- 万有引力与航天
- 共16469题
“嫦娥奔月”的过程可以简化为:质量为m的“嫦娥一号”升空后,绕地球沿椭圆轨道运动,然后经过变轨被月球捕获,再经多次变轨,最终绕月球做半径为r的匀速圆周运动.
(1)已知地球半径为R,表面的重力加速度为g,求“嫦娥一号”在距离地面h时受到地球的引力大小.
(2)已知月球的质量为M,引力常量为G,求“嫦娥一号”绕月球运动的周期T.
正确答案
解:(1)设地球质量为M1,对嫦娥一号有:
又:
解得:
(2)
嫦娥一号绕月球运行时,有:
解得:
答:
(1)已知地球半径为R,表面的重力加速度为g,“嫦娥一号”在距离地面h时受到地球的引力大小
(2)已知月球的质量为M,引力常量为G,求“嫦娥一号”绕月球运动的周期
解析
解:(1)设地球质量为M1,对嫦娥一号有:
又:
解得:
(2)
嫦娥一号绕月球运行时,有:
解得:
答:
(1)已知地球半径为R,表面的重力加速度为g,“嫦娥一号”在距离地面h时受到地球的引力大小
(2)已知月球的质量为M,引力常量为G,求“嫦娥一号”绕月球运动的周期
一质量为m半径为a的球形人造卫星在离地面高度为H的高空绕地球作圆周运动,由于受到稀薄空气的阻力作用,该卫星绕行一周高度要下降△H.已知物体在密度为ρ的流体中以速度v运动时受到的阻力为f=pksv2,式中k是拖曳系数,S是物体与流速垂直的最大横截面积.已知地球的半径为R0,因△H很小,卫星绕行时可认为做匀速圆周运动,卫星在半径为r的轨道上具有的引力势能大小为
,卫星所在处空气的拖曳系数为η,其中G为万有引力量,M为地球质量.试求:
(1)离地面高度为H处的重力加速度g′;
(2)轨道高度下降△H时,人造卫星的动能变化△Ek;
(3)卫星所在处的大气密度.
正确答案
解:(1)根据万有引力等于重力得:,
解得:g′=.
(2)高度为H时,有:,
下降了△H时有:
动能增加:.
(3)高度下降△H时,势能减小:.
则总机械能减小:△E=△EP-△EK=.
根据,s=πa2,
解得:=
.
答:(1)离地面高度为H处的重力加速度为.
(2)轨道高度下降△H时,人造卫星的动能变化.
(3)卫星所在处的大气密度为.
解析
解:(1)根据万有引力等于重力得:,
解得:g′=.
(2)高度为H时,有:,
下降了△H时有:
动能增加:.
(3)高度下降△H时,势能减小:.
则总机械能减小:△E=△EP-△EK=.
根据,s=πa2,
解得:=
.
答:(1)离地面高度为H处的重力加速度为.
(2)轨道高度下降△H时,人造卫星的动能变化.
(3)卫星所在处的大气密度为.
关于地球同步通讯卫星,下列说法中正确的是( )
①它一定在赤道上空运行
②各国发射的同步卫星轨道半径都一样
③它运行的线速度一定小于第一宇宙速度
④它运行的线速度介于第一和第二宇宙速度之间.
正确答案
解析
解:①同步卫星运行轨道为位于地球赤道平面上空圆形轨道,轨道固定不变,故①正确;
②因为同步卫星要和地球自转同步,即同步卫星周期T为一定值,根据F=,因为T一定值,所以 r 也为一定值,所以同步卫星距离地面的高度是一定值,故②正确
③第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度,也是最大的圆周运动的环绕速度.而同步卫星的轨道半径要大于近地卫星的轨道半径,根据v的表达式可以发现,同步卫星运行的线速度一定小于第一宇宙速度.故③正确;
④由③分析知④错误.
故选D
两颗人造地球卫星,都在圆形轨道上运行,轨道半径之比2:1,则它们速度之比等于( )
正确答案
解析
解:由于人造地球卫星受到地球的万有引力提供卫星圆周运动向心力,则有:
G=m
则得,v=,式中M是地球的质量,r是卫星的轨道半径.
