卫星飞行速度及周期仅由距地高度决定与质量无关。

设卫星距地面高度为h，地球半径为R，地球质量为M，卫星飞行速度为v，则由万有引力充当向心力可得v=[GM/(R+h)]^½。知道了卫星距离地面的高度，就可确定卫星飞行时的速度大小。

不同高度处人造地球卫星的环绕速度及周期见下表：

　　 ⑴近地卫星。

　　 近地卫星的轨道半径r可以近似地认为等于地球半径R，由式②可得其线速度大小为v₁=7.9×10³m/s；由式③可得其周期为T=5.06×10³s=84min。由②、③式可知，它们分别是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的最大线速度和最小周期。

　　 神舟号飞船的运行轨道离地面的高度为340km，线速度约7.6km/s，周期约90min。

　　 ⑵同步卫星。

“同步”的含义就是和地球保持相对静止，所以其周期等于地球自转周期，即T=24h。由式G=m= m(r+h)可得，同步卫星离地面高度为　 h＝－r＝3·58×10⁷ m即其轨道半径是唯一确定的离地面的高度h=3.6×10⁴km，而且该轨道必须在地球赤道的正上方，运转方向必须跟地球自转方向一致即由西向东。如果仅与地球自转周期相同而不定点于赤道上空，该卫星就不能与地面保持相对静止。因为卫星轨道所在平面必然和地球绕日公转轨道平面重合，同步卫星的线速度　 v==3.07×10³m/s　

通讯卫星可以实现全球的电视转播，从图可知，如果能发射三颗相对地面静止的卫星(即同步卫星)并相互联网，即可覆盖全球的每个角落。由于通讯卫星都必须位于赤道上空3.6×10⁷m处，各卫星之间又不能相距太近，所以，通讯卫星的总数是有限的。设想在赤道所在平面内，以地球中心为圆心隔5⁰放置一颗通讯卫星，全球通讯卫星的总数应为72个。

方法一：地球对卫星的万有引力就是卫星做圆周运动的向心力．

G=m，v=。当h↑，v↓，所以在地球表面附近卫星的速度是它运行的最大速度。其大小为r＞＞h(地面附近)时，=7．9×10³m/s

方法二：在地面附近物体的重力近似地等于地球对物体的万有引力，重力就是卫星做圆周运动的向心力．

．当r＞＞h时．g_h≈g　　 所以v₁＝=7．9×10³m/s

第一宇宙速度是在地面附近h＜＜r，卫星绕地球做匀速圆周运动的最大速度．

①　　　 第一宇宙速度(环绕速度)：v₁=7.9km/s，人造地球卫星的最小发射速度。也是人造卫星绕地球做匀速圆周运动的最大速度。

②　　 第二宇宙速度(脱离速度)：v₂=11.2km/s，使卫星挣脱地球引力束缚的最小发射速度。

③　　 第三宇宙速度(逃逸速度)：v₃=16.7km/s，使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。

　　 原理：天体对它的卫星(或行星)的引力就是卫星绕天体做匀速圆周运动的向心力．

　　 G=mr，由此可得：M=；ρ===(R为行星的半径)

由上式可知，只要用实验方法测出卫星做圆周运动的半径r及运行周期T，就可以算出天体的质量M．若知道行星的半径则可得行星的密度

规律方法　 1、万有引力定律的基本应用

[例1]如图所示，在一个半径为R、质量为M的均匀球体中，紧贴球的边缘挖去一个半径为R/2的球形空穴后，对位于球心和空穴中心连线上、与球心相距d的质点m的引力是多大？

分析 　把整个球体对质点的引力看成是挖去的小球体和剩余部分对质点的引力之和，即可得解．

解 　完整的均质球体对球外质点m的引力

这个引力可以看成是：m挖去球穴后的剩余部分对质点的引力F₁与半径为R/2的小球对质点的引力F₂之和，即F=F₁+F₂．因半径为R/2的小球质量M^/为，

则

所以挖去球穴后的剩余部分对球外质点m的引力

说明　 (1)有部分同学认为，如果先设法求出挖去球穴后的重心位置，然后把剩余部分的质量集中于这个重心上，应用万有引力公式求解．这是不正确的．万有引力存在于宇宙间任何两个物体之间，但计算万有引力的简单公式却只能适用于两个质点或均匀球体，挖去球穴后的剩余部分已不再是均匀球了，不能直接使用这个公式计算引力．

(2)如果题中的球穴挖在大球的正中央，根据同样道理可得剩余部分对球外质点m的引力

上式表明，一个均质球壳对球外质点的引力跟把球壳的质量(7M/8)集中于球心时对质点的引力一样．

[例2]某物体在地面上受到的重力为160 N，将它放置在卫星中，在卫星以加速度a＝½g随火箭加速上升的过程中，当物体与卫星中的支持物的相互压力为90 N时，求此时卫星距地球表面有多远？(地球半径R＝6.4×10³km,g取10m/s²)

解析：设此时火箭上升到离地球表面的高度为h，火箭上物体受到的支持力为N,物体受到的重力为mg^/，据牛顿第二定律．N－mg^/=ma……①

在h高处mg^/＝……②　　 在地球表面处mg=……③

把②③代入①得　　　　 ∴=1.92×10⁴　 km.

