Question

（2008?茂名模擬）地球質(zhì)量為M，半徑為R，自轉(zhuǎn)角速度為ω，萬有引力恒量為G，如果規(guī)定物體在離地球無窮遠(yuǎn)處勢(shì)能為0，則質(zhì)量為m的物體離地心距離為r時(shí)，具有的萬有引力勢(shì)能可表示為Ep=-G

Mm

r

．國(guó)際空間站是迄今世界上最大的航天工程，它是在地球大氣層上空繞地球飛行的一個(gè)巨大人造天體，可供宇航員在其上居住和科學(xué)實(shí)驗(yàn)．設(shè)空間站離地面高度為h，如果在該空間站上直接發(fā)射一顆質(zhì)量為m的小衛(wèi)星，使其能到達(dá)地球同步衛(wèi)星軌道并能在軌道上正常運(yùn)行，求該衛(wèi)星在離開空間站時(shí)必須具有多大的初動(dòng)能？

Answer 1

分析：根據(jù)萬有引力提供向心力求出衛(wèi)星在同步軌道上的動(dòng)能，以及通過萬有引力勢(shì)能的表達(dá)式求出衛(wèi)星在同步軌道上的引力勢(shì)能，從而得出在同步軌道上同步衛(wèi)星的機(jī)械能，根據(jù)機(jī)械能守恒定律求出衛(wèi)星在空間站上的機(jī)械能，結(jié)合引力勢(shì)能的大小求出衛(wèi)星在離開空間站時(shí)必須具有的初動(dòng)能．

解答：解：由G

Mm

r2

=

mv2

r

得，衛(wèi)星在空間站上動(dòng)能為Ek=

1

2

mv2=G

Mm

2(R+h)

衛(wèi)星在空間站上的引力勢(shì)能為EP=-G

Mm

(R+h)

機(jī)械能為E1=Ek+Ep=-G

Mm

2(R+h)

同步衛(wèi)星在軌道上正常運(yùn)行時(shí)有G

Mm

r2

=mω2r
故其軌道半徑r=

3	GM ω2

由上式可得同步衛(wèi)星的機(jī)械能E2=-G

Mm

2r

=-

1

2

m

3	G2M2ω2

衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒，故離開航天飛機(jī)的衛(wèi)星的機(jī)械能應(yīng)為E₂，
設(shè)離開航天飛機(jī)時(shí)衛(wèi)星的初動(dòng)能為E_k0
則E_k0=E2-Ep=-

1

2

m

3	G2M2ω2

+G

Mm

R+h

．
答：該衛(wèi)星在離開空間站時(shí)必須具有初動(dòng)能為-

1

2

m

3	G2M2ω2

+G

Mm

R+h

．

點(diǎn)評(píng)：解決本題的關(guān)鍵知道衛(wèi)星在運(yùn)行的過程中機(jī)械能守恒，以及掌握萬有引力提供向心力這一理論，并能靈活運(yùn)用．