Вывод выражения для периода обращения спутника планеты. Тяготение. Смотреть что такое "Период обращения спутника" в других словарях

Цель: научиться вычислять период обращения спутника вокруг планеты в зависимости от ее массы, размеров и вида спутника.

Ход работы:

1. Перечертите в тетрадь таблицу, представленную в нижней части таблицы.

2. Выполните расчеты периода обращения для каждого спутника для каждой планеты и представьте результат в таблице на странице. Известно, что планета, тяжелее Земли в 2 раза, больше ее по размерам в 1,4 раза, а планета, меньшая Земли по массе, в размерах равна 0,8 размера Земли. Данные необходимо брать из информационного окна на странице "Моделирование движения спутника". Радиус Земли принять равным 6400 км. Ответ следует выразить в минутах, округлять до целого числа.

3. Проверьте полученные вами данные. Для этого нажмите кнопку "Проверить результаты".

4. В случае наличия ошибок, исправьте их.

5. Полученные верные данные запишите в таблицу в тетради.

6. Сделайте вывод о том, как зависит период обращения спутника от размеров планеты и от вида спутника.

2.2.2. Движение под действием силы тяжести (спутники)

При движении спутников (с выключенным двигателем) по круговой орбите на них действует только одна сила - сила притяжения спутника к планете.

На спутник, имеющий массу m и движущийся по круговой орбите на высоте h над поверхностью планеты (рис. 2.2), действует только сила тяжести.

Рис. 2.2

Эта сила направлена к центру планеты и сообщает спутнику центростремительное ускорение. В этом случае справедливо соотношение

G m M r 2 = m v 2 r ,

позволяющее получить формулу для расчета первой космической скорости спутника:

где G = 6,67 ⋅ 10 −11 Н ⋅ м 2 /кг 2 - универсальная гравитационная постоянная; m - масса тела; r = R + h - радиус орбиты; R - радиус планеты; h - высота спутника над поверхностью планеты.

Различают первую, вторую и третью космические скорости. Для планеты Земля:

• первая космическая скорость - минимальная скорость, сообщенная спутнику вблизи поверхности Земли, при которой он может выйти на круговую орбиту и начать вращение вокруг Земли на околоземной орбите (h ≈ 0),

v 1 ≈ 7,9 км/с;

• вторая космическая скорость - минимальная скорость, сообщенная спутнику вблизи поверхности Земли, при которой он может удалиться от Земли на большое расстояние и стать спутником Солнца,

v 2 ≈ 11,2 км/с;

• третья космическая скорость - минимальная скорость, сообщенная спутнику вблизи поверхности Земли, при которой он может покинуть Солнечную систему; ее значение приблизительно равно 16,6 км/с.

Когда говорят о первой космической скорости для планеты , то подразумевают, что спутник движется на высоте h ≈ 0, т.е. радиус орбиты спутника r совпадает с радиусом планеты R :

r = R .

Период обращения спутника вокруг планеты (время одного оборота) можно определить как отношение длины орбиты к первой космической скорости:

где L = 2πr - длина орбиты радиусом r (длина окружности); v - первая космическая скорость спутника на этой орбите.

Пример 5. Во сколько раз период обращения искусственного спутника, совершающего движение по круговой орбите на высоте, равной удвоенному радиусу Земли, превышает период обращения спутника, вращающегося на околоземной орбите?

Решение. Период обращения спутника, совершающего движение по круговой орбите на высоте h 1 = 2R , определяется формулой

T 1 = 2 π (R + h 1) v 1 ,

где R - радиус Земли; v 1 - первая космическая скорость спутника на высоте h 1 .

Период обращения спутника, совершающего движение на околоземной орбите (h 2 ≈ 0), определяется формулой

T 2 = 2 π (R + h 2) v 2 ,

где v 2 - первая космическая скорость спутника на околоземной орбите.

Подстановка значений h 1 = 2R и h 2 = 0в формулы для вычисления соответствующих периодов дает:

T 1 = 6 π R v 1 и T 2 = 2 π R v 2 .

Отношение периодов

T 1 T 2 = 3 v 2 v 1

выражается через отношение первых космических скоростей спутника на соответствующих орбитах.

