- 万有引力与航天
- 共16469题
发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨道1,在Q点经点火将卫星送入椭圆轨道2;然后在P点再次点火,将卫星送入同步轨道3,如图所示,已知轨道1、2相切于P点,则当卫星分别在轨道1、2、3上正常运行时,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、卫星圆周运动的向心力由万有引力提供可得卫星的线速度
,卫星在轨道3上轨道半径大线速度小,故A错误;
B、根据开普勒第三定律=k可知,卫星在轨道2上运行的周期大于在轨道1上的运行周期,故B正确;
C、卫星经过P点时都是由万有引力产生加速度,在两个轨道上经过P时卫星所受万有引力相同,故卫星的加速度亦相同,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正确.
故选:BD
寻找地外生命一直是各国科学家不断努力的目标,为了探测某行星上是否存在生命,可以向该行星发射一颗探测卫星,卫星绕行星做匀速圆周运动的半径为R,卫星的质量为m,该行星质量为M,引力常量为G.
(1)该卫星受到的向心力为多少?
(2)卫星的线速度大小为多少?
(3)卫星的角速度大小为多少?
(4)卫星的周期大小为多少?
正确答案
解:(1)根据万有引力公式得卫星受到的万有引力F=
(2)根据万有引力提供圆周运动向心力有F==
可得卫星的线速度大小
(3)根据万有引力提供圆周运动向心力有F==mRω2
可得卫星的角速度大小
(4)卫星的周期T=
答:(1)该卫星受到的向心力为;
(2)卫星的线速度大小为;
(3)卫星的角速度大小为;
(4)卫星的周期大小为.
解析
解:(1)根据万有引力公式得卫星受到的万有引力F=
(2)根据万有引力提供圆周运动向心力有F==
可得卫星的线速度大小
(3)根据万有引力提供圆周运动向心力有F==mRω2
可得卫星的角速度大小
(4)卫星的周期T=
答:(1)该卫星受到的向心力为;
(2)卫星的线速度大小为;
(3)卫星的角速度大小为;
(4)卫星的周期大小为.
北斗卫星导航系统是我国正在自主研发的全球卫星导航系统,该系统由空间端(卫星)、地面端(中心控制系统)和用户端(导航定位仪)三部分组成,预计2020年形成全球覆盖能力.目前正在试用的“北斗一号”卫星导航试验系统也称“双星定位导航系统”,利用两颗地球同步静止轨道卫星为用户提供快速定位导航服务.
(1)已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,地球自转周期为T,求“北斗一号”同步静止轨道卫星距地面的高度;
(2)双星定位导航系统的工作原理可简化为如下过程(其示意图如图甲所示):中心控制系统首先向卫星发出询问信号,经卫星Ⅰ转发到达用户端S,用户接收到该信号并同时向两颗卫星发出定位响应信号,分别经卫星Ⅰ、卫星Ⅱ传送回中心控制系统,中心控制系统分别记录下从发出询问信号到接收到经卫星Ⅰ、卫星Ⅱ传回的两个响应信号的时间.因为控制中心到两颗卫星的距离一定,所以可以利用信号从用户分别传送到卫星Ⅰ和卫星Ⅱ的时间,计算出用户所在的位置.
在卫星Ⅰ、卫星Ⅱ和用户S所在的平面内建立平面直角坐标系如图乙所示,卫星Ⅰ、卫星Ⅱ的坐标分别为(-L,0)和(L,0),已知电磁波的传播速率为c,不计大气层对信号传播的影响.
①若地面控制中心测出电磁信号从用户S传送到卫星Ⅰ所用的时间为t1,从用户S传送到卫星Ⅱ所用的时间为t2,求用户S在此平面内的位置.
②实际导航定位过程中,为了确定用户在空间中的位置,你认为中心控制系统还需要测出并提供用户所在位置的哪些信息?
正确答案
解:(1)设地球的质量为M,“北斗一号”卫星的质量为m,其轨道高度为h,根据牛顿第二定律和万有引力定律得:
对地面上质量为m0的物体有:
联立上述二式,可解得:h=
(2)①设用户S的坐标为(x,y),根据题意及几何关系,有:
解得S的位置坐标为(,
)
②实际导航定位过程中,为了确定用户在空间中的位置,还需要测出并提供用户所在位置的高度.
