- 万有引力与航天
- 共16469题
(2015秋•海南校级月考)某火星探测器的发射过程的简化图如图所示,首先将该探侧器发射到一停泊测试轨道,使探测器沿椭圆环绕地球运行,其中图中的P点为椭圆轨道上的远地点;在经一系列的变轨进入工作轨道,使探测器在圆轨道上环绕火星运行.已知地球和火星的半径分别为R1,R2,P点距离地面的高度为h1,在工作轨道上探测器距离火星表面的高度为h2,地球表面的重力加速度为g,火星的质量为M,引力常量为G,忽略地球和火星自转的影响,根据以上信息可知( )
正确答案
解析
解:A、探测器沿椭圆环绕地球运行,在P点,不能根据万有引力等于向心力列式,所以不能求出探测器在P点的线速度,故A错误.
B、在P点,根据牛顿第二定律得:G=ma
在地球表面上有:G=m′g,联立解得,探测器在P点的加速度 a=
,即能求出探测器在P点的加速度,故B正确.
C、探侧器环绕火星运行时,有 G=m
(R2+h2),则得 T=2π
,可知,能求出探侧器环绕火星运行的周期,故C正确.
D、在火星表面上有 G=mg火,可得g火=
,故D正确.
故选:BCD
在圆轨道上运动者质量为m的人造地球卫星,它到地面的近距离等于地球的半径R,地球表面的重力加速度为g,则( )
正确答案
解析
解:在地球表面有:可得GM=gR2,卫星绕地球运动万有引力提供圆周运动向心力有:
代入GM可得:
A、线速度,故A错误;
B、周期,故B正确;
C、卫星运动的加速度,故C错误;
D、由C分析知卫星运动的加速度,所以卫星运动所需向心力为
,故D正确;
故选:BD.
研究表明,地球自转在逐渐变慢,3亿年前地球自转的周期约为22小时.假设这种趋势会持续下去,地球的其他条件都不变,未来人类发射的地球同步卫星与现在的相比( )
正确答案
解析
解:设同步卫星的质量为m,轨道半径为r,月球的质量为M,则有:
=mω2r=m
=ma=m
r
T=2π,v=
,ω=
,a=
,
由题意知,现在同步卫星的周期变大,则知,其轨道半径r增大,
则线速度v减小,角速度ω减小,向心加速度减小,距地面高度变大,故A正确,B错误,C正确,D错误.
故选:AC
作匀速圆周运动的人造卫星的轨道半径增大到原来的2倍后仍作匀速圆周运动,则( )
正确答案
解析
解:卫星运动时由万有引力提供圆周运动向心力有:
A、线速度知,轨道半径增加两倍,线速度减小为原来的
,故A错误;
B、向心力由万有引力提供,可知半径增加为原来的2倍,向心力减小为的原来的,故B正确;
C、向心加速度a=,可知半径增大为原来的2部,向心加速度变化原来的
;
D,地球提供的向心力为万有引力,卫星圆周运动万有引力完全提供向心力,由B分析知,D正确.
故选:BD.
神舟再度飞天,中华续写辉煌,北京时间2012年6月16日18时,我国再次进行载人航天试验,神舟九号顺利升空.
(1)在飞船的实验室里,仍然能够使用的仪器是______
A.体重计 B.酒精温度计 C.天平 D.水银气压计
(2)设“神舟九号”飞船在飞行过程中绕地球沿圆轨道运行,已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,飞船绕地球运行的周期为T.求飞船离地面的高度h.
答题处:(1)______ (2)______.
正确答案
解:(1)飞船里的物体处于完全失重状态,体重计、天平、水银气压计都与重力有关,故无法使用,酒精温度计利用热胀冷缩制成,可以使用.故B正确.
(2)根据万有引力等于重力得,
解得GM=gR2.
根据万有引力提供向心力得,
解得h=.
故答案为:B,.
解析
解:(1)飞船里的物体处于完全失重状态,体重计、天平、水银气压计都与重力有关,故无法使用,酒精温度计利用热胀冷缩制成,可以使用.故B正确.
(2)根据万有引力等于重力得,
解得GM=gR2.
根据万有引力提供向心力得,
解得h=.
故答案为:B,.
