- 万有引力与航天
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在地球表面发射卫星需要的最小速度是______km/s.月球表面的重力加速度是地球表面重力加速度的,地球的半径约为月球半径的3.6倍.若想在月球表面发射一颗月球的卫星,需要的最小速度是______.
正确答案
7.9
1.7km/s
解析
解:地球的第一宇宙速度为7.9km/s,是发射地球卫星的最小速度,所以在地球表面发射卫星需要的最小速度是7.9km/s,
卫星的最小发射速度也就是该星球的第一宇宙速度,也就是贴近星球表面飞行的卫星的速度,故在忽略星球自转的情况下万有引力等于物体的重力,当卫星贴近地球表面圆周运动运动时有:
mg=m得:v=
则=
所以想在月球表面发射一颗月球的卫星,需要的最小速度是
故答案为:7.9;1.7km/s
我国已于2011年上半年发射“天宫一号”目标飞行器,2011年下半年发射“神舟八号”飞船并与“天宫一号”实现对接.某同学依据上述信息,画出“天宫一号”和“神舟八号”绕地球做匀速圆周运动的假想图如图所示,虚线为各自的轨道.由此假想图,可以判定( )
正确答案
解析
解:A、B、C根据万有引力提供向心力得,=
=ma
则得,T=2π,v=
,a=
故得知,天宫一号的半径大,向心加速度小,线速度小,周期大.故A正确、B、C错误.
D、神舟八号在轨道上减速,由于万有引力大于所需的向心力,神舟八号会做近心运动,离开原轨道,轨道半径减小,不会和天宫一号对接.故D错误.
故选:A.
2014年10月24日,“嫦娥五号”探路兵发射升空,为计划于2017年左右发射的“嫦娥五号”探路,并在8天后以“跳跃式返回技术”成功返回地面.“跳跃式返回技术”指航天器在关闭发动机后进入大气层,依靠大气升力再次冲出大气层,降低速度后再进入大气层.如图所示,虚线为大气层的边界.已知地球半径R,地心到d点距离r,地球表面重力加速度为g.下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A:“嫦娥五号“沿abc轨迹做曲线运动,曲线运动的合力指向曲线弯曲的内侧,所以在b点合力向上,即加速度向上,因此“嫦娥五号“在b点处于超重状态,故A错误.
B、在d点,“嫦娥五号”的加速度a=,又GM=gR2,所以a=
.故B错误.
C、“嫦娥五号”从a点到c,万有引力不做功,由于阻力做功,则a点速率大于c点速率.故C正确.
D、从c点到e点,没有空气阻力,机械能守恒,则c点速率和e点速率相等,故D错误.
故选:C
(2015秋•晋中期末)有a、b、c、d四颗地球卫星,a还未发射,在赤道表面上随地球一起转动,b是近地轨道卫星,c是地球同步卫星,d是高空探测卫星,它们均做匀速圆周运动,各卫星排列位置如图所示,则( )
正确答案
解析
解:A、地球同步卫星的角速度与地球自转的角速度相同,则知a与c的角速度相同,根据a=ω2r知,c的向心加速度大.
由G=mg=ma,得 a=g=
,可知卫星的轨道半径越大,向心加速度越小,则地球同步卫星c的向心加速度小于b的向心加速度,而b的向心加速度约为g,故a的向心加速度小于重力加速度g.故A错误;
B、由G=m
,得 v=
,则知卫星的轨道半径越大,线速度越小,所以b的线速度最大,在相同时间内转过的弧长最长.故B正确;
C、c是地球同步卫星,周期是24h,则c在4h内转过的圆心角是×2π=
.故C错误;
D、由开普勒第三定律 =k知,卫星的轨道半径越大,周期越大,所以d的运动周期大于c的周期24h.故D错误;
故选:B
(2015秋•温州期末)如图所示为电影《星际穿越》中飞船图片,为了模拟地球的重力环境,可以让飞船旋转起来,飞船上物体的加速度指向飞船的中心.已知地球表面重力加速度为g,圆形飞船的最大半径为R,则飞船旋转的角速度为( )
正确答案
解析
解:向心加速度为:a=g=Rω2,得ω=,则B正确
故选:B
2013年12月2日,嫦娥三号发射取得圆满成功,这标志着我国的航空航天技术又迈进了一大步.“嫦娥三号”探月卫星沿地月转移轨道到达距月球表面200km的P点进行第一次“刹车制动”后被月球捕获,进入椭圆轨道I绕月飞行,再经过一次制动进入距月球表而l5km的圆形轨道Ⅱ上绕月球做匀速圆周运动.则下面说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、卫星越高越慢、越低越快,故卫星在轨道Ⅱ上运动的周期将比沿轨道Ⅰ运动的周期短,故A错误;
B、卫星越高越慢、越低越快,故卫星在轨道Ⅱ上运动的周期将比沿轨道Ⅰ运动的周期短,故B正确;
C、卫星在到达月球附近时需进行第一次“刹车制动”是因为卫星到达月球附近时的速度大于月球卫星的第一宇宙速度,不刹车就不会绕月球运动,故C正确;
D、根据牛顿第二定律,有:a=故卫星在轨道Ⅱ上运动的加速度大于沿轨道I运动到P点时的加速度,故D错误;
故选:BC.
