫星绕行星的运动. 当半长轴a与半短轴b相等时.椭圆成为圆.由开普勒第二定律可知.圆轨道运动必为匀速圆周运动.万有引力提供向心力. 对于绕地球作半径为r的匀速圆周运动的卫星.由牛顿第二定律和万有引力定律可得 根据地球表面物体重力与引力的关系 R为地球半径卫星速率为 对于贴着地球表面运行的卫星. 这就是第一宇宙速度.也就是发射卫星必须具有的最小速度 利用能量关系.可求出从地球表面发射的宇宙飞般.为能挣脱地球引力的束缚.其发射速度必须满足 称为第二宇宙速度. 下面举一个例子详加说明: 新发现一行星.其星球半径为6400km.且由通常的水形成的海洋覆盖着它的所有表面.海洋的深度为10km.学者们对该行星进行探查时发现.当把试验用的样品浸入行星海洋的不同深度时.各处的自由落体加速度以相当高的精确度保持不变.试求这个行星表面处的自由落体加速度.已知万有引力常数为 . 解1:如图3-6-2以R表示此星球的半径.M表示其质量.h表示其表层海洋的深度.r表示海洋内任一点A到星球中心O的距离.表示除表层海洋外星球内层的半径.则有.且.以表示水的密度.则此星球表层海洋中水的总质量为 ① 由于.故①式可略去其中h的高次项面是近似写为 ② 根据均匀球体表面处重力加速度的公式.可得此星球表层海洋的底面和表面处的重力加速度分别为 依题述有,即 整理上式可解得 ③ 由于.故近似取2Rh-,则③式可写为 ④ 由④和②式得此星球表面的重力加速度为 ⑤ 以G=..代入⑤式.得 解2:设行星的内层(即半径为的球体部分)的平均密度为.则可将该半径为的球体视为由一个均匀的水球(密度为.半径为)和一个密度为半径为的球叠加而成.则在水球壳层内的重力加速度应由这两个球分别产生的加速度叠加而成. 如图3-6-2.对于水球壳层中的任一点A.以表示上述水球在该处形成的重力加速度.则有 由上式可见.随r的增加而增加.当r增加为r+△r时.的增加量为 又以表示上述的密度为的球在A点产生的重力加速度.则有 由上式可见.随r的增加而减少.当r增加为r+△r时.的增加量(为一负值.表明其实际上是减少)为 上式演算中利用了近似关系.由于要求在水层内重力加速度g为恒量.即不随r变化而变化.故应有 即 近似取r=.乃得 则行星内层密度为 由上可得此行星内外两层分界面处的重力加速度(亦即行星表面处的重力加速度)为 查看更多

 

题目列表(包括答案和解析)

某未知天体,在距离它5×107km处有一颗卫星绕它做匀速圆周运动,已知卫星绕未知天体运动的周期为150天,引力常量为6.67×10-11N?m2?kg-2,估算未知天体的质量.(结果保留一位有效数字)

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据人民网报道,北京时间2013年12月6日17时53分,嫦娥三号探测器成功实施近月制动,顺利进入环月轨道.探测器环月运行轨道可视为圆轨道.已知探测器环月运行时可忽略地球及其他天体的引力,轨道半径为r,运动周期为T,引力常量为G.求:
(1)探测器绕月运行的速度的大小;
(2)探测器绕月运行的加速度的大小;
(3)月球的质量.

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在探究行星运动的规律时,王凯所在的小组根据孙老师提供的一些天体公转的半长轴R和周期T的值,利用Excel软件进行处理,得到下列表格.请你认真分析表格中的数据,完成下列各题:
名称 半长轴R
(×109米)
周期T(天) R/T
(×109米/天)
R2/T
(×10182/天)
R3/T2
(×10273/天2
水星 57.9 87.7 0.660205 38.22588 25.23692892
金星 108.2 224.7 0.481531 52.10165 25.08855437
地球 149.6 365 0.409863 61.31551 25.13095842
火星 228 687 0.331878 75.66812 25.11256460
木星 778 4333 0.179552 139.6917 25.08195665
土星 1426 10759 0.132540 189.0023 25.05040557
天王星 2869 30686 0.093495 268.2383 25.07905012
海王星 4495 60188 0.074683 335.6986 25.07086184
同步卫星 0.0424 1 0.042400 0.001798 0.00007622502
月球 0.3844 27.322 0.014069 0.005408 0.00007608958
(1)分析太阳的八大行星的运动数据,你可以得出什么结论?
(2)分析表格中的数据,你还有哪些发现?

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(2006?天津)神奇的黑洞是近代引力理论所预言的一种特殊天体,探寻黑洞的方案之一是观测双星系统的运动规律.天文学家观测河外星系大麦哲伦云时,发现了LMCX-3双星系统,它由可见星A和不可见的暗星B构成.将两星视为质点,不考虑其他天体的影响,A、B围绕两者连线上的O点做匀速圆周运动,它们之间的距离保持不变,(如图)所示.引力常量为G,由观测能够得到可见星A的速率v和运行周期T.
(1)可见星A所受暗星B的引力FA可等效为位于O点处质量为m′的星体(视为质点)对它的引力,设A和B的质量分别为m1、m2,试求m′(用m1、m2表示);
(2)求暗星B的质量m2与可见星A的速率v、运行周期T和质量m1之间的关系式;
(3)恒星演化到末期,如果其质量大于太阳质量ms的2倍,它将有可能成为黑洞.若可见星A的速率v=2.7×105 m/s,运行周期T=4.7π×104s,质量m1=6ms,试通过估算来判断暗星B有可能是黑洞吗?(G=6.67×10-11N?m2/kg2,ms=2.0×1030 kg)

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(2011?安徽)(1)开普勒行星运动第三定律指出:行星绕太阳运动的椭圆轨道的半长轴a的三次方与它的公转周期T的二次方成正比,即
a3T2
=k,k是一个对所有行星都相同的常量.将行星绕太阳的运动按圆周运动处理,请你推导出太阳系中该常量k的表达式.已知引力常量为G,太阳的质量为M
(2)开普勒定律不仅适用于太阳系,它对一切具有中心天体的引力系统(如地月系统)都成立.经测定月地距离为3.84×108m,月球绕地球运动的周期为2.36×106S,试计算地球的质量M.(G=6.67×10-11Nm2/kg2,结果保留一位有效数字)

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同步练习册答案