答:(1)“北斗一号”同步静止轨道卫星距地面的高度为;
(2)①用户S在此平面内的位置坐标为(,
).
②实际导航定位过程中,为了确定用户在空间中的位置,还需要测出并提供用户所在位置的高度.
解析
解:(1)设地球的质量为M,“北斗一号”卫星的质量为m,其轨道高度为h,根据牛顿第二定律和万有引力定律得:
对地面上质量为m0的物体有:
联立上述二式,可解得:h=
(2)①设用户S的坐标为(x,y),根据题意及几何关系,有:
解得S的位置坐标为(,
)
②实际导航定位过程中,为了确定用户在空间中的位置,还需要测出并提供用户所在位置的高度.
答:(1)“北斗一号”同步静止轨道卫星距地面的高度为;
(2)①用户S在此平面内的位置坐标为(,
).
②实际导航定位过程中,为了确定用户在空间中的位置,还需要测出并提供用户所在位置的高度.
某人造卫星可近似看作是以地心为中心的匀速圆周运动,由于阻力作用,人造卫星到地心的距离从r1慢慢变到r2,但仍可认为做匀速圆周运动,用Ek1、Ek2分别表示卫星在这两个轨道上的动能,则( )
正确答案
解析
解:卫星在阻力的作用下,要在原来的轨道上减速,在原来轨道上运行时,需要的向心力减小,万有引力不变,故万有引力将大于向心力,物体会做向心运动,轨道半径变小,即有r1>r2.
根据卫星做圆周运动时万有引力等于向心力,则得G
动能Ek=
则得Ek=,可见,轨道半径减小,卫星的动能增大,即EK1<EK2.
故选:B
亚洲Ⅰ号卫星是我国发射的通讯卫星,它是地球同步卫星,设地球自转角速度一定,下面关于亚洲Ⅰ号卫星的说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、同步卫星是指与地球相对静止的卫星.这种卫星绕地球转动的角速度与地球自转的角度速度相同,故A正确.
B.它们只能在赤道的正上方,它若在除赤道所在平面外的任意点,假设实现了“同步”,那它的运动轨道所在平面与受到地球的引力就不在一个平面上,这是不可能的.所以它不可能沿着与赤道成一定角度的轨道运动,故B错误.
C.由万有引力提供向心力得
因为T一样,所以半径一样,所以各国发射的这种卫星轨道半径都一样,故C错误.
D.它们只能在赤道的正上方,它若在除赤道所在平面外的任意点,假设实现了“同步”,那它的运动轨道所在平面与受到地球的引力就不在一个平面上,这是不可能的.所以不可能定点在北京正上方,故D错误.
故选A.
如图所示,地球表面上赤道附近的物体B和杭州附近的物体A随地球的自转而做匀速圆周运动.则( )
正确答案
解析
解:A.A与B均绕地轴做匀速圆周运动,A的圆心为过A点作地轴的垂线与地轴的交点o1,所以物体A所需的向心力方向指向o1而不是地心,故A错误;
B.角速度与线速度关系公式v=ωr,B转动半径较大,所以B的线速度较大,故B正确;
C.A与B相同时间转过的角度相等,由角速度的定义式ω=,A、B的角速度相等,故C错误;
D.由a=ω2r可知A的转动半径较小,角速度相同,A的向心加速度较小,故D错误.
故选B.
宇宙飞船绕地球做匀速圆周运动,先在半径为R1的轨道上运行,变轨后在半径为R2的轨道上运行,R1>R2,则变轨后宇宙飞船的( )
正确答案
解析
解:设卫星的质量为m,地球的质量为M,卫星做圆周运动,万有引力提供向心力,
由牛顿第二定律得:G=m
,G
=mω2r,G
=ma,
解得:v=,ω=
,a=
,周期:T=
=2π
;
A、已知:R1>R2,由v=可知:v1<v2,故A正确;
B、已知:R1>R2,由ω=可知:ω1<ω2,故B错误;
C、已知:R1>R2,由a=,a1<a2,故C错误;
D、已知:R1>R2,由T=2π可知:T1>T2,故D错误;
故选:A.
