- 万有引力与航天
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2012年10月25日,我国将第十六颗北斗卫星“北斗-G6”送入太空,并定点于地球静止轨道东经110.5°.由此,具有完全自主知识产权的北斗系统将首先具备为亚太地区提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并具短报文通信能力.其定位精度优于20m,授时精度优于100ns.关于这颗“北斗-G6”卫星以下说法中正确的有( )
正确答案
解析
解:A、同步卫星运行轨道只能位于地球赤道平面上的圆形轨道,所以北斗导航卫星不可能与东经110.5°的经线平面重合,也不可能定点于杭州正上方,故A、B错误,
C、根据v=,r越大,v越小.同步卫星距离地球的高度约为36000 km,所以该卫星正常运行时的速度比离地350公里高的天宫一号空间站线速度小.故C错误;
D、同步卫星运行周期与地球自转一周的时间相等,故D正确
故选D.
设想宇航员完成了对火星表面的科学考察任务,乘坐返回舱围绕火星做圆周运动的轨道舱.为了安全,返回舱与轨道舱对接时,二者必须具有相同的速度.返回舱在返回过程中需克服火星引力做功W=mgR(1-
),式中各量分别为:返回舱与人的总质量为m,火星表面重力加速度为g,火星半径为R,轨道舱到火星中心的距离为r,如图所示.不计火星表面大气对返回舱的阻力和火星自转的影响.求:
(1)返回舱与轨道舱对接时,返回舱的动能;
(2)该宇航员乘坐的返回舱至少需要获得多少能量,才能返回轨道舱?
正确答案
解:(1)设火星的质量为M,轨道舱的质量为m1.在火星表面处有
轨道舱绕火星做圆周运动时,应有
对接时,返回舱与轨道舱的速度相等.由以上两式解得
所以对接时返回舱的动能为
(2)设返回舱返回过程中需要的能量为E,由能量守恒定律知,E-W=Ek,
∵返回舱返回过程克服引力做功W=mgR(1-)
∴
答:(1)返回舱与轨道舱对接时,返回舱的动能为;
(2)该宇航员乘坐的返回舱至少需要获得的能量,才能返回轨道舱.
解析
解:(1)设火星的质量为M,轨道舱的质量为m1.在火星表面处有
轨道舱绕火星做圆周运动时,应有
对接时,返回舱与轨道舱的速度相等.由以上两式解得
所以对接时返回舱的动能为
(2)设返回舱返回过程中需要的能量为E,由能量守恒定律知,E-W=Ek,
∵返回舱返回过程克服引力做功W=mgR(1-)
∴
答:(1)返回舱与轨道舱对接时,返回舱的动能为;
(2)该宇航员乘坐的返回舱至少需要获得的能量,才能返回轨道舱.
如图所示,将某卫星由地球表面发射到h高度的轨道上,与在该轨道绕地球做圆周运动的飞船对接.设卫星质量为m,地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,以地面为零势能面,卫星在h高度的引力势能可表示为Ep=
,其中G为引力常量,M为地球质量.若忽略地球的自转,从开始发射到对接完成需要对卫星做的功为( )
正确答案
解析
解:卫星在h高处的速度为V,万有引力充当向心力:,此处卫星动能
=
m,从开始发射到对接完成需要对卫星做的功为W=EK+EP=
故选:A
据报道,目前我国正在研制“萤火二号”火星探测器,假设其发射过程为:先让运载火箭将其送入太空,以第一宇宙速度环绕地球飞行,再调整速度进入地火转移轨道,最后再一次调整速度以线速度v在火星表面附近环绕飞行.若认为地球和火星都是质量分布均匀的球体,已知地球和火星的半径之比为2:1,密度之比为7:5,则v大约为( )
正确答案
解析
解:探测器绕地球表面运行和绕月球表面运行都是由万有引力充当向心力,
根据牛顿第二定律有:=
v= ①,M为中心体质量,R为中心体半径.
M=ρ•πR3 ②
由①②得:v=
已知地球和火星的半径之比为2:1,密度之比为7:5,
所以探测器绕地球表面运行和绕月球表面运行线速度大小之比为:=
第一宇宙速度大小是环绕星球表面飞行的线速度大小,地球第一宇宙速度v=7.9km/s
所以探测器绕月球表面运行的速度大小是3.3km/s,
故选:B.
