- 万有引力与航天
- 共16469题
人造卫星甲、乙分别绕地球做匀速圆周运动,卫星乙是地球同 步卫星,卫星甲、乙的轨道平面互相垂直,乙的轨道半径是甲 轨道半径的
倍,某时刻两卫星和地心在同一直线上,且 乙在甲的正上方(称为相遇),如图所示.在这以后,甲运动8 周的时间内,它们相遇了( )
正确答案
解析
解:根据万有引力等于向心力,
ω=
乙的轨道半径是甲 轨道半径的倍,
所以ω甲=5ω乙.
所以甲的周期是,所以甲每转了两周半就会与乙相遇,
所以甲运动8 周的时间内,它们相遇了3次,
故选 B.
(2015秋•无锡期末)卫星释放后,有两颗卫星a、b的轨道如图所示,其中a卫星的轨道半径略小,则下列判断中正确的是( )
正确答案
解析
解:卫星近似的做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律,有:
解得:
①
②
③
④
A、根据④式,a卫星的轨道半径略小,故a卫星的周期略小,即Ta<Tb,故A错误;
B、根据②式,a卫星的轨道半径略小,故a卫星的线速度略大,即Va>Vb,故B正确;
C、根据③式,a卫星的轨道半径略小,故a卫星的角速度略大,故ωa>ωb,故C错误;
D、根据①式,a卫星的轨道半径略小,故a卫星的向心加速度略大,故aa>ab,故D错误;
故选:B
近地侦察卫星在通过地球两极上空的圆轨道(轨道平面垂直于赤道平面)上运行,连续两次经过日照条件下的赤道上空时,恰能正对赤道上经度差为30°的两个军事目标进行拍摄.求(1)卫星的运行周期(2)卫星离地面的高度(3)卫星的线速度.设地球半径为R,地面处的重力加速度为g,地球自转的周期为T.
正确答案
解:(1)由题可知卫星绕行一周,地球自转过30°,
所以卫星周期为
(2)设卫星离地面的高度为h,根据万有引力提供向心力列出等式
则
又
得h=
(3)根据圆周运动的公式得
得
答:(1)卫星的运行周期是
(2)卫星离地面的高度是
(3)卫星的线速度是.
解析
解:(1)由题可知卫星绕行一周,地球自转过30°,
所以卫星周期为
(2)设卫星离地面的高度为h,根据万有引力提供向心力列出等式
则
又
得h=
(3)根据圆周运动的公式得
得
答:(1)卫星的运行周期是
(2)卫星离地面的高度是
(3)卫星的线速度是.
“嫦娥三号”于2013年12月2日凌晨在四川省西昌卫星发射中心发射升空,先后经过近月制动、环月圆轨道飞行(轨道高度距月表100km)、变轨控制进入环月椭圆轨道运行等动作,在着陆准备阶段“嫦娥三号”从距月表15km的近月点(着陆制动点)开始在7500N的变推力空间发动机的作用下开始减速,在距月表100m时悬停,借“眼睛”观测着陆区状况,由于月球表面没有空气,所以不能使用降落伞实现“嫦娥三号”的软着陆,而用空间发动机向下喷气实现软着陆又会吹起月球表的尘埃而影响“嫦娥三号”着陆后的工作,为此要在“嫦娥三号”落至距月表4m高时再次使其速度减为零,并关闭所有发动机,使“嫦娥三号”直接落向月表.
已知月球半径是地球半径的,质量是地球质量的
,地球表面的重力加速度为g=10m/s2,地球的半径R=6.4×106m,“嫦娥三号”的质量m=140kg.求:
(1)“嫦娥三号”在环月圆轨道上运动的速度大小;(保留2位有效数字)
(2)“嫦娥三号”软着陆时到达月表的速度的大小;(保留2位有效数字)
(3)从悬停在100m处至落到月球表面的过程中,空间发动机对“嫦娥三号”所做的功.
正确答案
解:(1)据星球表面重力与万有引力相等有
可得星球表面的重力加速度g=
所以可得月球表面的重力加速度
对于月球的半径R′==1.75×106m
所以有:
在环月轨道上有:
可得=
=
=1.6×103m/s
(2)嫦娥三号软着陆过程中为自由落体运动,据自由落体运动规律可知,到达月球表面的速度
=3.6m/s
(3)从悬停在100m处至落到月球表面的过程中,只有月球重力和发动机对嫦娥三号做功,根据动能定理可得:
mg′H+W=0-0
可得W=-mg′H=-140×1.6×(100-4)J=-21504J
答:(1)“嫦娥三号”在环月圆轨道上运动的速度大小1.6×103m/s;
(2)“嫦娥三号”软着陆时到达月表的速度的大小为3.6m/s;
(3)从悬停在100m处至落到月球表面的过程中,空间发动机对“嫦娥三号”所做的功为-21504J.
