- 万有引力与航天
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如图所示,同一轨道平面内的几颗人造地球卫星A、B、C绕地球做匀速圆周运动,某时刻它们恰好在同一直线上,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据v=中距离r的变化去判断速度大小关系是错误的,因为随着距离r的变化,g也在改变.
研究卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
v=,其中M为地球质量,r为轨道半径.所以vA<vB<vC.
故A错误.
B、根据
得:ω=,其中M为地球质量,r为轨道半径.所以ωA<ωB<ωC故B错误.
C、卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
a=,其中M为地球质量,r为轨道半径.
所以向心加速度aA<aB<aC.故C正确.
D、研究卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
T=,其中M为地球质量,r为轨道半径.
所以TA>TB>TC.所以运动一周后,C先回到原地点.故D错误.
故选C.
假设地球同步卫星绕地球运行的轨道半径为地球半径的6.6倍,地球赤道平面与地球公转平面共面,站在地球赤道某地的人,日落后4小时的时候,在自己头顶正上方观察到一颗恰好有阳光照亮的人造地球卫星,若该卫星在赤道所在平面内做匀速圆周运动.则此人造卫星( )
正确答案
解析
解:A、如图所示:
太阳光可认为是平行光,O是地心,人开始在A点,这时刚好日落,因为经过24小时地球转一圈,所以经过4小时,地球转了60°,即:∠AOC=60°,此时人已经到了B点,卫星在人的正上方C点,太阳光正好能照到卫星,所以根据∠AOC=60°就能确定卫星的轨道半径为:r=OC=2OA=2R.则卫星距地面高度等于地球半径R.故A正确.
B、设此卫星的运行周期为T1,地球自转的周期为T2,则地球同步卫星的周期也为T2,依据常识知道 T2=24h.
根据开普勒第三定律有:=
代入数据得:T1=14400s=4h.故B正确.
C、由于绕地球运行的周期与同步卫星绕地球运行的周期不等,所以绕地球运行的角速度与同步卫星绕地球运行的角速度不同.故C错误.
D、由v=得:该卫星与同步卫星绕地球运行的速率之比
=
≈1.8,即绕地球运行的速率约为同步卫星绕地球运行速率的1.8倍.故D正确.
故选:ABD
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)宇宙飞船要与空间站对接,飞船为了追上空间站______
A.只能从较低轨道上加速 B.只能从较高轨道上加速
C.只能从空间站同一高度上加速 D.无论在什么轨道上,只要加速都行
(3)已知空间站半径约为6400km,地面重力加速度约为10m/s2,由此计算国际空间站离地面的高度?
正确答案
解:(1)A、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)宇宙飞船要与空间站对接,需从低轨道上加速,使得万有引力不够提供向心力,做离心运动,最终与空间站对接.故A正确,B、C、D错误.
故选:A.
(3)90min=5400s,
根据,
又GM=gR2,
联立两式代入数据解得h=3×105m.
故答案为:(1)AC,(2)A,(3)国际空间站离地面的高度为3×105m.
解析
解:(1)A、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)宇宙飞船要与空间站对接,需从低轨道上加速,使得万有引力不够提供向心力,做离心运动,最终与空间站对接.故A正确,B、C、D错误.
故选:A.
(3)90min=5400s,
根据,
又GM=gR2,
联立两式代入数据解得h=3×105m.
故答案为:(1)AC,(2)A,(3)国际空间站离地面的高度为3×105m.
我国航天事业取得了突飞猛进地发展,航天技术位于世界前列,在航天控制中心对其正上方某卫星测控时,测得从发送操作指令到接收到卫星已操作信息需要的时间为t(设卫星接收到操作信息立即操作,并立即发送已操作信息回中心),若该卫星运行周期为T,地球半径为R,电磁波的传播速度为c,由此可以求出地球的质量为( )
正确答案
解析
解:由x=vt可得:
卫星与地球的距离为x=Ct;
故卫星的半径为:r=R+x=R+Ct;
由万有引力公式可得:
G=m
解得:M=
故选:B.
