Question

我國發(fā)射的“嫦娥一號”探月衛(wèi)星沿近似于圓的軌道繞月飛行．為了獲得月球表面全貌的信息，讓衛(wèi)星軌道平面緩慢變化，衛(wèi)星將獲得的信息持續(xù)地用微波信號發(fā)回地球．設地球和月球的質量分別為M和m，地球和月球的半徑分別為R和R₁，月球繞地球的軌道半徑和衛(wèi)星繞月球的軌道半徑分別為r和r₁，月球繞地球轉動的周期為T．假定在衛(wèi)星繞月運行的一個周期內，衛(wèi)星軌道平面與地月連心線共面，求在該周期內衛(wèi)星發(fā)射的微波信號因月球遮擋而不能到達地面的時間（用M、m、R、R₁、r、r₁和T表示，忽略月球繞地球轉動對遮擋時間的影響）．

Answer 1

分析：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(wèi)星運動時發(fā)出的信號被遮擋所在的圓�。�
根據萬有引力定律求出探月衛(wèi)星繞月球轉動的周期．
由幾何關系求出發(fā)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：如圖，O和O′分別表示地球和月球的中心．在衛(wèi)星軌道平面上，A是地月連心級OO′與地月球面的公切線ACD的交點，D、C和B分別是該公切線與地球表面、月球表面和衛(wèi)星圓軌道的交點，根據對稱性，過A點在另一側作地月球面的公切線，交衛(wèi)星軌道于E點．衛(wèi)星在圓弧BE上運動時發(fā)出的信號被遮擋．
設探月衛(wèi)星的質量為m₀，萬有引力常量為G，根據萬有引力定律有
G

Mm

r2

=m

4π2

T2

r，
G

mm0

r 2 1

=m₀

4π2

T 2 1

r₁，
得：（

T1

T

）²=

Mr 3 1

mr 3

，
rcos α=R-R₁，r₁ cos β=R₁，

t

T1

=（α-β）

1

π

，
解得：t=

T

π

M r 3 1 mr3

（arccos

R-R1

r

-arccos

R1

r1

），
答：在該周期內衛(wèi)星發(fā)射的微波信號因月球遮擋而不能到達地面的時間是

T

π

M r 3 1 mr3

（arccos

R-R1

r

-arccos

R1

r1

）．

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(qū)域．
數學幾何關系的應用也是解決本題的關鍵．