2009年2月11日,俄罗斯的“宇宙-2251”卫星和美国的“铱-33”卫星在西伯利亚上空约805km处发生碰撞.这是历史上首次发生的完整在轨卫星碰撞事件.碰撞过程中产生的大量碎片可能会影响太空环境.假定有甲、乙两块碎片,绕地球运动的轨道都是圆,甲的运行速率比乙的大,则下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:B、卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,设卫星的质量为m、轨道半径为r、地球质量为M,有
F=F向
F=G
F向=m=mω2r=m(
)2r
因而
G=m
=mω2r=m(
)2r=ma
解得
v= ①
T==2π
②
a= ③
由于甲的运行速率比乙的大,根据①式,可以知道甲的轨道半径较小,故B错;
A、由公式②可知甲的周期小故A错;
C、由于未知两碎片的质量,无法判断向心力的大小,故C错;
D、碎片的加速度是指引力加速度,由③式,可知甲的加速度比乙大,故D对;
故选D.
我国于2013年6月11日17时38分发射“神舟十号”载人飞船,并与“天宫一号”目标飞行器对接.如图所示,开始对接前,“天宫一号”在高轨道,“神舟十号”飞船在低轨道,各自绕地球做匀速圆周运动,距离地面的高度分别为h1和h2(设地球半径为R),“天宫一号”的运行周期约为90分钟.则以下说法正确的是( )
正确答案
解析
解:ABC、根据G=m
=ma=mrω2,又 r=R+h
则得 v=,a=
,ω=
所以“天宫一号”跟“神舟十号”的线速度大小之比为 ,向心加速度大小之比为
,“天宫一号”的角速度比地球同步卫星的角速度大.故A错误,BC正确.
D、第一宇宙速度7.9km/s是卫星绕地球圆周运动的最大,所以“天宫一号”的线速度小于7.9km/s,故D错误.
故选:BC.
发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆形轨道1,然后经点火使其沿椭圆轨道2运行,最后再次点火将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于A点,轨道2、3相切于B点,如图所示,则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,以下说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、人造卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,设卫星的质量为m、轨道半径为r、地球质量为M,有,得
.轨道3半径比轨道1半径大,卫星在轨道1上线速度较大,故A正确;
B、ω==
,轨道3半径比轨道1半径大,卫星在轨道3上角速度较小,故B错误;
C、卫星在轨道1上的速度为7.9 km/s,要过渡到轨道2,在A点应该做离心运动,速度应该增大,选项C正确.
D、根据牛顿第二定律和万有引力定律,得a=
,所以卫星在轨道2上经过B点的加速度等于在轨道3上经过B点的加速度.故D正确.
故选:ACD.
同步卫星与地心的距离为r1,运行速率为v1,向心加速度为a1;近地卫星运行速率为v2,向心加速度为a2;地球赤道上的物体随地球自转的速率为v3,向心加速度为a3;地球半径为r,则下列比值正确的是( )
①=
②
=
③
=
④
=
.
正确答案
解析
解:①根据万有引力提供向心力
=m
,
解得v=,
所以=
,故①正确;
②、根据万有引力提供向心力
a=,
=
,故②错误,③正确;
④同步卫星的角速度和地球自转的角速度相等,由v=ωr得:
=
,故④正确
故选:C
北京时间2008年9月25日,“神舟七号”载人飞船在酒泉卫星发射中心由长征二号运载火箭发射升空.飞船按计划进入预定圆轨道,在圆轨道上绕地球运行n圈所用时间为t,而后安全返回地面,这标志着我国航天技术达到新的水平.已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,求:
(1)飞船的圆轨道离地面的高度;
(2)飞船在圆轨道上运行的速率.
正确答案
解:(1)令地球质量为M,在地球表面重力与万有引力相等有:
可得GM=gR2
飞船在轨道上绕地球运行n圈所用时间为t,则飞船的周期T=,令飞船的高度为h,则根据万有引力提供飞船圆周运动的向心力有:
可解得:h==
(2)同样根据万有引力提供圆周运动向心力有:
可得飞船的速度=
答:(1)飞船的圆轨道离地面的高度为;
(2)飞船在圆轨道上运行的速率.
解析
解:(1)令地球质量为M,在地球表面重力与万有引力相等有:
可得GM=gR2
飞船在轨道上绕地球运行n圈所用时间为t,则飞船的周期T=,令飞船的高度为h,则根据万有引力提供飞船圆周运动的向心力有:
可解得:h==
(2)同样根据万有引力提供圆周运动向心力有:
可得飞船的速度=
答:(1)飞船的圆轨道离地面的高度为;
(2)飞船在圆轨道上运行的速率.
