- 万有引力与航天
- 共16469题
我国研制的“嫦娥二号”卫星,于2010年10月1日18时59分57秒在西昌卫星发射中心发射升空,并获得了圆满成功.发射的大致过程是:先将卫星送入绕地球椭圆轨道,再点火加速运动至月球附近被月球“俘获”而进入较大的绕月椭圆轨道,又经三次点火制动“刹车”后进入近月圆轨道,在近月圆轨道上绕月运行的周期是T=118分钟.又知月球表面的重力加速度为g′=(g是地球表面的重力加速度g=10m/s2).下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、近月圆轨道上绕月运行时,由重力提供向心力,则向心加速度近似等于月球表面的重力加速度,由g′=R,已知T,g′=
g,所以可求出月球的半径;故A正确;
B、月球上的第一宇宙速度即为近月卫星的速度,设为v.则 v=,T已知,R由上可求出,所以可以求出月球上的第一宇宙速度,故B正确;
C、根据万有引力等于向心力,得:,得月球的质量:M=
,可求得月球的质量M,并能求出月球的密度.故C正确;
D、卫星沿绕地椭圆轨道运行时,万有引力的径向分力提供向心力,切向分力改变速度的大小,故卫星上的仪器处于失重状态,故D正确.
故选:ABCD.
一颗人造卫星在离地面高度等于地球半径的圆形轨道上运行,已知地球的第一宇宙速度为v1=7.9km/s,g=9.8m/s2.≈1.4
(1)这颗卫星运行的线速度为多大?(结果保留两位有效数字)
(2)它绕地球运动的向心加速度为多大?
(3)质量为1kg的仪器放在卫星内的平台上,仪器的重力为多大?它对平台的压力有多大?
正确答案
解:(1)由万有引力提供向心力
=m
v=
人造卫星在离地面高度等于地球半径的圆形轨道上运行,所以这颗卫星运行的线速度为v==
v1=5.53km/s,
(2)根据牛顿第二定律
=ma
a=,r=2R,
在地球表面,万有引力等于重力,有:
mg=
它绕地球运动的向心加速度a==2.45m/s2,
(3)仪器所受的重力G′=F=ma=2.5N
卫星处于失重状态,仪器对平台的压力FN=0
答:
(1)这颗卫星运行的线速度为5.53km/s.
(2)它绕地球运行的向心加速度为2.45m/s2.
(3)质量为1kg的仪器放在卫星内的平台上,仪器所受的重力是2.45N.它对平台的压力为零.
解析
解:(1)由万有引力提供向心力
=m
v=
人造卫星在离地面高度等于地球半径的圆形轨道上运行,所以这颗卫星运行的线速度为v==
v1=5.53km/s,
(2)根据牛顿第二定律
=ma
a=,r=2R,
在地球表面,万有引力等于重力,有:
mg=
它绕地球运动的向心加速度a==2.45m/s2,
(3)仪器所受的重力G′=F=ma=2.5N
卫星处于失重状态,仪器对平台的压力FN=0
答:
(1)这颗卫星运行的线速度为5.53km/s.
(2)它绕地球运行的向心加速度为2.45m/s2.
(3)质量为1kg的仪器放在卫星内的平台上,仪器所受的重力是2.45N.它对平台的压力为零.
如图所示,处于同一轨道平面上的三颗人造地球卫星a、b、c,在某一时刻恰好处在同一直线上,关于三颗人造地球卫星在运行速度、所受向心力及向心加速度之间的关系,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据v=,有va>vb>vc,故A错误;
B、根据T=2π,有Ta<Tb<Tc,故B错误;
C、根据a=,有aa>ab>ac,故C正确;
D、卫星做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,由于不知道卫星的质量大小关系,无法判断向心力大小,故D错误;
故选:C
北京时间2005年12月12日,“神舟”六号无人飞船在酒泉卫星发射中心同长征二号运载火箭发射升空,飞船按计划入预定的圆形轨道,用时间t在轨道上绕地球运行了n圈,之后开始按预定方式返回地面,并安全着陆.这标志着我国航天技术达到新的水平.已知地球半径为R,地面重力加速度为g,试求飞船在圆形轨道上绕地球飞行时离地面的高度.
