‹ 回去

3.3 卫星环绕速度

万有引力与天体运动 · 高一
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 卫星绕地球做匀速圆周运动时,万有引力完全提供向心力,此时的线速度称为环绕速度。

从哪来 本知识点建立在3.1 向心力之上,利用向心力公式 $F = m\frac{v^2}{r}$ 与万有引力公式 $F = G\frac{Mm}{r^2}$ 的等量关系推导得出。

为什么 卫星在轨道上运行时,只受地球万有引力作用。为了维持圆周运动而不飞离或坠落,引力必须恰好充当向心力。根据牛顿第二定律,$G\frac{Mm}{r^2} = m\frac{v^2}{r}$。消去卫星质量 $m$ 并整理得 $v = \sqrt{\frac{GM}{r}}$。这说明环绕速度仅由中心天体质量 $M$ 和轨道半径 $r$ 决定,与卫星自身质量无关。

生活类比法
适合形象思维强、抽象逻辑较弱的学生。 想象你手里拿着一根绳子拴着一个小球在头顶旋转。如果你转得慢,小球会掉下来(引力大于所需向心力);如果你转得太快,绳子会断或小球飞出去(引力小于所需向心力)。只有当转速恰好让绳子的拉力(类比引力)完全用来改变小球方向而不改变距离时,小球才能稳定绕圈。卫星就是这个“小球”,地球引力就是“绳子拉力”,这个特定的转速对应的速度就是环绕速度。
极限思维法
适合逻辑推理能力强、喜欢探究本质的学生。 从伽利略的理想实验出发:如果从高山顶水平抛出物体,速度越大,落点越远。当速度达到一定值时,地球表面弯曲的程度恰好等于物体下落的程度,物体就永远不会落地,而是绕地球转动。这个临界速度就是第一宇宙速度,也是近地卫星的环绕速度。通过 $v = \sqrt{gR}$ 推导,让学生理解“环绕”是“平抛”的极限情况。
公式推导法
适合数学基础好、偏好直接解题的学生。 直接列出两个核心方程: 1. 万有引力提供向心力:$F_{引} = G\frac{Mm}{r^2}$ 2. 向心力定义式:$F_{向} = m\frac{v^2}{r}$ 联立求解:$G\frac{Mm}{r^2} = m\frac{v^2}{r} \Rightarrow v = \sqrt{\frac{GM}{r}}$。 强调 $M$ 是中心天体质量,$r$ 是轨道半径(地心到卫星距离),而非离地高度。此法直接、高效,便于后续计算。
看不明白?看一段视频 ▾待生成
练一道
基础题
已知地球质量 $M = 6.0 \times 10^{24} \text{ kg}$,万有引力常量 $G = 6.67 \times 10^{-11} \text{ N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2$,地球半径 $R = 6.4 \times 10^6 \text{ m}$。求近地卫星(轨道半径近似为 $R$)的环绕速度。
变式
某卫星在离地面高度 $h = R$ 的轨道上运行(即轨道半径 $r = 2R$),求其环绕速度与近地卫星环绕速度 $v_1$ 的比值。
试试手自己判
检测题
两颗人造卫星 A 和 B 绕地球做匀速圆周运动,A 的轨道半径是 B 的 4 倍。若 B 的环绕速度为 $v$,则 A 的环绕速度为多少?
看答案和判分标准
答案:$v_A = \frac{v}{2}$
判对标准:
1. 正确写出 $v \propto \frac{1}{\sqrt{r}}$ 或 $v = \sqrt{\frac{GM}{r}}$ 关系。
2. 正确代入 $r_A = 4r_B$,得出 $v_A = \sqrt{\frac{GM}{4r_B}} = \frac{1}{2}\sqrt{\frac{GM}{r_B}} = \frac{v}{2}$。
3. 最终答案为 $v/2$ 或 $0.5v$。若答案为 $v/4$ 或 $2v$ 则判错。
容易错在哪儿 ▾点开看
这一步没懂?写一句问老师 ›
内容由卡片自动生成 · 有不对的地方告诉老师
这张卡有问题?告诉老师 ›