我国发射的“北斗系列”卫星中同步卫星到地心距离为r,运行速率为v1,向心加速度为a1;在地球赤道上的观测站的向心加速度为a2,近地卫星做圆周运动的速率为v2,向心加速度为a3,地球的半径为R,则下列比值正确的是( )
正确答案
解析
解:同步卫星与近地卫星的向心力由万有引力提供,所以,得卫星的线速度
知,线速度与半径的平方根成反比,故A错误;
因为地球做圆周运动的周期与同步卫星相同,则角速度相同,所以地球表面圆周运动的向心加速度与同步卫星的向心加速度之比为:所以B正确,D错误;
因为观察站绕地球圆周运动时万有引力远大于圆周运动向心力,所以不能根据万有引力提供圆周运动向心力来判定近地卫星和观察站的向心加速度之比,故C错误.
故选:B.
据报道,美国和俄罗斯的两颗卫星在太空相撞,相撞地点位于西伯利亚上空500英里(约805公里).相撞卫星的碎片形成太空垃圾,并在卫星轨道附近绕地球运转,国际空间站的轨道在相撞事故地点下方270英里(434公里).若把两颗卫星和国际空间站的轨道都看做圆形轨道,以下关于上述报道的说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、两颗卫星相撞,说明两卫星轨道有交点,则半径大小相同,故周期一样,加速度一样,因能相撞则说明不可能在同一轨道上.故A错误,B正确.
B、根据万有引力定律和牛顿第二定律得=m
r=m
则得:v=,T=2π
,
则可知,半径大的速度小,周期大,故C错误、D正确;
故选:BD.
2012年6月16日我国成功发射“神舟九号”宇宙飞船.在发射时,“神舟九号”宇宙飞船首先要发射到离地面很近的圆轨道,然后经过多次变轨,最终进入距地面高度为H的对接轨道上做圆周运动.已知地球半径为R,地面附近的重力加速度为g,引力常量为G,求:
(1)地球的质量;
(2)“神舟九号”宇宙飞船在近地圆轨道上运动的速度大小;
(3)“神舟九号”宇宙飞船在对接轨道上运行的周期.
正确答案
解:(1)在地球表面重力与万有引力相等有:
①
可得地球的质量:
(2)神舟九号宇宙飞船在近地轨道上运动时万有引力提供圆周运动向心力有:
=
②
由此可得近地轨道飞船的线速度
(3)在对接轨道上运动时飞船的向心力由万有引力提供有:
③
代入可解得运行周期:
答:(1)地球的质量为;
(2)“神舟九号”宇宙飞船在近地圆轨道上运动的速度大小为;
(3)“神舟九号”宇宙飞船在对接轨道上运行的周期为.
解析
解:(1)在地球表面重力与万有引力相等有:
①
可得地球的质量:
(2)神舟九号宇宙飞船在近地轨道上运动时万有引力提供圆周运动向心力有:
=
②
由此可得近地轨道飞船的线速度
(3)在对接轨道上运动时飞船的向心力由万有引力提供有:
③
代入可解得运行周期:
答:(1)地球的质量为;
(2)“神舟九号”宇宙飞船在近地圆轨道上运动的速度大小为;
(3)“神舟九号”宇宙飞船在对接轨道上运行的周期为.
人造卫星A、B绕地球做匀速圆周运动,A的轨道半径为r,速度为υ.B的质量和轨道半径都是A的2倍,求卫星B的线速度.
正确答案
解:由 得
则=
=
,则
答:B的线速度为.
解析
解:由 得
则=
=
,则
答:B的线速度为.
航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后,在A点短时间开动小型发动机进行变轨,从圆形轨道Ⅰ进入椭圆道Ⅱ,B为轨道Ⅱ上的一点,如图所示,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据开普勒第二定律可知航天飞机在远地点A的速度小于在近地点B的速度,故A错误.
B、从近地圆轨道进入轨道Ⅱ,需要加速,所在轨道Ⅱ上经过B的速度大于近地圆轨道运行速度,
根据v=得近地圆轨道运行速度大于在轨道Ⅰ上的速度,所以在轨道Ⅱ上经过B的速度大于在轨道Ⅰ上的速度,故B正确;
C、由开普勒第三定律=k知,在轨道Ⅱ上运动的周期小于在轨道Ⅰ上运动的周期,故C错误;
D、根据a=,在轨道Ⅱ上经过A的加速度等于在轨道Ⅰ上经过A的加速度,故D正确;
故选:BD.
