题目
3.已知地球半径为R,地球表面的重力加-|||-速度为g,地球自转的周期为T,求地球同步卫-|||-星的向心加速度大小。

题目解答
答案

解析
步骤 1:确定地球同步卫星的运动性质
地球同步卫星绕地球做圆周运动,其周期与地球自转周期相同,即为T。因此,卫星的向心加速度可以通过其周期和轨道半径来计算。
步骤 2:利用万有引力定律计算地球同步卫星的向心加速度
设地球同步卫星的质量为m,离地面的高度为h,地球质量为M。根据万有引力定律,地球对卫星的引力提供卫星做圆周运动的向心力,即:
$G\dfrac {Mm}{{(R+h)}^{2}}=ma$,
其中,G是万有引力常数,a是卫星的向心加速度。
步骤 3:利用地球表面的重力加速度计算地球质量
在地球表面,物体受到的重力等于地球对物体的引力,即:
$G\dfrac {Mm'}{{R}^{2}}=m'g$,
其中,m'是物体的质量,g是地球表面的重力加速度。由此可以解出地球质量M:
$M=\dfrac {g{R}^{2}}{G}$。
步骤 4:计算地球同步卫星的轨道半径
地球同步卫星的轨道半径等于地球半径加上卫星离地面的高度,即:
$r=R+h$。
由于卫星的周期与地球自转周期相同,根据圆周运动的公式,可以得到:
$r=\dfrac {vT}{2\pi }$,
其中,v是卫星的线速度。由于卫星的线速度等于其轨道半径乘以角速度,即:
$v=r\omega$,
其中,$\omega$是卫星的角速度,等于$2\pi /T$。因此,可以得到:
$r=\dfrac {r\omega T}{2\pi }=\dfrac {rT}{T}=r$。
由此可以解出卫星的轨道半径r:
$r=\sqrt [3]{\dfrac {GMT^{2}}{4{\pi }^{2}}}$。
步骤 5:计算地球同步卫星的向心加速度
将地球质量M和卫星轨道半径r代入步骤2中的公式,可以得到:
$a=\dfrac {GM}{{(R+h)}^{2}}=\dfrac {g{R}^{2}}{{(R+h)}^{2}}$。
将步骤4中的卫星轨道半径r代入上式,可以得到:
$a=\dfrac {g{R}^{2}}{{r}^{2}}=\dfrac {g{R}^{2}}{{(\sqrt [3]{\dfrac {GMT^{2}}{4{\pi }^{2}}})}^{2}}=\sqrt [3]{\dfrac {16{\pi }^{4}g{R}^{2}}{{T}^{4}}}$。
地球同步卫星绕地球做圆周运动,其周期与地球自转周期相同,即为T。因此,卫星的向心加速度可以通过其周期和轨道半径来计算。
步骤 2:利用万有引力定律计算地球同步卫星的向心加速度
设地球同步卫星的质量为m,离地面的高度为h,地球质量为M。根据万有引力定律,地球对卫星的引力提供卫星做圆周运动的向心力,即:
$G\dfrac {Mm}{{(R+h)}^{2}}=ma$,
其中,G是万有引力常数,a是卫星的向心加速度。
步骤 3:利用地球表面的重力加速度计算地球质量
在地球表面,物体受到的重力等于地球对物体的引力,即:
$G\dfrac {Mm'}{{R}^{2}}=m'g$,
其中,m'是物体的质量,g是地球表面的重力加速度。由此可以解出地球质量M:
$M=\dfrac {g{R}^{2}}{G}$。
步骤 4:计算地球同步卫星的轨道半径
地球同步卫星的轨道半径等于地球半径加上卫星离地面的高度,即:
$r=R+h$。
由于卫星的周期与地球自转周期相同,根据圆周运动的公式,可以得到:
$r=\dfrac {vT}{2\pi }$,
其中,v是卫星的线速度。由于卫星的线速度等于其轨道半径乘以角速度,即:
$v=r\omega$,
其中,$\omega$是卫星的角速度,等于$2\pi /T$。因此,可以得到:
$r=\dfrac {r\omega T}{2\pi }=\dfrac {rT}{T}=r$。
由此可以解出卫星的轨道半径r:
$r=\sqrt [3]{\dfrac {GMT^{2}}{4{\pi }^{2}}}$。
步骤 5:计算地球同步卫星的向心加速度
将地球质量M和卫星轨道半径r代入步骤2中的公式,可以得到:
$a=\dfrac {GM}{{(R+h)}^{2}}=\dfrac {g{R}^{2}}{{(R+h)}^{2}}$。
将步骤4中的卫星轨道半径r代入上式,可以得到:
$a=\dfrac {g{R}^{2}}{{r}^{2}}=\dfrac {g{R}^{2}}{{(\sqrt [3]{\dfrac {GMT^{2}}{4{\pi }^{2}}})}^{2}}=\sqrt [3]{\dfrac {16{\pi }^{4}g{R}^{2}}{{T}^{4}}}$。