Question

我國發射的“嫦娥一號”探月衛星，實現了國人百年奔月的夢想．
（1）如圖1是某同學對“嫦娥一號”探月衛星繞月運行的可能軌道的猜想，其中不可能實現的是哪個圖對應的軌道，你的理由是什么？

（2）如果宇航員在月球表面上，測出小物塊自由下落h高度所用的時間為t；測出繞月衛星在靠近月球表面圓軌道上飛行時的周期是T，已知萬有引力常量為G．請你用上述各量推導出月球質量的表達式．
（3）某學校物理興趣小組研究“嫦娥一號”探月衛星的發射和運行情況時猜想：衛星要把拍攝到的各種圖片信息，持續不斷地用微波發回地面時，由于月球的遮擋，在地球上總有一段時間接收不到衛星發來的微波信號．為了驗證自己的猜想，他們設計了如圖2所示的電腦模擬實驗：固定地球和月球模型，讓衛星繞月旋轉，在地球上安裝微波接收器，證實了他們的猜想是正確的．
在實驗中他們設計和測量的各類數據是：地球、月球和衛星的質量分別為m_地、m_月和m_衛，衛星繞月球運行的周期為T，軌道半徑為r_衛=2r，地球和月球的半徑分別為r_地=3r和r_月=r，地球與月球之間的質心距離為L=180r．請你求出：在這個模擬實驗中，衛星繞月球運行一個周期的時間內，地球不能接收到衛星發射的微波信號的時間（萬有引力恒量為G，cos89°=

1

90

）．

Answer 1

分析：1、“嫦娥一號”探月衛星的向心力靠月球與衛星間的萬有引力提供，衛星的軌道圓心一定與月球的球心重合．
2、設月球表面的重力加速度為g，物塊自由下落時有h=

1

2

gt2，月球表面的物體受到的重力等于萬有引力mg=G

Mm

R2

，“嫦娥一號”探月衛星的向心力靠月球與衛星間的萬有引力提供G

Mm

R2

=m(

2π

T

)2R，三式聯立方程組，消去g和R，即可解得月球的質量M．
3、根據題意畫出地球和月球的平面示意圖，作出地月球面的公切線，找出衛星運動時發出的信號被遮擋所在的圓弧．根據萬有引力定律求出探月衛星繞月球轉動的周期．由幾何關系求出發出的信號被遮擋所在的圓弧所對應的圓心角，再結合周期求出信號被遮擋的時間．

解答：解：（1）其中不可能實現的是D軌道．
  因為“嫦娥一號”探月衛星的向心力靠月球與衛星間的萬有引力提供，衛星的軌道圓心一定與月球的球心重合．  
（2）設月球表面的重力加速度為g，物塊自由下落時有h=

1

2

gt2
衛星在月球的表面繞行時有
重力等于萬有引力mg=G

Mm

R2

萬有引力提供向心力G

Mm

R2

=m(

2π

T

)2R
三式聯立解得月球的質量 M=

h3T4

2Gπ4t6

（3）根據題意作出運動模型圖，如下圖所示


設地球不能接收到衛星發射的微波信號的時間t，由圖可知

t

T

=

α-β

180°

其中α=∠CO'A
β=∠CO'B
在△DFC中有  Lcosα=r_地-r_月
在△BO'C中有 r_衛cosβ=r_月                                              
把L=180r、r_地=3r、r_衛=2r代入上面兩式聯立解得
cosα=

1

90

，所以α=89°
cosβ=

1

2

 ，所以β=60°
把角α和β的值代入

t

T

=

α-β

180°

解得  t=

29

180

T
答：（1）其中不可能實現的是D軌道．  因為“嫦娥一號”探月衛星的向心力靠月球與衛星間的萬有引力提供，衛星的軌道圓心一定與月球的球心重合．
（2）月球質量的表達式為M=

h3T4

2Gπ4t6

．
（3）在這個模擬實驗中，衛星繞月球運行一個周期的時間內，地球不能接收到衛星發射的微波信號的時間為

29

180

T．

點評：本題的關鍵是要能夠根據題意作出物理情景圖象，找出所要求解的運動區域．數學幾何關系的應用也是解決本題的關鍵．