一球形人造卫星的最大横截面积为A、质量为m,在轨道半径为的高空绕地球做圆周运动.由于受到稀薄空气阻力的作用,导致卫星运行的轨道半径逐渐变小.卫星在绕地球运转很多圈之后,其轨道的高度下降了Δh,由于Δh<r,所以可以将卫星绕地球运动的每一圈均视为匀速圆周运动.设地球可看成质量为M的均匀球体,万有引力常量为G.
(1)求人造卫星在轨道半径为的高空绕地球做圆周运动的周期T;
(2)取无穷远处为零势能点,当卫星的运行轨道半径为时,卫星与地球组成的系统具有的势能可表示为Ep=-GMmr,请估算人造卫星由半径为的圆轨道降低到半径为(r-Δh)的圆轨道的过程中,机械能的变化ΔE;
(3)某同学为估算稀薄空气对卫星的阻力大小,做出了如下假设:卫星运行轨道范围内稀薄空气的密度为ρ,且为恒量;稀薄空气可看成是由彼此不发生相互作用的颗粒组成的,所有的颗粒原来都静止,它们与人造卫星在很短时间内发生碰撞后都具有与卫星相同的速度,在与这些颗粒碰撞的前后,卫星的速度可认为保持不变.在满足上述假设的条件下,请估算空气颗粒对卫星在半径为R轨道上运行时,所受阻力F大小的表达式。
GM
m
r
【答案】(1)人造卫星在轨道半径为的高空绕地球做圆周运动的周期为2;
(2)人造卫星由半径为的圆轨道降低到半径为(r-Δh)的圆轨道的过程中,机械能的变化ΔE为;
(3)所受阻力F大小的表达式为F′=。
π
r
3
GM
(2)人造卫星由半径为的圆轨道降低到半径为(r-Δh)的圆轨道的过程中,机械能的变化ΔE为
-
GM
m
2
(
1
r
-
Δ
h
-
1
r
)
(3)所受阻力F大小的表达式为F′=
ρ
AGM
R
【解答】
【点评】
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