解析
解:(1)据星球表面重力与万有引力相等有
可得星球表面的重力加速度g=
所以可得月球表面的重力加速度
对于月球的半径R′==1.75×106m
所以有:
在环月轨道上有:
可得=
=
=1.6×103m/s
(2)嫦娥三号软着陆过程中为自由落体运动,据自由落体运动规律可知,到达月球表面的速度
=3.6m/s
(3)从悬停在100m处至落到月球表面的过程中,只有月球重力和发动机对嫦娥三号做功,根据动能定理可得:
mg′H+W=0-0
可得W=-mg′H=-140×1.6×(100-4)J=-21504J
答:(1)“嫦娥三号”在环月圆轨道上运动的速度大小1.6×103m/s;
(2)“嫦娥三号”软着陆时到达月表的速度的大小为3.6m/s;
(3)从悬停在100m处至落到月球表面的过程中,空间发动机对“嫦娥三号”所做的功为-21504J.
按照我国月球探测活动计划,在第一步“绕月”工程圆满完成任务后,第二步“落月”工程在2013年前已完成,假设月球半径为R,飞船沿距月球表面高度为3R的圆形轨道Ⅰ运动,到达轨道的A点,点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ,到达轨道Ⅱ的近月点B再次点火进入近月轨道Ⅲ绕月球做圆周运动,下列判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、飞船在A点变轨,做近心运动,万有引力大于向心力,知点火减速,动能减小.故A错误;
B、根据万有引力等于向心力
=mω2r=m
角速度ω=,
所以飞船在轨道Ⅰ上的运行角速度是在轨道Ⅲ上运行角速度的倍,故B错误;
C、v=,飞船在轨道Ⅰ上的运行和在轨道Ⅲ上运行的轨道半径之比是4:1.
所以飞船在轨道Ⅰ上的运行速率是在轨道Ⅲ上运行速率的倍,故C正确;
D、飞船在Ⅱ轨道上由A点运动到B点的过程中,万有引力做正功,动能增大,所以飞船在A点的线速度小于在B点的线速度,故D错误;
故选:C.
一颗卫星以轨道半径r绕一半径为R的行星做圆周运动,运行周期为T.已知万有引力常量为G,求:
(1)该行星的质量为M
(2)该行星的表面的重力加速度g
(3)该行星的第一宇宙速度v.
正确答案
解:(1)据万有引力提供圆周运动向心力有可得:
(2)根据得:
g=
(3)根据得:
v=
答:(1)该行星的质量为M为;
(2)该行星的表面的重力加速度g为;
(3)该行星的第一宇宙速度v为.
解析
解:(1)据万有引力提供圆周运动向心力有可得:
(2)根据得:
g=
(3)根据得:
v=
答:(1)该行星的质量为M为;
(2)该行星的表面的重力加速度g为;
(3)该行星的第一宇宙速度v为.
中国“嫦娥一号”绕月探测卫星完成三次近月制动后,成功进入周期T=127min、高度h=200km的近月圆轨道.
(1)已知月球半径为R=1.72×106 m,求卫星在高度200km的圆轨道上运行的速度υ和轨道处的重力加速度g.
(2)“嫦娥一号”轨道的近月点到月球球心的距离r近=193km,远月点到月球球心的距离r远=194km.张明、王玉两同学利用不同方法分别计算出卫星经过近月点时速度v近、近月点到月球球心的距离r近和经过远月点时速度υ远、远月点到月球球心的距离r远的关系.
张明的方法:=
=
由(1)、(2)得υ-υ=
(r-r)=g(r-r)
王玉的方法:
mυ-
mυ=mg(r-r) 得υ-υ=2g(r-r)
请分别对这两个同学的计算方法作一评价,并估算从远月点到近月点卫星动能的增量.(卫星质量为1650kg,结果保留两位有效数字)
正确答案
解:(1)“嫦娥一号”卫星绕月做匀速圆周运动,则运行速度 υ= ①
代入得 υ==1.6×103(m/s) ②
由mg=m得:g=
=
=1.3 (m/s2) ③
(2)张明的思路方法错误,因为卫星绕月球做椭圆运动时,在远月点和近月点做的不是匀速圆周运动,不能由万有引力等于向心力求速度.