神舟九号飞船于2012年6月16日从酒泉卫星发射中心发射升空,先后与天宫一号目标飞行器成功进行了自动和手动两次对接.图为对接前天宫一号、神舟九号飞船围绕地球沿圆轨道运行的示意图,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力有:F==
=m
=ma
v=
T=2
a=
天宫一号的轨道半径大于神舟九号飞船,
A、天宫一号的速率小于神舟九号飞船速率,故A错误
B、天宫一号的周期大于神舟九号飞船的周期,故B正确
C、天宫一号的加速度小于神舟九号飞船的加速度,故C错误
D、不清楚天宫一号和神舟九号飞船的质量关系,所以天宫一号的机械能和天宫一号的机械能关系不清楚,故D错误
故选B.
你是否注意到,“神舟”六号宇宙飞船控制中心的大屏幕上出现的一幅卫星运行轨迹图,如图所示,它记录了“神舟”六号飞船在地球表面垂直投影的位置变化;图中表示一段时间内飞船绕地球沿圆周飞行四圈,依次飞经中国和太平洋地区的四次轨迹①.②.③.④,图中分别标出了各地点的经纬度(如:在轨迹①通过赤道时的经度为西经157.5°,绕行一圈后轨迹②再次经过赤道时经度为180°…),从图中你能知道“神舟”六号宇宙飞船的运行周期为______小时,在圆轨道上正常运行时距离地表的距离为______公里.(已知地球的半径为6400公里)
正确答案
1.5
315
解析
解:(1)从图中信息可知,“神舟六号”转一圈,地球自转转过180°-157.5°=22.5°,
所以“神舟六号”的周期为:T==
.
(2)解:(1)飞船绕地球做圆周运动的向心力由万有引力提供,
设地球质量是M,飞船质量是m,轨道半径是r,
由牛顿第二定律可得:--------①
地球表面的物体m′受到的重力等于地球对它的万有引力,
即:m′g=G-----------------②
由①②可以解得:r=,
则飞船离地面的高度h=r-R=-R
代入数据,计算h=315km.
故答案为:1.5、315.
某人造地球卫星因受高空稀薄空气的阻力作用,绕地球运转的轨道会慢慢改变,每次测量中卫星的运动可近似看作圆周运动.某次测量卫星的轨道半径为r1,后来变为r2,以Ek1、Ek2表示卫星在这两个轨道上的动能,T1、T2表示卫星在这两个轨道上绕地运动的周期,则下列说法( )
正确答案
解析
解:由万有引力提供向心力,得:G=m
=m
r得:v=
,T=2π
,卫星的动能 Ek=
=
据题分析可知:r2<r1,则由上式得:Ek2>Ek1、T2<T1.
故选:A.
发射地球同步卫星要经过三个阶段:先将卫星发射至近地圆轨道1,然后使其沿椭圆轨道2运行,最后将卫星送入同步圆轨道3.轨道1、2相切于Q点,轨道2、3相切于P点,如图所示.当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,其中说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力得:a=
,则卫星在轨道2上经过Q点时的加速度等于它在轨道1 上经过Q点时的加速度.故A正确;
B、线速度v=,所以卫星在轨道3上的速度小于它在轨道1上的速度,根据动能定义式得:卫星在轨道3上的动能小于它在轨道1上的动能.故B错误;
C、卫星在轨道3上的引力势能大于它在轨道1上的引力势能,故C错误;
D、卫星从轨道1到轨道3需要克服引力做较多的功,故在轨道3上机械能较大,故D错误.
故选:A.
关于环绕地球运动的卫星,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、分别沿圆轨道和椭圆轨道运行的两颗卫星,可能具有相同的周期,故A错误
B、沿椭圆轨道运行的一颗卫星,在轨道对称的不同位置具有相同的速率,故B正确
C、根据万有引力提供向心力,列出等式:=m
(R+h),其中R为地球半径,h为同步卫星离地面的高度.由于同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,所以T为一定值,根据上面等式得出:同步卫星离地面的高度h也为一定值.故C错误
D、沿不同轨道经过北京上空的两颗卫星,它们的轨道平面不一定重合,但圆心都在地心,故D错误
故选B.
人造卫星绕地球做圆周运动时,卫星离地面的高度越高( )
正确答案
解析
解:卫星距地面越高,则运动半径r越大,根据万有引力提供圆周运动向心力有有:
A、周期T=知半径r越大,周期越大,故A正确;
B、角速度知,半径r越大,角速度ω越小,故B错误;
C、线速度知,半径r越大,线速度v越小,故C错误;
D、向心加速度a=知,半径r越大,向心加速度越小,故D错误.
故选A.
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