Первые космические скорости определяются следующими формулами:

• для высоты h 1 = 2R

v 1 = G M R + h 1 = G M R + 2 R = G M 3 R ;

• для высоты h 2 ≈ 0 (околоземная орбита)

v 2 = G M R + h 2 = G M R + 0 = G M R ,

где G = 6,67 ⋅ 10 −11 Н · м 2 /кг 2 - универсальная гравитационная постоянная; M - масса Земли.

Подставляя v 1 и v 2 в формулу для отношения периодов, получим

T 1 T 2 = 3 v 2 v 1 = 3 G M R ⋅ 3 R G M = 3 3 ≈ 5,2 .

т.е. период обращения спутника, совершающего движение на высоте, равной двум радиусам, превышает период обращения спутника на околоземной орбите приблизительно в 5,2 раза.

Пример 6. Радиус некоторой планеты в 3 раза больше радиуса Земли, а плотность в 9 раз меньше плотности Земли. Определить отношение первых космических скоростей спутников для Земли и для планеты.

Решение. Сравниваются следующие первые космические скорости:

• для поверхности Земли

v 1 = G M З R З,

• для поверхности планеты

где G = 6,67 ⋅ 10 −11 Н · м 2 /кг 2 - универсальная гравитационная постоянная; M З - масса Земли; R З - радиус Земли; M - масса планеты; R - радиус планеты.

Отношение скоростей равно

v 1 v 2 = M З R З R M .

Считая, что Земля и планета имеют шарообразную форму, получим формулы для вычисления соответствующих масс:

• для Земли

M З = ρ З V З = 4 3 π ρ З R З 3 ,

• для планеты

M = ρ V = 4 3 π ρ R 3 ,

где ρ З - плотность Земли; ρ - плотность планеты.

Подставим выражения для масс в формулу для отношения скоростей:

v 1 v 2 = 4 3 π ρ З R З 3 R З 3 4 R π ρ R 3 = ρ З R З 2 ρ R 2 = R З R ρ З ρ .

По условию задачи R = 3R З и ρ З = 9ρ; следовательно, искомое отношение скоростей равно

v 1 v 2 = R З 3 R З 9 ρ ρ = 1 ,

т.е. скорости спутника одинаковы для поверхности Земли и для поверхности планеты.

Пример 7. Вокруг некоторой планеты по круговой орбите радиусом 20 000 км вращается спутник со скоростью 12 км/с. Определить величину ускорения свободного падения на поверхности планеты, если ее радиус равен 12 000 км.

Решение. Ускорение свободного падения на поверхности планеты найдем по формуле

где G = 6,67 ⋅ 10 −11 Н · м 2 /кг 2 - универсальная гравитационная постоянная; M - масса планеты; R - радиус планеты.

Радиус планеты задан в условии задачи, произведение (GM ) можно выразить из формулы для первой космической скорости:

v = G M R + h = G M r ,

где r - радиус орбиты спутника; отсюда искомое произведение

GM = v 2 r .

Подставим (GM ) в выражение для вычисления g 0:

g 0 = v 2 r R 2 .

Расчет позволяет получить значение ускорения свободного падения на поверхности планеты:

g 0 = (12 ⋅ 10 3) 2 ⋅ 2, 0 ⋅ 10 7 (12 ⋅ 10 6) 2 = 20 м/с 2 .

В космосе гравитация обеспечивает силу, из-за которой спутники (такие, как Луна) вращаются по орбитам вокруг более крупных тел (таких, как Земля). Эти орбиты в общем случае имеют форму эллипса, на чаще всего, этот эллипс не сильно отличается от окружности. Поэтому в первом приближении можно считать орбиты спутников круговыми. Зная массу планеты и высоту орбиты спутника над Землей, можно рассчитать, какой должна быть скорость движения спутника вокруг Земли .

Расчет скорости движения спутника вокруг Земли

Вращаясь по круговой орбите вокруг Земли, спутник в любой точке своей траектории может двигаться только с постоянной по модулю скоростью, хотя направление этой скорости будет постоянно изменяться. Какова же величина этой скорости? Её можно рассчитать с помощью второго закона Ньютона и закона тяготения.

Для поддержания круговой орбиты спутника массы в соответствии со вторым законом Ньютона потребуется центростремительная сила: , где — центростремительное ускорение.

Как известно, центростремительное ускорение определяется по формуле:

где — скорость движения спутника, — радиус круговой орбиты, по которой движется спутник.