两颗人造地球卫星,都绕地球作圆周运动,它们的质量相等,轨道半径之比=
,则它们的速度大小之比
等于( )
正确答案
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,设卫星的质量为m、轨道半径为r、地球质量为M,有
=
得:v=,
轨道半径之比为:=
,所以则它们的速度大小之比为:
=
,故ACD错误,B正确;
故选:B.
“嫦娥二号”探月卫星于2010年10月1日成功发射,目前正在月球上方100km的圆形轨道上运行.已知“嫦娥二号”卫星的运行周期、月球半径、月球表面重力加速度、万有引力恒量G.根据以上信息可求出( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力等于重力G,可求出月球的质量M=
,根据
,求出嫦娥二号的轨道半径r=
,再根据a=r
,求出向心加速度.故A正确.
B、月球的质量M=,月球的体积V=
,所以可求出月球的平均密度.故B正确.
C、可求出嫦娥二号的轨道半径r=,根据v=
,求出卫星的线速度大小.故C正确.
D、因为不知道卫星的质量,所以求不出卫星所需的向心力.故D错误.
故选ABC.
“神舟”九号在圆轨道上运转一圈的时间约为1.5小时,将其与地球同步卫星进行比较,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:根据G=m
=ma=m
=mrω2,
则得 T=2,a=
,v=
,ω=
由于同步地球卫星的周期为24h,大于“神舟”九号的周期,所以“神舟”九号的轨道半径小于同步卫星的轨道半径,由上式可知:“神舟”九号运行的向心加速度大于地球同步卫星的向心加速度,运行速率大于地球同步卫星的速率,运行角速度大于地球同步卫星的角速度,离地面的高度小于地球同步卫星的高度,故A错误,BCD正确.
故选:BCD.
一个人造天体飞临某个行星,并进入行星表面的圆轨道,宇航员测出该天体环绕行星一周的时间为T,若此行星是一个质量分布均匀的球体,求此行星的密度.(已知引力常量为G)
正确答案
解:根据得,M=
,
则行星的密度.
答:行星的密度为.
解析
解:根据得,M=
,
则行星的密度.
答:行星的密度为.
火星有两颗卫星,分别是火卫一和火卫二,它们的轨道近似为圆.已知火卫一的周期为7小时39分,火卫二的周期为30小时18分,则两颗卫星相比( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供圆周运动向心力有:
得卫星周期T=,知半径大的周期大,半径小的周期小,所以可知火卫一的半径小于火卫二的半径.
A、因为火卫一的半径小于火卫二的半径,故A错误;
B、知周期大的角速度小,故B正确;
C、线速度,火卫一的半径小线速度大,故C正确;
D、向心加速度,火卫一的半径小其加速度大,故D错误.
故选:BC.
人造地球卫星要正常运行在距地面h高处的圆轨道上,那么它的线速度为______,角速度为______,向心加速度为______.(已知地球的半径为R,质量为M)
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力,得
,
,
故答案为:;
;
.
同步卫星离地球球心的距离为r,运行速率为v1,加速度大小为a1,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度大小为a2,第一宇宙速度为v2,地球半径为R,则( )
正确答案
解析
解:A、B、同步卫星的角速度、赤道上的物体的角速度都与地球自转的角速度相同,则由a=ω2r得,a1:a2=r:R.故A错误,B正确.
C、D、第一宇宙速度等于近地卫星的运行速度,人造地球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=m
,
解得:v=,M是地球的质量为M,r是卫星的轨道半径,
则得到:v1:v2=:
.故C错误,D正确.
故选:BD
地球半径为R,卫星A、B均环绕地球做匀速圆周运动,其中卫星A以第一宇宙速度环绕地球运动,卫星B的环绕半径为4R,则卫星A与卫星B的速度大小之比为______;周期之比为______.
正确答案
2:1
1:8
解析
解:卫星A以第一宇宙速度环绕地球运动,所以A的轨道半径就是R,
由万有引力充当向心力可得
线速度v=
由于A、B的轨道半径之比是1:4
所以卫星A与卫星B的速度大小之比为2:1,
由万有引力公式可得运行周期T=2π,
所以卫星A与卫星B的周期之比为是1:8
故答案为:2:1,1:8
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