关于物体的运动,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据v=知,离地面越远,轨道半径越大,线速度越小,故A错误.
B、小船渡河的时间垂直河岸方向的速度有关,与水流速度无关,故B错误.
C、两个互成角度的相同的匀变速直线运动,若互成180度,合运动不是匀变速直线运动,故C错误.
D、匀变速直线运动,加速度不变,在相等时间内的速度变化量相等,故D正确.
故选:D.
两颗人造卫星A、B绕地球作圆周运动,轨道半径之比为RA:RB=1:4,则周期之比和运动速率之比分别为( )
正确答案
解析
解:人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力有有:
线速度,得
周期,得
故C正确,ABD错误.
故选:C
我国发射“嫦娥”三号探测器到月球上要经过多次变轨,最终降落到月球表面上,其中轨道I为圆形.下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、探测器在轨道I运行时的万有引力小于在月球表面时的万有引力,根据牛顿第二定律,探测器在轨道I运行时的加速度小于月球表面的重力加速度,故A错误;
B、轨道I的半长轴比轨道Ⅱ的半长轴大,根据开普勒第三定律,知探测器在轨道I的运行周期大于在轨道Ⅱ的运行周期,故B正确;
C、探测器在P点由轨道I进入轨道Ⅱ必须点火减速,故C错误.
D、根据万有引力提供向心力G=ma,得a=
,则知轨道半径相同,则加速度相同,故探测器在轨道I经过P点时的加速度等于在轨道Ⅱ经过P时的加速度,故D错误;
故选:B.
有两颗人造地球卫星a、b在如图所示的轨道上做匀速圆周运动,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:设地球的质量为M,卫星的质量为m,轨道半径为r.
卫星绕地球做匀速圆周运动,由地球的万有引力提供向心力,则得:
G=mω2r=ma=m
r
A、周期T=2π,卫星的轨道半径越大,周期越大,即a的周期比b大.故A正确;
B、向心加速度a=,卫星的轨道半径越大,向心加速度较小,即a的向心加速度比b小,故B正确;
C、因不知道a、b卫星质量的大小关系,仅知半径大小关系无法判断万有引力的大小,故C错误;
D、角速度ω=,卫星的轨道半径越大,角速度较小,即a的角速度比b小,故D错误;
故选:AB.
“天宫一号”与“神舟九号”对接时离地球表面高为h处,已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,求:“天宫一号”与“神舟九号”对接时环绕地球运行的速度为多少?
正确答案
解:卫星运动时万有引力提供圆周运动向心力有=m
,r=R+h
在地球表面万有引力等于重力有:mg=,
联立求解:v=,
答:“天宫一号”与“神舟九号”对接时环绕地球运行的速度为.
解析
解:卫星运动时万有引力提供圆周运动向心力有=m
,r=R+h
在地球表面万有引力等于重力有:mg=,
联立求解:v=,
答:“天宫一号”与“神舟九号”对接时环绕地球运行的速度为.
两个行星各有一个卫星绕其表面运行,已知两个卫星的周期之比为1:2,两行星半径之比为2:1,则下列选项正确的是( )
①两行星密度之比为4:1
②两行星质量之比为16:1
③两行星表面处重力加速度之比为8:1
④两卫星的速率之比为4:1.
正确答案
解析
解:①、研究卫星绕行星表面匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
=m
行星质量M=
密度ρ==
两个卫星的周期之比为1:2,所以两行星密度之比为4:1,故①正确.
②、行星质量M=
已知两个卫星的周期之比为1:2,两行星半径之比为2:1,
所以两行星质量之比为32:1,故②错误.
③、忽略行星自转的影响,根据万有引力等于重力列出等式=m
=mg
所以两行星表面处重力加速度之比为8:1,故③正确.
④、根据圆周运动公式v=
所以两卫星的速率之比为4:1,故④正确.
故选C.
2003年10月15日,我国宇航员杨利伟乘坐我国自行研制的“神舟”五号飞船在酒泉卫星发射中心成功升空,这标志着我国已成为世界上第三个载人飞船上天的国家.“神舟”五号飞船是由长征-2F运载火箭将其送入近地点为A、远地点为B的椭圆轨道上,实施变轨后,进入预定圆轨道,如图所示.已知近地点A距地面高度为h,飞船在预定圆轨道上飞行n圈所用时间为t,地球表面的重力加速度为g,地球半径为R,求:
(1)飞船在近地点A的加速度为多少?