所以有 =
=
故选:C
“静止”在赤道上空的地球同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面,为天气预报提供准确、全面和及时的气象资料.设地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,v=
.第一宇宙速度的轨道半径等于地球的半径,同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍,所以同步卫星运行速度是第一宇宙速度的
倍.故A错误,C正确.
B、同步卫星与地球赤道上的物体具有相同的角速度,根据v=rω,同步卫星的线速度是赤道物体线速度的n倍.故B错误.
D、根据,a=
,同步卫星的向心加速度是贴近地球表面运行卫星向心加速度的
,根据万有引力等于重力,贴近地球表面运行卫星的向心加速度等于地球表面的重力加速度.故D错误.
故选C.
如图所示,北斗导航系统中两颗卫星,均为地球同步卫星.某时刻位于轨道上的A、B两位置.设地球表面处的重力加速度为g,地球半径为R,地球自转周期为T.则( )
正确答案
解析
解:A、两同步卫星的周期T相同,轨道高度h相同,所以线速度为,故A错误.
B、根据万有引力提供向心力,得
.
又因为地球表面的物体受到的重力等于万有引力,得GM=R2g,所以
,故B正确.
C、同步卫星做匀速圆周运动,故卫星l由A运动到B所需的最短时间为,故C错误.
D、卫星从位置A运动到位置B,由于万有引力方向与速度方向垂直,万有引力不做功.故D错误.
故选:B.
如图所示a,b,c是在地球大气层外圆形轨道上运动的3颗人造卫星,则人造卫星______的线速度最大,人造卫星______的周期相等.
正确答案
a
b、c
解析
解: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
v=,
由题图知:ra<rb=rc,则a的线速度最大,
T=2π,rb=rc,所以b、c的周期相等.
故答案为:a;b、c
中轨道卫星离地面的高度约为地球半径的2倍,地球表面处的重力加速度为g,则由于地球的作用使中轨道卫星处的重力加速度约为( )
正确答案
解析
解:地球表面重力与万有引力相等有:
mg=,
中轨道卫星离地面的高度约为地球半径的2倍,根据万有引力定律得:
F==mg′
解得中轨道卫星处的重力加速度为:g′=,
故选:A.
设地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,则在距地面高度H=R的地方,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据物体的重力等于万有引力
mg=G
地球表面的重力加速度为g,在距地面高度H=R的地方,即r=2R,
所以质量为m的物体在该处的重力加速度g′=,所以质量为m的物体在该处的重力大小为
,故A错误
B、因为有ω=,当r=2R,则ω=
,故B错误
C、因为有v=,当r=2R,则v=
,故C正确
D、因为有T=2π,当r=2R,则T=
,故D错误
故选C.
“神州”七号宇宙飞船发射时,在飞船控制中心的大屏幕上有一幅卫星运行轨迹图,如图所示.他记录了“神七”在地球表面垂直投影的变化;图中表示在一段时间内飞船绕地球圆周飞行四圈,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° ….)
(1)计算“神州”七号宇宙飞船的运行周期;
(2)若地球半径为R,飞船的运行周期为T,地球表面处重力加速度为g,求飞船离地面的高度 H.
正确答案
解:(1)飞船每运行一周,地球自转角度为180°-157.5°=22.5°
则神舟飞船运行的周期T=×24×3600S=5400S=1.5h.
(2)由万有引力提供向心力,即=m
在地球表面处万有引力等于重力:mg=
可求得飞船的轨道半径:r==
则轨道高度H=r-R=-R=3.43×105 m
答:(1)“神州”七号宇宙飞船的运行周期是1.5h;
(2)若地球半径为R,飞船的运行周期为T,地球表面处重力加速度为g,飞船离地面的高度是3.43×105 m.
解析
解:(1)飞船每运行一周,地球自转角度为180°-157.5°=22.5°
则神舟飞船运行的周期T=×24×3600S=5400S=1.5h.
(2)由万有引力提供向心力,即=m
在地球表面处万有引力等于重力:mg=
可求得飞船的轨道半径:r==
则轨道高度H=r-R=-R=3.43×105 m
答:(1)“神州”七号宇宙飞船的运行周期是1.5h;
(2)若地球半径为R,飞船的运行周期为T,地球表面处重力加速度为g,飞船离地面的高度是3.43×105 m.
