- 万有引力与航天
- 共16469题
已知一颗人造卫星在半径为R的某行星上空绕该行星做匀速圆周运动,经过时间t,卫星运动的弧长为s,卫星与行星的中心连线扫过的角度是θ弧度.(已知万有引力常量为G)求:
(1)人造卫星距该行量表面的高度h;
(2)该行量的质量M和平均密度ρ;
(3)计算该行星的第一宇宙速度V.
正确答案
解:(1)弧长S=rθ
高度h=r-R
故:h=;
(2)线速度:v=
万有引力定律提供向心力,根据牛顿第二定律,有:
解得:M=;
密度为=
(3)行星的第一宇宙速度是近地轨道的环绕速度,万有引力提供向心力,故
解得:=
;
答:(1)人造卫星距该行星表面的高度h为;
(2)该行星的质量M为;密度为
.
(3)该行星的第一宇宙速度为.
解析
解:(1)弧长S=rθ
高度h=r-R
故:h=;
(2)线速度:v=
万有引力定律提供向心力,根据牛顿第二定律,有:
解得:M=;
密度为=
(3)行星的第一宇宙速度是近地轨道的环绕速度,万有引力提供向心力,故
解得:=
;
答:(1)人造卫星距该行星表面的高度h为;
(2)该行星的质量M为;密度为
.
(3)该行星的第一宇宙速度为.
2011年11月3日,“神舟八号”与“天宫一号”成功交会对接.地球半径为R,地球表面重力加速度为g,“神舟八号”与“天宫一号”对接时,“天宫一号”绕地球做匀速圆周运动的半径为r.求对接时“天宫一号”的线速度大小.
正确答案
解:根据万有引力提供向心力,得
在地球表面的物体受到的重力等于万有引力,得GM=R2g
所以
答:对接时“天宫一号”的线速度大小为.
解析
解:根据万有引力提供向心力,得
在地球表面的物体受到的重力等于万有引力,得GM=R2g
所以
答:对接时“天宫一号”的线速度大小为.
神州十号飞船在近地点200km,远地点343km的椭圆轨道上飞行,飞船在远地点变轨成半径为343km圆轨道,则在椭圆轨道上的近地点与变轨后圆轨道上的速度、周期、势能的变化情况,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:飞船绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,设飞船的质量为m、轨道半径为r、地球质量为M,有:
解得:v=,T=2π
,在椭圆轨道上的近地点的半径比变轨后圆轨道的半径小,所以速度变小,周期变大,在飞船变轨过程中,万有引力做负功,势能增加.故AD正确,BC错误;
故选:AD
为了迎接太空时代的到来,美国国会通过一项计划:在2050年前建造成太空升降机,就是把长绳的一端搁置在地球的卫星上,另一端系住升降机,放开绳,升降机能到达地球上,人坐在升降机里,在卫星上通过电动机把升降机拉到卫星上.已知地球表面的重力加速g=10m/s2,地球半径R=6400km.某人在地球表面用弹簧测力计称得重800N,站在升降机中.当升降机以加速度a=g(g为地球表面处的重力加速度)垂直地面上升,这时此人再一次用同一弹簧测力计称得视重为850N,忽略地球公转的影响,
(1)求升降机此时距地面的高度;
(2)如果把绳的一端搁置在同步卫星上,绳的长度至少为多长?
正确答案
解:(1)由题意可知人的质量 m=80kg
根据牛顿第二定律得:
对人:850-mg′=mg
根据万有引力等于重力得
mg′=,
=mg
解得:g′=g
即h=3R=1.92×107m
(2)同步卫星围绕行星做匀速圆周运动,由地球对卫星的万有引力提供卫星所需的向心力列出等式:
=m
,r=R+h′
T为地球自转周期,结合GM=gR2.