王玉的方法正确,但所列方程式是错误的.④
由动能定理得
△Ek=mg(r远-r近)=1650×1.3×(1.94-1.93)×105=2.1×106(J) ⑤
答:
(1)卫星在高度200km的圆轨道上运行的速度υ是1.6×103m/s,轨道处的重力加速度g是1.3m/s2.
(2)张明的思路方法错误,因为卫星绕月球做椭圆运动时,在远月点和近月点做的不是匀速圆周运动,不能由万有引力等于向心力求速度.王玉的方法正确,但所列方程式是错误的.从远月点到近月点卫星动能的增量为为2.1×106J.
解析
解:(1)“嫦娥一号”卫星绕月做匀速圆周运动,则运行速度 υ= ①
代入得 υ==1.6×103(m/s) ②
由mg=m得:g=
=
=1.3 (m/s2) ③
(2)张明的思路方法错误,因为卫星绕月球做椭圆运动时,在远月点和近月点做的不是匀速圆周运动,不能由万有引力等于向心力求速度.
王玉的方法正确,但所列方程式是错误的.④
由动能定理得
△Ek=mg(r远-r近)=1650×1.3×(1.94-1.93)×105=2.1×106(J) ⑤
答:
(1)卫星在高度200km的圆轨道上运行的速度υ是1.6×103m/s,轨道处的重力加速度g是1.3m/s2.
(2)张明的思路方法错误,因为卫星绕月球做椭圆运动时,在远月点和近月点做的不是匀速圆周运动,不能由万有引力等于向心力求速度.王玉的方法正确,但所列方程式是错误的.从远月点到近月点卫星动能的增量为为2.1×106J.
已知地球的半径为R=6400km,地球表面的重力加速度为g=10m/s2.一颗人造地球卫星在距地面高h=3R的轨道上绕地心做匀速圆周运动,试求该卫星的绕行速度的大小.
正确答案
解:设地球质量为M,人造卫星质量为m,地面处一个物体质量为m′
对卫星,万有引力提供向心力:=m
对地面物体,重力等于万有引力:=m′g
联立二式解得:v==4×103m/s.
答:此卫星的线速度大小为4×103m/s.
解析
解:设地球质量为M,人造卫星质量为m,地面处一个物体质量为m′
对卫星,万有引力提供向心力:=m
对地面物体,重力等于万有引力:=m′g
联立二式解得:v==4×103m/s.
答:此卫星的线速度大小为4×103m/s.
如图所示,A、B、C是在地球大气层外圆形轨道上运动的3颗卫星,下列说法不正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,解得
,v=
.因为B、C的轨道半径相等,则线速度大小、向心加速度大小相等,A的轨道半径小,则A色线速度大,向心加速度大.故A、B正确.
C、C加速后由于速度增加,万有引力不够提供向心力,做离心运动,脱离原轨道,不能追上同一轨道上的B.B减速,万有引力大于向心力,做近心运动,也会脱离原轨道,不能与C相遇.故C错误.
D、A卫星的轨道半径减小,知万有引力做正功,则线速度增大.故D正确.
本题选不正确的,故选C.
1957年10月4日,前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星以来,人类活动范围从陆地、海洋、大气层扩展到宇宙空间,宇宙空间成为人类的第四疆域,人类发展空间技术的最终目的是开发太空资源.
(1)宇航员在围绕地球做匀速圆周运动的航天飞机中,会处于完全失重的状态,下列说法正确的是______
A.宇航员仍受重力作用 B.宇航员受力平衡
C.重力正好为向心力 D.宇航员不受任何力的作用
(2)已知空间站周期为T,地面重力加速度约为g,地球半径为R.由此可计算出国际空间站离地面的高度为______.
正确答案
AC
解析
解:(1)ACD、宇航员在围绕地球做匀速圆周运动的空间站中会处于完全失重状态,此时宇航员仍受重力的作用,而且宇航员受的重力正好充当向心力,故AC正确、D错误;
B、宇航员受的重力正好充当向心力,产生向心加速度,并不是处于受力平衡状态,故B错误;
故选:AC.
(2)根据万有引力提供向心力,得
又因为在地球表面的物体受到的重力等于万有引力,得GM=R2g
所以国际空间站离地面的高度为
故答案为:(1)AC;(2).
