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理论推证表明,取离星球中心无穷远处为引力势能的零势点时,以物体在距离星球中心为r处的引力势能可表示

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解决时间 2021-01-02 09:36
理论推证表明,取离星球中心无穷远处为引力势能的零势点时,以物体在距离星球中心为r处的引力势能可表示为:Ep=-GMmr.G为万有引力常数,M、m表示星球与物体的质量,而万有引力做的功等于引力势能的减少量.现已知月球质量为M、半径为R,探月飞船的总质量为m.月球表面的重力加速度为g,万有引力常数G.要将探月飞船从月球表面发送到离月球表面高度为H的环月轨道消耗的能量至少为E.阿聪同学提出了一种计算此能量E的方法:消耗的能量由两部分组成,一部分是克服万有引力做的功W引(等于引力势能的增加量);另一部分是飞船获得的动能EK=12mv2(v为飞船在环月轨道上运行的线速度),最后算出:E=12mv2+W引,请根据阿聪同学的思路算出最后的结果(不计飞船质量的变化及其他天体的引力和月球的自转等影响).
最佳答案
由题意知:
W引=△Ep=?G
Mm
(R+H) ?[?G
Mm
R ]=
GMmH
R(R+H)
飞船在轨道上:
G
Mm
(R+H)2 =m
v2
R+H …①
所以:
1
2 mv2=
GMm
2(R+H)  …②
所发射飞船消耗的能量至少为:
E=
1
2 mv2+W引=
GMm
2(R+H) +
GMmH
R(R+H) =
GMm(R+2H)
2R(R+H) …③
另解:飞船在未发射时,在月球表面:G
Mm
R2 =mg;
所以:GMm=mgR2 …④
④代入③有:E=
mgR(R+2H)
2(R+H)
答:要将探月飞船从月球表面发送到离月球表面高度为H的环月轨道消耗的能量至少为
GMm(R+2H)
2R(R+H) 或者
mgR(R+2H)
2(R+H) .
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