地球半径为R,地面上重力加速度为g,在高空绕地球做匀速圆周运动的人造卫星,其线速度的大小可能是( )
正确答案
解析
解:第一宇宙速度是绕地球做圆周运动的最大速度,也是近地轨道上圆周运动的速度,故在近地轨道上卫星的半径为R,所受万有引力与重力相等,则有:
可得第一宇宙速度大小为
,又因为第一宇宙速度是围绕地球做圆周运动的最大线速度,故在高空运行的人造地球卫星的线速度均小于
,对照选项知,AD不满足题意,BC均小于第一宇宙速度有可能.
故选:BC.
最近我国连续发射了多颗“北斗一号”导航定位卫星,预示着我国通讯技术的不断提高.该卫星处于地球的同步轨道,假设其离地高度为h,地球半径为R,地面附近重力加速度为g,则有( )
正确答案
解析
解:A、地球的同步卫星运动周期必须与地球自转周期相同,故知该卫星运行周期为24h.故A正确;
B、根据万有引力等于重力得:,则得:g=
所以得到该卫星所在处的重力加速度与地面附近重力加速度之比为:
则得:该卫星所在处的重力加速度为g′=.故B正确;
C、由万有引力提供向心力,得:T=2π
,则得:
.故C错误.
D、由万有引力提供向心力,得:
,因为r=R+h,GM=R2g,所以线速度为:v=
,动能是
,故D正确.
故选:ABD.
如图所示,a、b、c是在地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造卫星,下列说法中正确的是( )
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
F=F向
F==m
=ma=mr(
)2
解得加速度a=,速度公式v=
,T=2
,
由图可以知道,ra<rb=rc
b、c的线速度大小相等,且小于a的线速度,故A错误;
B、b、c的向心加速度大小相等,且小于a的向心加速度,故B正确;
C、b、c运行周期相同,且大于a的运行周期,故C错误;
D、由于某种原因,a的轨道半径缓慢减小,a的线速度将变大,故D错误
故选B
已知地球半径R,地球表面重力加速度g.卫星m绕地球做圆周运动,轨道半径为r.求:
(1)卫星的加速度a;
(2)卫星的线速度v;
(3)卫星的角速度ω;
(4)卫星的周期T;
(5)卫星的动能n.