观测人造卫星的运动是测量地球质量的重要方法之一,如果已知人造卫星绕地球做匀速圆周运动的周期为T,轨道半径为r,引力常量为G,则可求出地球的质量为( )
正确答案
解析
解:卫星绕地球圆周运动时,万有引力提供圆周运动向心力有:
依此解得地球的质量为:M=
故选:A.
物体在万有引力场中具有的势能叫做引力势能.取两物体相距无穷远时的引力势能为零,一个质量为m0的质点距离质量为M0的引力源中心为r0时.其引力势能Ep=-(式中G为引力常数).现有一颗质量为m的人造地球卫星以圆形轨道环绕地球飞行,由于受高空稀薄空气的阻力作用,卫星的圆轨道半径从r1缓慢减小到r2.已知地球的半径为R,地球表面的重力加速度为g,求此过程中卫星克服空气阻力做功Wf.(用m、R、g、表示)
正确答案
解:卫星在圆轨道半径从r1上时,根据万有引力提供向心力:
得
所以.
卫星的总机械能:=
同理:卫星的圆轨道半径从r2上时,
卫星的总机械能:
卫星的圆轨道半径从r1逐渐减小到r2.在这个过程中客服空气阻力做功为Wf,等于卫星机械能的减少:=
.
答:此过程中卫星克服空气阻力做功Wf为.
解析
解:卫星在圆轨道半径从r1上时,根据万有引力提供向心力:
得
所以.
卫星的总机械能:=
同理:卫星的圆轨道半径从r2上时,
卫星的总机械能:
卫星的圆轨道半径从r1逐渐减小到r2.在这个过程中客服空气阻力做功为Wf,等于卫星机械能的减少:=
.
答:此过程中卫星克服空气阻力做功Wf为.
2008年9月25日21点10分,我国“神舟”七号载人飞船发射成功,飞船绕地球45.5圈后,于9月28日17点25分安全返回,历时68小时15分.若把“神舟”七号载人飞船的绕地运行看作是在同一轨道上的匀速圆周运动,已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g.
(1)试估算“神舟”七号载人飞船绕地球运行的周期T为多少?
(2)设“神舟”七号载人飞船绕地球运行的周期为T、地球表面的重力加速度为g、地球半径为R,引力常量为G,请计算地球的质量M和飞船飞行的高度h分别为多少?(不必代入数据计算).
正确答案
解:(1)飞船绕地球运行的周期T=.
(2)根据万有引力等于重力得,,解得地球的质量M=
.
根据,GM=gR2得,
h=.
答:(1)“神舟”七号载人飞船绕地球运行的周期T为90min.
(2)地球的质量M为,高度h为
.
解析
解:(1)飞船绕地球运行的周期T=.
(2)根据万有引力等于重力得,,解得地球的质量M=
.
根据,GM=gR2得,
h=.
答:(1)“神舟”七号载人飞船绕地球运行的周期T为90min.
(2)地球的质量M为,高度h为
.
如图所示,A是静止在赤道上的物体,随地球自转而做匀速圆周运动.B、C是同一平面内两颗人造卫星,B位于离地高度等于地球半径的圆形轨道上,C是地球同步卫星.已知第一宇宙速度为v,物体A和卫星B、C的线速度大小分别为vA、vB、vC,周期大小分别为TA、TB、TC,则下列关系正确的是( )
正确答案
解析
解:A、地球赤道上的物体与同步卫星具有相同的角速度,所以ωA=ωC,根据v=rω,C的线速度大于A的线速度.
根据v=得B的线速度大于C的线速度,但均小于第一宇宙速度;故AD错误,B正确;
C、卫星C为同步卫星,所以TA=TC,根据T=2π得C的周期大于B的周期,故C正确
故选:BC
假如一做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍,仍做圆周运动,则( )
正确答案
解析
解:A、当轨道半径变化时,万有引力变化,卫星的角速度ω=随着变化,所以,不能用公式v=rω讨论卫星的线速度变化,故A错误.
B、当轨道半径变化时,万有引力变化,向心力也变化了,故不能用公式F=m 讨论卫星的速度变化,故B错误.
C、当轨道半径变化时,万有引力变化,卫星的线速度v=随着变化,所以,不能用公式F=m
讨论卫星的向心力变化,故C错误.
D、人造卫星的轨道半径增大到原来的2倍,由公式F=G 可知地球提供的向心力将减小到原来的
,故D正确.
故选:D.
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