(2)飞船在预定圆轨道上飞行的速度为多少?
正确答案
解:(1)设地球质量为M,飞船质量为m,则
飞船在A点受到地球的引力①
对地面上质量为m0的物体②
据牛顿第二定律可知万有引力提供向心力F=man③
联立①②③解得飞船在近地点A的加速度
(2)飞船在预定圆轨道上飞行的周期④
设预定圆轨道半径为r,由牛顿第二定律有 ⑤
而⑥
联立②④⑤⑥解得飞行速度
答:(1)飞船在近地点A的加速度为
(2)飞船在预定圆轨道上飞行的速度为.
解析
解:(1)设地球质量为M,飞船质量为m,则
飞船在A点受到地球的引力①
对地面上质量为m0的物体②
据牛顿第二定律可知万有引力提供向心力F=man③
联立①②③解得飞船在近地点A的加速度
(2)飞船在预定圆轨道上飞行的周期④
设预定圆轨道半径为r,由牛顿第二定律有 ⑤
而⑥
联立②④⑤⑥解得飞行速度
答:(1)飞船在近地点A的加速度为
(2)飞船在预定圆轨道上飞行的速度为.
2013年12月14日,嫦娥三号经过主减速段,快速调整段,接近段后在100米处悬停.30秒后,开始缓速下降,距月球表面4米时关闭发动机进入无动力下降,总共历时720s.查阅资料可知嫦娥三号登月舱质量为3.7×103kg,安全着陆要求最后速度不大于4m/s,已知月球表面重力加速度为地球表面重力加速度的
,计算时取地球表面重力加速度取g=10m/s2,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、已知月球表面重力加速度为地球表面重力加速度的,
若嫦娥三号从距离月球地面6m处无初速无动力下降,
嫦娥三号安全着陆要求最后速度不大于4m/s,故由v2=2ah可解得,h=4.8m,
即无初速安全着落高度小于4.8米,故A错误;
B、由,可解得
,故B错误;
C、对缓速下降到落地过程应用动能定理得:
mgh+W=mv2-0
W=×3.7×103×42-3.7×103×
×10×100
解得:W=-5.87×105J,即为了安全登月发动机至少对登月舱做功约5.87×105J,故C正确;
D、由牛顿第三定律可知落地碰撞减速为零的过程中地面对嫦娥三号的支持力等于嫦娥三号对地面的压力,故D错误;
故选:C.
把卫星绕地球的运动近似看作匀速圆周运动,则离地球越远的卫星( )
正确答案
解析
解:离地球越远的人造地球卫星半径越大,根据万有引力提供圆周运动向心力有:
A、由周期T=知半径越大的卫星周期越大,故A错误;
B、由线速度v=知半径越大则线速度越小,故B正确;
C、由角速度ω=知半径越大则角速度越小,故C正确;
D、由加速度知半径越在则加速度越小,故D错误.
故选:BC.
为了估算一个天体的质量,需要知道绕该天体做匀速圆周运动的另一星球的条件是( )
正确答案
解析
解:A、研究卫星绕天体做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式有:
得:,T为运转周期,r为轨道半径.故A正确.
C、研究卫星绕天体做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式有:
M=,r为轨道半径,v是环绕速度,故C正确.
BD、在中心体质量的表达式中我们可以发现中心体质量与环绕体质量无关.故BD错误.
故选:AC.
“天宫一号”目标飞行器在距地面约350km的圆轨道上运行,则飞行器( )
正确答案
解析
解:
A、第一宇宙速度是卫星绕地球做圆周运动时最大的运行速度,即近地卫星的速度,所以“天宫一号”的运行速度必定小于第一宇宙速度,故A错误;
B、地面附近加速度为9.8m/s2,由G=mg,则得 g=
,则知350km高度处重力加速度减小,必定小于9.8m/s2.故B正确;
C、地球同步卫星的周期为24h,根据G=m
r,得T=2π
,r越小,T越小.由于“天宫一号”轨道半径小于同步卫星的轨道半径,所以“天宫一号”的周期
小于同步卫星的周期24h,故C错误;
D、“天宫一号”飞行器轨道高度低于同步卫星的高度,根据G=mω2r,得ω=
,r越小,ω越大.则知“天宫一号”角速度大于同步卫星角速度,故D正确;
故选:BD.
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