Центростремительную силу обеспечивает гравитация, поэтому в соответствии с законом тяготения:

где кг — масса Земли, м 3 ⋅кг -1 ⋅с -2 — гравитационная постоянная.

Подставляя все в исходную формулу, получаем:

Выражая искомую скорость , получаем, что скорость движения спутника вокруг Земли равна:

Это формула скорости, которую должен иметь спутник Земли на заданном радиусе (т.е. расстоянии от центра планеты) для поддержания круговой орбиты. Скорость не может меняться по модулю, пока спутник сохраняет постоянный орбитальный радиус, то есть пока он продолжает обращаться вокруг планеты по круговой траектории.

При использовании полученной формулы следует учитывать несколько деталей:

Искусственные спутники Земли, как правило, обращаются вокруг планеты на высоте от 500 до 2000 км от поверхности планеты. Рассчитаем, с какой скоростью должен двигаться такой спутник на высоте 1000 км над поверхностью Земли. В этом случае км. Подставляя числа, получаем:

Материал подготовлен , Сергеем Валерьевичем

Страница 1 из 2

171. Определить период обращения вокруг Солнца искусственной планеты, если известно, что большая полуось ее эллиптической орбиты больше на 10 7 км большой полуоси земной орбиты.

172. Период обращения кометы Галлея вокруг Солнце T = 76 лет. Минимальное расстояние, на котором она проходит от Солнца составляет 180 Гм. Определить максимальное расстояние, на которое комета Галлея удаляется от Солнца. Радиус орбиты Земли принять равным R 0 = 150 Гм.

173. Считая орбиту Земли круговой, определить линейную скорость v движения Земли вокруг Солнца.

174. Период обращения искусственного спутника Земли составляет 3 ч. Считая его орбиту круглой, определить, на какой высоте от поверхности Земли находится спутник.

175. Планета массой М движется по окружности вокруг Солнца со скоростью v (относительно гелиоцентрической системы отсчета). Определить период обращения этой планеты вокруг Солнца.

176. Определите, во сколько раз сила притяжения на Земле больше силы притяжения на Марсе, если радиус Марса составляет 0,53 радиуса Земли, а масса Марса - 0,11 массы Земли.

177. Определить среднюю плотность Земли, считая известными гравитационную постоянную, радиус Земли и ускорение свободного падения на Земле.

178. Две материальные точки массами m 1 и m 2 расположены друг от друга на расстоянии R. Определить угловую скорость вращения, с которой они должны вращаться вокруг общего центра масс, чтобы расстояние между ними осталось постоянным.

179. Два одинаковых однородных шара из одинакового материала, соприкасаясь друг с другом, притягиваются. Определить, как изменится сила притяжения, если массу шаров увеличить в n = 3 раза за счет увеличения их размеров.

180. Определите высоту, на которой ускорение свободного падения составляет 25% от ускорения свободного падения на поверхности Земли.

181. Считая плотность Земли постоянной, определите глубину, на которой ускорение свободного падения составляет 25% от ускорения свободного падения на поверхности Земли.

182. На какой высоте h ускорение свободного падения вдвое меньше его значения на поверхности Земли.

183. Стационарным искусственным спутником Земли называется спутник, находящийся постоянно над оной и той же точкой экватора. Определить расстояние такого спутник до центра Земли.

184. На экваторе некоторой планеты (плотность планеты ρ = 3 г/см 3) тела весят в два раза меньше, чем на полюсе. Определить период обращения планеты вокруг собственной оси.

185. Принимая, что радиус Земли известен, определить, на какой высоте h над поверхностью Земли напряженность поля тяготения равна 4,9 Н/кг.

186. Определить, в какой точке (считая от Земли) на прямой, соединяющей центры Земли и Луны, напряженность поля тяготения равна нулю. Расстояние между центрами Земли и Луны равно R, масса Земли в 81 раз больше массы Луны.

187. Имеется тонкий однородный стержень массой m и длиной l. Для точки, находящейся на одной прямой со стержнем на расстоянии a от его ближайшего конца, определить: 1) потенциал гравитационного поля стержня; 2) напряженность его гравитационного поля.

188. Тонкий однородный диск радиусом R имеет массу m. Определить в точке A, расположенной на оси диска на расстоянии h от него: 1) потенциал гравитационного поля; 2) напряженность гравитационного поля.Вперёд