说明:在本问题中，牢记基本思路,一是万有引力提供向心力，二是重力约等于万有引力．

[例3]有人利用安装在气球载人舱内的单摆来确定气球的高度。已知该单摆在海平面处的周期是T₀。当气球停在某一高度时，测得该单摆周期为T。求该气球此时离海平面的高度h。把地球看作质量均匀分布的半径为R的球体。

解析：根据单摆周期公式：其中l是单摆长度，g₀和g分别是两地点的重力加速度。根据万有引力公式得其中G是引力常数，M是地球质量。

由以上各式解得

[例4]登月火箭关闭发动机在离月球表面112 km的空中沿圆形轨道运动，周期是120.5 min,月球的半径是1740 km,根据这组数据计算月球的质量和平均密度．

解析：设月球半径为R，月球质量为M，月球密度为ρ，登月火箭轨道离月球表面为h，运动周期为T，火箭质量为m，由GMm/r²=m4π²r/T²得M=4π²r³/(GT²)，ρ=M/V，其中V=4π²R³/3，则F_向=mω²r=m4π²(R+h)/T²，F_引=GMm/(R+h)²，火箭沿轨道运行时有F_引=F_向，即GMm/(R+h)²= m4π²(R+h)/T²

故M=4π²(R+h)³/(GT²)²=7.2×10²²kg,ρ=3M/4πR³=3.26×10³kg/m³

[例5]已知火星上大气压是地球的1/200．火星直径约为球直径的一半，地球平均密度ρ_地=5.5×10³kg/m³，火星平均密度ρ_火=4×10³kg/m³．试求火星上大气质量与地球大气质量之比．

分析 　包围天体的大气被吸向天体的力．就是作用在整个天体表面(把它看成平面时)的大气压力．利用万有引力算出火星上和地球上的重力加速度之比，即可算出它们的大气质量之比．

解　 设火星和地球上的大气质量、重力加速度分别为m_火、g_火、m_地、g_地，火星和地球上的大气压分别为据万有引力公式，火星和地球上的重力加速度分别为

综合上述三式得

[例6]一个宇航员在半径为R的星球上以初速度v₀竖直上抛一物体，经ts后物体落回宇航员手中．为了使沿星球表面抛出的物体不再落回星球表面，抛出时的速度至少为多少？

解析：物体抛出后，受恒定的星球引力作用，做匀减速运动，遵循着在地面上竖直上抛时的同样规律．设星球对物体产生的“重力加速度”为g_x，则由竖直上抛运动的公式得为使物体抛出后不再落回星球表面，应使它所受到的星球引力正好等于物体所需的向心力，即成为卫星发射了出去。_，这个速度即是这个星球上发射卫星的第一宇宙速度。

[例7]在“勇气”号火星探测器着陆的最后阶段，着陆器降落到火星表面上，再经过多次弹跳才停下来。

假设着陆器第一次落到火星表面弹起后，到达最高点时高度为h，速度方向是水平的，速度大小为v₀，求它第二次落到火星表面时速度的大小，计算时不计大气阻力。已知火星的一个卫星的圆轨道半径为r，周期为T。火星可视为半径为r₀的均匀球体。

分析：第一次落到火星表面弹起在竖直方向相当于竖直上抛，在最高点由于只有水平速度故将做平抛运动，第二次落到火星表面时速度应按平抛处理。无论是竖直上抛还是平抛的计算，均要知道火星表面的重力加速度g^/。利用火星的一个卫星的相关数据可以求出g^/。

解：设火星的一个卫星质量为m，任一物体的质量为m^/，在火星表面的重力加速度为g^/，火星的质量为M。

任一物体在火星表面有:……①　　　 火星的卫星应满足：……②

第一次落到火星表面弹起在竖直方向满足：v₁²＝2g^/h……③

第二次落到火星表面时速度应按平抛处理：……④

由以上4式可解得

2、讨论天体运动规律的基本思路

基本方法：把天体的运动看成是匀速圆周运动，其所需向心力由万有引力提供。

[例8]2000年1月26日我国发射了一颗同步卫星，其定点位置与东经98⁰的经线在同一平面内．若把甘肃省嘉峪关处的经度和纬度近似为东经98⁰和北纬α＝40⁰，已知地球半径R、地球自转周期T,地球表面重力加速度g(视为常数)和光速c，试求该同步卫星发出的微波信号传到嘉峪关处的接收站所需的时间(要求用题给的已知量的符号表示)．

解析：设m为卫星质量，M为地球质量，r为卫星到地球中心的距离，ω为卫星绕地心转动的角速度．由万有引力定律和牛顿定律有，式中G为万有引力恒量，因同步卫星绕地心转动的角速度ω与地球自转的角速度相等，有ω=2π/T；因，得GM=gR²．