“嫦娥一号”从发射到撞月历时433天,其中,卫星先在近地圆轨道绕行3击,再经过几次变轨进入近月圆轨道绕月飞行.若月球表面的自由落体加速度为地球表面的,月球半径为地球的
,则根据以上数据对两个近地面轨道运行状况分析可得( )
正确答案
解析
解:A、根据近地(近月)飞行时,重力提供圆周运动的向心力可得:
mg=mR()2
可得:周期T=,
所以周期之比=
,故A错误.
B、在星球表面重力和万有引力相等可知:,所以M=
,所以月球和地球的质量之比为:
=
,故B正确.
C、根据近地(近月)飞行时,重力提供圆周运动的向心力可得:a向=g,
所以绕月与绕地飞行向心加速度之比为,故C错误.
D、根据重力提供向心力,得
,所以绕月与绕地飞行线速度之比
,故D错误.
故选:B.
如图所示,极地卫星的运行轨道平面通过地球的南北两极(轨道可视为圆轨道,地球看作均匀球体).若已知一颗极地卫星从北纬300的正上方,按图示方向第一次运行至赤道正上方时所用的时间为0.25h,则同步卫星的线速度v1和该极地卫星的线速度v2大小之比为( )
正确答案
解析
解:从北纬30°的正上方按图示方向第一次运行至南纬60°正上方转过的圆心角为θ=,用时0.75h,故该极地卫星的周期为 T2=3h.
而同步卫星的周期为T1=24h,
由牛顿第二定律得:G=m
得,v=
可得:=
由开普勒第三定律得:=
=64
故有:=
解得:=
故选:C.
三颗卫星都在赤道平面内绕地球做匀速圆周运动,它们的轨道半径分别为r1、r2、r3,且r1>r2>r3,三颗卫星运动过程受到的向心力大小相等,r2为同步卫星轨道半径,则( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力可得=m
解得V=
,由于r1>r2>r3,故V1<V2<V3,故在相同的时间内,卫星1通过的路程最小,故A错误.
B、由于F万=可得,在向心力大小相等的情况下,由于r1>r2>r3,故m1>m2>m3.故B正确.
C、由于F万=ma,由于万有引力相等,而m1>m2>m3,故a1<a2<a3,即卫星1的加速度最小,故C错误.
D、据万有引力提供向心力可得=m
,可得卫星运动的周期T=2πr
,显然轨道半径越大,卫星运动的周期越大,故卫星3的周期小于卫星2的周期,而星2的周期为24小时,故星3的周期小于24小时,故D正确.
故选BD.
“空间站”是科学家进行天文探测和科学实验的特殊而又重要的场所,假设“空间站”正在地球赤道平面内的圆轨道上运行,其离地球表面的高度为同步卫星离地球表面高度的十分之一,且运行方向与地球自转方向一致.下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据可得线速度v=
,离地球表面的高度不是其运动半径,所以线速度之比不是
:1,故A错误;
B、根据可得加速度
,同步卫星离地高度大于空间站离地高度,故其加速度小于空间站加速度,故B正确;
C、轨道半径越大,角速度越小,同步卫星和地球自转的角速度相同,所以空间站的角速度大于地球自转的角速度,所以站在地球赤道上的人观察到空间站向东运动,故C错误;
D、在“空间站”工作的宇航员处于完全失重状态,靠万有引力提供向心力,做圆周运动,而不是不受重力作用,故D错误.
故选:B.
西昌卫星发射中心的火箭发射架上,有一待发射的卫星,它随地球自转的线速度为v1,周期为T1;发射升空后在近地轨道上做匀速圆周运动,线速度为v2、周期为T2;实施变轨后,使其在同步卫星轨道上做匀速圆周运动,线速度为v3、周期为T3.则v1、v2、v3的大小关系是______;T1、T2、T3的大小关系是______.(用“>”或“=”连接)
正确答案
v2>v3>v1
T1=T3>T2
解析
解:对于待发射卫星和同步卫星,角速度相等,根据v=rω知,v3>v1,
由于同步卫星的周期与地球上的物体随地球自转的周期相同,即T1=T3,
根据万有引力提供向心力列出等式
=
=
v=,由于同步卫星的轨道半径大于近地卫星的轨道半径,所以v2>v3,
T=2π,由于同步卫星的轨道半径大于近地卫星的轨道半径,所以T3>T2,
所以v1、v2、v3的大小关系是v2>v3>v1,T1、T2、T3的大小关系是T1=T3>T2 .
故答案为:v2>v3>v1,T1=T3>T2
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