西昌卫星发射中心的火箭发射架上,有一待发射的卫星,它随地球自转的线速度为v1、加速度为a1;发射升空后在近地轨道上做匀速圆周运动,线速度为v2、加速度为a2;实施变轨后,使其在同步卫星轨道上做匀速圆周运动,运动的线速度为v3、加速度为a3.则v1、v2、v3的大小关系和a1、a2、a3的大小关系是( )
正确答案
解析
解:对于近地卫星和同步卫星而言,有:G=ma=m
,解得a=
,v=
,知v2>v3,a2>a3.
对于待发射卫星和同步卫星,角速度相等,根据v=rω知,v3>v1,根据a=rω2知,a3>a1.则v2>v3>v1;,a2>a3>a1,故C正确.
故选:C
对某行星的一颗卫星进行观测,已知运行的轨迹是半径为R的圆周,运动n周的时间为t.求:
(1)该行星的质量
(2)测得行星的半径为卫星轨道半径的,则此行星表面的重力加速度为多大?
正确答案
解(1)卫星的周期:T=,
卫星做匀速圆周运动,万有引力提供向心力:
G=m
R,解得:M=
;
(2)设行星的半径为r,卫星半径R=5r----------------④
地球表面上质量为m′的物体受到的万有引力近似等于其受到的重力,
可得:G=m′g,解得:g=
;
答:(1)该行星的质量为;
(2)测得行星的半径为卫星轨道半径的,则此行星表面的重力加速度为
.
解析
解(1)卫星的周期:T=,
卫星做匀速圆周运动,万有引力提供向心力:
G=m
R,解得:M=
;
(2)设行星的半径为r,卫星半径R=5r----------------④
地球表面上质量为m′的物体受到的万有引力近似等于其受到的重力,
可得:G=m′g,解得:g=
;
答:(1)该行星的质量为;
(2)测得行星的半径为卫星轨道半径的,则此行星表面的重力加速度为
.
设两人造地球卫星的质量比为1:2,到地球球心的距离比为1:3,则它们的周期比为______;线速度比为______;向心加速度比为______;向心力比为______.
正确答案
1:3
:1
9:1
9:2
解析
解:根据人造卫星的万有引力等于向心力,
F=
周期T=2π,r:r′=1:3,所以T:T′=1:3
;
线速度v=,r:r′=1:3,所以v:v′=
:1;
加速度a=,r:r′=1:3,所以a:a′=9:1;
向心力F=G,两人造地球卫星的质量比为1:2,r:r′=1:3,所以F向:F向′=9:2;
故答案为:1:3;
:1;9:1;9:2.
如图所示,a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星,a、b质量相等且小于c的质量,则下列判断错误的是( )
正确答案
解析
解:A、人造地球卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供,根据F=,
卫星b、c的轨道半径相等,b质量小于c的质量,所以c所需的向心力大于b所需的向心力.
a、b质量相同,a的轨道半径小于b的轨道半径,所以a所需的向心力大于b所需的向心力.故A正确;
B、根据万有引力提供向心力=m
得
T=2π,
所以b、c周期相等,且大于a的周期,故B正确;
C、根据万有引力提供向心力=ma
a=
所以b、c向心加速度相等,且小于a向心加速度,故C错误;
D、根据万有引力提供向心力=m
v=
所以b、c的线速度相等,且小于的线速度,故D正确.
本题选错误的,故选:C.
地球的两颗人造卫星质量之比m1:m2=1:2,圆运动轨道之比r1:r2=1:4,求:
(1)线速度之比υ1:υ2=______;
(2)角速度之比ω1:ω2=______;
(3)运行周期之比T1:T2=______;
(4)向心力之比F1:F2=______.
正确答案
2:1
8:1
1:8
8:1
解析
解:根据万有引力提供向心力=
ma=
=mω2r
v=
ω=
T=2π
F=
(1)v=,圆运动轨道之比r1:r2=1:4,线速度之比υ1:υ2=
=2:1
(2)ω=,圆运动轨道之比r1:r2=1:4,角速度之比ω1:ω2=
=8:1
(3)T=2π,圆运动轨道之比r1:r2=1:4,运行周期之比T1:T2=
=1:8
(4)F=,两颗人造卫星质量之比m1:m2=1:2,圆运动轨道之比r1:r2=1:4,
向心力之比F1:F2==8:1
故答案为:(1)2:1 (2)8:1 (3)1:8 (4)8:1
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