得h′=3.6×107m
答:(1)升降机此时距地面的高度是1.92×107m;
(2)如果把绳的一端搁置在同步卫星上,绳的长度至少为3.6×107m
解析
解:(1)由题意可知人的质量 m=80kg
根据牛顿第二定律得:
对人:850-mg′=mg
根据万有引力等于重力得
mg′=,
=mg
解得:g′=g
即h=3R=1.92×107m
(2)同步卫星围绕行星做匀速圆周运动,由地球对卫星的万有引力提供卫星所需的向心力列出等式:
=m
,r=R+h′
T为地球自转周期,结合GM=gR2.
得h′=3.6×107m
答:(1)升降机此时距地面的高度是1.92×107m;
(2)如果把绳的一端搁置在同步卫星上,绳的长度至少为3.6×107m
如图所示,假设月球半径为R,月球表面的重力加速度为g0,飞船在距月球表面高度为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,到达轨道的近月点B再次点火进入近月轨道Ⅲ绕月球做圆周运动.则( )
正确答案
解析
解:A:飞船在轨道I上,,又
,得:
,故A正确;
B:飞船在A点处点火时,是通过向行进方向喷火,做减速运动,向心进入椭圆轨道,所以点火瞬间是动能减小的,B错误;
C:在轨道Ⅰ上运行时通过A点的加速度大于在轨道Ⅱ上运行时,加速度是由万有引力提供的,故两者相等,C错误;
D:飞船在轨道Ⅲ绕月球运行,,又
,
,D正确.
故选:AD
据报道,嫦娥二号探月卫星将于2009年前后发射,其环月飞行的高度距离月球表面100 km,所探测到的有关月球的数据将比环月飞行高度为200 km的嫦娥一号更加详实.若两颗卫星环月运行均可视为匀速圆周运动,则( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力,
,
.知轨道半径越大,向心加速度越小,周期越大.嫦娥一号的轨道半径大,则周期大,向心加速度小.故A、D正确,B、C错误.
故选AD.
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、卫星在轨道1上的速度为7.9 km/s,要过渡到轨道2,在A点应加速做离心运动,所以卫星在椭圆轨道2上经过A点时的速度大于7.9km/s,故A正确.
BCD、人造卫星绕地球做匀速圆周运动时,由地球的万有引力提供向心力,则有 G=mrω2=m
=ma
可得ω=,v=
,a=
由a=可知,卫星在椭圆轨道2上经过A点时的加速度等于它在轨道1上经过A点时的加速度.
轨道3半径比轨道1半径大,由v=,知卫星在轨道1上的运行速率大于轨道3上的速率,由ω=
,知卫星在轨道1上的角速度大于在轨道3上的角速度,故BD错误,C正确.
故选:AC.
在圆形轨道上运动的质量为m的人造卫星,它到地面的距离等于地球的半径R,地球表面的重力加速度为g,则卫星运动的周期为______.
正确答案
4π.
解析
解: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,设轨道半径为r、地球质量为M,有
=m
T=2π,
根据地球表面万有引力等于重力得:GM=gR2…②
卫星到地球表面的距离等于地球的半径R
r=R+h=2R…③
由①②③得:
T=4π.
故答案为:4π.
知万有引力常量G,地球质量M,宇宙飞船质量m,飞船在离地心距离为r轨道上做匀速圆周运动,求写宇宙飞船动能的表达式.
正确答案
解:由牛顿第二定律
又 Ek=mv2
得 Ek=.
答:宇宙飞船动能的表达式为 Ek=.
解析
解:由牛顿第二定律
又 Ek=mv2
得 Ek=.
答:宇宙飞船动能的表达式为 Ek=.