正确答案
解:由G=ma=m
=mrω2=mr
①
又GM=gR2 ②
联立以上2式可得:
(1)由G=ma 与GM=gR2:可得a=
(2)由Ga=m
与GM=gR2:可得 v=
(3)由G=ma=m
=mrω2 与GM=gR2 得ω=
(4)G=mr
又GM=gR2 得 T=
(5)n=
答:(1)卫星的加速度a为=
(2)卫星的线速度为
(3)卫星的角速度为
(4)卫星的周期T为T=;
(5)卫星的动能为n
解析
解:由G=ma=m
=mrω2=mr
①
又GM=gR2 ②
联立以上2式可得:
(1)由G=ma 与GM=gR2:可得a=
(2)由Ga=m
与GM=gR2:可得 v=
(3)由G=ma=m
=mrω2 与GM=gR2 得ω=
(4)G=mr
又GM=gR2 得 T=
(5)n=
答:(1)卫星的加速度a为=
(2)卫星的线速度为
(3)卫星的角速度为
(4)卫星的周期T为T=;
(5)卫星的动能为n
如图,地球赤道上的山丘e,近地资源卫星p和同步通信卫星q均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动.设e、p、q的圆周运动速率分别为V1、V2、V3,向心加速度分别为a1、a2、a3,则( )
正确答案
解析
解:A、B、山丘e与同步通信卫星q转动周期相等,根据v=,由于山丘e的轨道半径小于同步通信卫星q的轨道半径,故V1<V3;根据卫星的线速度公式v=
,由于近地资源卫星的轨道半径小于同步通信卫星q的轨道半径,故近地资源卫星的线速度大于同步通信卫星的线速度,即V3<V2;故V1<V3<V2,故A错误,B正确;
C、D、山丘e与同步通信卫星q转动周期相等,根据a=ω2r=,由于山丘e的轨道半径小于同步通信卫星q的轨道半径,故山丘e的轨道加速度大于同步通信卫星q的加速度,即a1<a3;根据卫星的周期公式T=
=2π
,由于近地资源卫星的轨道半径小于同步通信卫星q的轨道半径,故近地资源卫星的加速度小于同步通信卫星的加速度,即a3<a2;故a1<a3<a2,故C错误,D正确;
故选BD.
已知甲、乙两行星的半径之比为a,它们各自的第一宇宙速度之比为b,则下列结论正确的是( )
正确答案
解析
解:A、设任一行星的质量为M,半径为R,则其第一宇宙速度为v=,得,M=
行星的平均密度为 ρ==
=
则得,ρ甲:ρ乙=:
=b2:a2.故A正确.
B、行星表面的重力加速度表达式为g=a=,则得到,甲、乙两行星表面的重力加速度之比为1:a.故B错误.
C、根据开普勒第三定律得知,卫星绕行星表面附近运行时半径最小,周期最小,则角速度最大,则有
T=,ω=
则得,甲、乙两行星各自的卫星的最小周期之比为T甲:T乙=a:b,最大角速度之比为b:a.故C正确,D错误.
故选AC
人造卫星绕地球做匀速圆周运动,若轨道距地面的高度等于地球半径的1.5倍,地球半径为6.4×106m,地面附近的重力加速度g0=π2m/s2,求这颗人造地球卫星的周期是多少?
正确答案
解:在地球表面重力与万有引力相等故有:
可得GM=
万有引力提供圆周运动向心力有:
可得卫星的周期T==
=
=
答:卫星的周期为2×104s.
解析
解:在地球表面重力与万有引力相等故有:
可得GM=
万有引力提供圆周运动向心力有:
可得卫星的周期T==
=
=
答:卫星的周期为2×104s.
“神州”六号飞船发射成功后,进入圆形轨道稳定运行,运转一周的时间为T,地球的半径为R,表面重力加速度为g,万有引力常量为G,试求:
(1)地球的密度;
(2)“神州”六号飞船轨道距离地面的高度.
正确答案
解:
(1)由地球表面万有引力等于重力:
解得:
地球密度为:
(2)对神州六号,由万有引力提供向心力:
又:
联立解得:
答:
(1)地球的密度.
(2)“神州”六号飞船轨道距离地面的高度.
解析
解:
(1)由地球表面万有引力等于重力:
解得:
地球密度为:
(2)对神州六号,由万有引力提供向心力:
又:
联立解得:
答:
(1)地球的密度.
(2)“神州”六号飞船轨道距离地面的高度.
某人造地球卫星沿圆轨道运行,轨道半径是7×106m,周期是6×103s.试从这些数据估算地球的质量(保留两位有效数字).
正确答案
解:设地球的质量为M,卫星的质量为m,万有引力作为向心力F引=Fn
=m
r
M=
轨道半径是7×106m,周期是6×103s.
代入数据解得:M=5.6×1024kg,
答:地球的质量是5.6×1024kg.
解析
解:设地球的质量为M,卫星的质量为m,万有引力作为向心力F引=Fn
=m
r
M=
轨道半径是7×106m,周期是6×103s.
代入数据解得:M=5.6×1024kg,
答:地球的质量是5.6×1024kg.
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