“万有引力”小于“向心力”?
矛盾的提出:
例题:(2019·江苏卷)1970年成功发射的“东方红一号”是我国第一颗人造地球卫星,该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运动。如图所示,设卫星在近地点、远地点的速度分别为v1、v2,近地点到地心的距离为r,地球质量为M,引力常量为G。则()
A.v1>v2,v1=
B.v1>v2,v1>
C.v1<v2,v1=
D.v1<v2,v1>
但有同学在分析时提出如下疑问:
卫星经过近地点时,速度v1与椭圆长轴垂直,所受万有引力沿长轴指向地心,即万有引力没有切向分量,那么万有引力应该等于向心力。凭什么说万有引力小于需要的向心力呢?
疑问解决:
一、处理一般曲线运动的方法
对于一般的曲线运动,轨迹曲线在各个位置的弯曲程度不一样,但在研究时,可以把这条曲线分割为许多很短的小段,质点在每小段的运动都可以看作圆周运动的一部分,这样,在分析质点经过曲线上某位置的运动时,就可以采用圆周运动的分析方法来处理了。
二、卫星经过近地点时的分析
过近地点做椭圆的内切圆,卫星经过近地点即可以看作是沿内切圆做圆周运动,万有引力提供向心力。设该内切圆的半径为,则有:。
而卫星实际上是绕着地心在运动,假设绕地心以速度v1做匀速圆周运动,则需要的向心力为:(提供的向心力为:。)
因此,只需要搞清楚和的关系,即可搞清楚供需关系,进而理解卫星为什么做离心运动。
三、和的关系分析
设椭圆的参数方程为:;(),由高等数学的相关知识可知椭圆上(x,y)处的曲率半径:;
可知在或时,;又:,故:
;,所以:
四、结论
因为,所以在经过近地点时卫星受到的万有引力小于它绕地心以速度v1做圆周运动所需要的向心力,即,卫星做离心运动。
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