设嘉峪关到同步卫星的距离为L，如图所示，由余弦定律得：

所求的时间为t＝L/c．

由以上各式得

[例9]在天体运动中，将两颗彼此相距较近的行星称为双星。它们在相互的万有引力作用下间距保持不变，并沿半径不同的同心圆轨道做匀速圆周运动。如果双星间距为L，质量分别为M1和M2，试计算：(1)双星的轨道半径；(2)双星的运行周期；(3)双星的线速度。

解析：因为双星受到同样大小的万有引力作用，且保持距离不变，绕同一圆心做匀速圆周运动，所以具有周期、频率和角速度均相同；而轨道半径、线速度不同的特点。

(1)根据万有引力定律

可得：

(2)同理，还有

所以，周期为

(3)根据线速度公式，

[例10]兴趣小组成员共同协作，完成了下面的两个实验：①当飞船停留在距X星球一定高度的P点时，正对着X星球发射一个激光脉冲，经时间t₁后收到反射回来的信号，此时观察X星球的视角为θ，如图所示．②当飞船在X星球表面着陆后，把一个弹射器固定在星球表面上，竖直向上弹射一个小球，经测定小球从弹射到落回的时间为t₂.

　　 已知用上述弹射器在地球上做同样实验时，小球在空中运动的时间为t，又已知地球表面重力加速度为g，万有引力常量为G，光速为c，地球和X星球的自转以及它们对物体的大气阻力均可不计，试根据以上信息，求：

(1)X星球的半径R；(2)X星球的质量M；(3)X星球的第一宇宙速度v；

(4)在X星球发射的卫星的最小周期T.

解析：(1)由题设中图示可知：

(R+½ct₁)sinθ＝R，∴R=

　(2)在X星球上以v₀竖直上抛t₂＝，在地球上以v₀竖直上抛：t＝，，又由，

(3)mg'＝

　(4)当v达第一宇宙速度时，有最小周期T.　

[例11]天体运动的演变猜想。在研究宇宙发展演变的理论中，有一种说法叫做“宇宙膨胀说”，认为引力常量在慢慢减小。根据这种理论，试分析现在太阳系中地球的公转轨道平径、周期、速率与很久很久以前相比变化的情况。

[解析]地球在半径为R的圆形轨道上以速率v运动的过程中，引力常数G减小了一个微小量，万有

引力公式。由于太阳质量M,地球质量m,r均未改变，万有引力F_引必然随之减小，并小于公转轨道上该点所需的向心力(速度不能突变)。由于惯性，地球将做离心运动，即向外偏离太阳，半径r增大。地球在远离太阳的过程中，在太阳引力的作用下引起速率v减小，运转周期增大。由此可以判断，在很久很久以前，太阳系中地球的公转轨道半径比现在小，周期比现在小，速率比现在大。

　　 由引力常量G在慢慢减小的前提可以分析出太阳系中地球的公转轨道半径在慢慢变大，表明宇宙在不断地膨胀。

试题展示

散　　　　　 专题：人造天体的运动

知识简析　　 一、卫星的绕行角速度、周期与高度的关系

(1)由，得，∴当h↑，v↓

(2)由G=mω²(r+h)，得ω=，∴当h↑，ω↓

(3)由G，得T= ∴当h↑，T↑

设天体表面重力加速度为g,天体半径为R，由mg=得g=,由此推得两个不同天体表面重力加速度的关系为

　 重力是万有引力产生的，由于地球的自转，因而地球表面的物体随地球自转时需要向心力．重力实际上是万有引力的一个分力．另一个分力就是物体随地球自转时需要的向心力，如图所示，由于纬度的变化，物体做圆周运动的向心力F向不断变化，因而表面物体的重力随纬度的变化而变化，即重力加速度g随纬度变化而变化，从赤道到两极逐渐增大．通常的计算中因重力和万有引力相差不大，而认为两者相等，即m₂g＝G, g=GM/r²常用来计算星球表面重力加速度的大小，在地球的同一纬度处，g随物体离地面高度的增大而减小，即g_h=GM/(r+h)²，比较得g_h=()²·g

　 在赤道处，物体的万有引力分解为两个分力F_向和m₂g刚好在一条直线上，则有

　　 F＝F_向+m₂g，

所以m₂g=F一F_向＝G－m₂Rω_自²

因地球目转角速度很小G» m₂Rω_自²,所以m₂g= G

假设地球自转加快，即ω_自变大，由m₂g＝G－m₂Rω_自²知物体的重力将变小，当G=m₂Rω_自²时，m₂g=0，此时地球上物体无重力，但是它要求地球自转的角速度ω_自＝，比现在地球自转角速度要大得多.

(1)内容：宇宙间的一切物体都是互相吸引的，两个物体间的引力大小，跟它们的质量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比．

(2)公式：F＝G,其中，称为为有引力恒量。

(3)适用条件：严格地说公式只适用于质点间的相互作用，当两个物体间的距离远远大于物体本身的大小时，公式也可近似使用，但此时r应为两物体重心间的距离．对于均匀的球体,r是两球心间的距离．

注意：万有引力定律把地面上的运动与天体运动统一起来，是自然界中最普遍的规律之一，式中引力恒量G的物理意义是：G在数值上等于质量均为1千克的两个质点相距1米时相互作用的万有引力．