关于环绕地球运行的卫星,下列说法正确的是( )
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正确;
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:,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:AB
已有万有引力常量G,那么在下列给出的各种情境中,能根据测量的数据求出火星平均密度的是( )
正确答案
解析
解:设火星的质量为M,半径为r,则火星的密度
A.在火星表面使一个小球做自由落体运动,测出下落的高度H和时间t,根据H=,可知算出火星的重力加速度,根据
,可以算得火星的质量,但不知道火星的半径,故无法算出密度,故A错误;
B.根据得:得火星质量
,所以
,已知T就可算出密度,故B正确;
C.观察火星绕太阳的圆周运动,只能算出太阳的质量,无法算出火星质量,也就无法算出火星密度,故C错误;
D.测出卫星离火星表面的高度H和卫星的周期T,但是不知道火星的半径,故无法算出密度,故D错误.
故选:B.
太阳系中一颗比地球小的行星,它运行轨道的长轴跟地球运行轨道的长轴之比约为16,则它绕太阳公转的周期约为( )
正确答案
解析
解:太阳系中一颗比地球小的行星,它运行轨道的长轴跟地球运行轨道的长轴之比约为16,
由开普勒第三定律=k得行星与地球公转周期之比约为64,
所以行星绕太阳公转的周期是64年;
故选:B
已知地球的质量是月球质量的81倍,地球半径大约是月球半径的4倍,不考虑地球、月球自转的影响,由以上数据可推算出( )
正确答案
解析
解:A、ρ==
已知地球质量大约是月球质量的81倍,地球半径大约是月球半径的4倍,所以地球的平均密度与月球的平均密度之比约为81:64.故A错误;
B、根据万有引力等于重力表示出重力加速度得得:=mg,得:g=
,其中R为星球半径,M为星球质量.所以地球表面重力加速度与月球表面重力加速度之比约为81:16.故B错误;
C、卫星绕中心天体做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力,=m
=m
T=2π,所以靠近地球表面沿圆轨道运行的航天器的周期与靠近月球表面沿圆轨道运行的航天器的周期之比约为8:9,故C正确.
D、v=,所以靠近地球表面沿圆轨道运行的航天器线速度与靠近月球表面沿圆轨道运行的航天器线速度之比约为9:2,故D错误.
故选:C.
已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,不考虑地球自转的影响.
(1)试推导第一宇宙速度v1的表达式(要有详细的推导过程,只写结果不得分);
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动,运行轨道距离地面高度为h,求卫星的运行周期T.
正确答案
解:(1)在地球表面有重力等于万有引力:
可得:GM=gR2
所以,近地卫星的向心力由万有引力提供有:
所以有:=
(2)距地面高度为h的卫星,轨道半径为r=R+h,根据万有引力提供向心力有:
所以卫星的周期为T==
答:(1)试推导第一宇宙速度v1的表达式为:;
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动,运行轨道距离地面高度为h,卫星的运行周期T为.
解析
解:(1)在地球表面有重力等于万有引力:
可得:GM=gR2
所以,近地卫星的向心力由万有引力提供有:
所以有:=
(2)距地面高度为h的卫星,轨道半径为r=R+h,根据万有引力提供向心力有:
所以卫星的周期为T==
答:(1)试推导第一宇宙速度v1的表达式为:;
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动,运行轨道距离地面高度为h,卫星的运行周期T为.
如图所示是发射同步卫星的原理:先将卫星送入近地圆轨道Ⅰ,在近地点A加速使卫星沿椭圆轨道Ⅱ运动,在远地点B再一次加速使卫星进入圆形同步轨道Ⅲ运动.设地球半径为R,地球表面附近重力加速度为g0.下列判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据卫星圆轨道的环绕速度公式v=,卫星越高越慢,故卫星在轨道Ⅲ上运动的速率小于在轨道Ⅰ上运动的速率,故A错误;
B、卫星在轨道Ⅰ上运行时,重力提供向心力,故:
mg0=m
解得:
故B正确;
C、卫星沿椭圆轨道Ⅱ运动时,机械能守恒,越高势能越大、动能越小,故在B点的速率小于在A点的速率,故C正确;
D、卫星沿椭圆轨道Ⅱ运动时,在B点的万有引力小于在A点的万有引力,故在B点的加速度小于在A点的加速度,故D错误;
故选:BC.
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