正确答案
解:飞船在圆轨道上运动的周期T= …①
设地球和飞船质量分别为M和m,飞船距地面的高度为h,则有
=
②
根据万有引力等于重力得
地球表面的重力加速度为g= ③
由①②③得h=-R
答:飞船在圆形轨道上绕地球飞行时离地面的高度是-R
解析
解:飞船在圆轨道上运动的周期T= …①
设地球和飞船质量分别为M和m,飞船距地面的高度为h,则有
=
②
根据万有引力等于重力得
地球表面的重力加速度为g= ③
由①②③得h=-R
答:飞船在圆形轨道上绕地球飞行时离地面的高度是-R
在圆轨道上运动的质量为m的人造地球卫星,它到地面的距离等于地球半径R,地面上的重力加速度为g,则( )
正确答案
解析
解:在地球表面有:可得GM=gR2,所以:
A、万有引力提供圆周运动向心力得线速度
,故A错误;
B、由得角速度
,故B正确;
C、由得卫星运动的加速度
,故C错误;
D、由,得周期
故D正确;
故选:BD.
有一质量为m的卫星,在以半径为R、周期为T绕地球作匀速圆轨道运动,求:
(1)求地球的质量M.
(2)求卫星的向心加速度a.
(3)求卫星的环绕速度.
正确答案
解:(1)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,
G=m(
)2R
解得:M=①
(2)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,
G=ma
a=G②
由①②解得:a=
(3)根据圆周运动知识得
卫星的环绕速度v=
答:(1)地球的质量M是.
(2)卫星的向心加速度是.
(3)卫星的环绕速度是.
解析
解:(1)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,
G=m(
)2R
解得:M=①
(2)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,
G=ma
a=G②
由①②解得:a=
(3)根据圆周运动知识得
卫星的环绕速度v=
答:(1)地球的质量M是.
(2)卫星的向心加速度是.
(3)卫星的环绕速度是.
“天宫一号”是中国第一个目标飞行器,于2011年9月29日在酒泉卫星发射中心发射,天宫一号绕地球运动轨道可以看成圆,它离地面的高度为H,已知地球质量为M,地球半径为R,万有引力常量为G,求:
(1)天宫一号运行的速度;
(2)天宫一号运行的周期.
正确答案
解:(1)设目标飞行器质量为m,由万有引力定律等于向心力得:
G=
解得运行的速度:v=
(2)由万有引力定律等于向心力得:
G=
(R+H)
解得:T=2π
答:(1)天宫一号运行的速度为;
(2)天宫一号运行的周期为2π.
解析
解:(1)设目标飞行器质量为m,由万有引力定律等于向心力得:
G=
解得运行的速度:v=
(2)由万有引力定律等于向心力得:
G=
(R+H)
解得:T=2π
答:(1)天宫一号运行的速度为;
(2)天宫一号运行的周期为2π.
1970年4月24日,我国自行设计、制造的第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功,开创了我国航天事业的新纪元.“东方红一号”的运行轨道为椭圆轨道,如图所示.其近地点M和远地点N的高度分别为439km和2384km,则( )
正确答案
解析
解:A、由M到N地球引力做负功,势能增加.故A正确;
B、近地点角速度大,远地点角速度小.故B正确;
C、加速度a=,可知近地点加速度大,远地点加速度小.故C正确;
D、第一宇宙速度,是发射卫星的最小速度,是卫星绕地球运动的最大速度,所以在N点的速度应小于7.9Km/s 故D错误.
故选:A B 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)向心力之比F1:F2=______.
正确答案
2:1
8:1
8:1
解析
解:(1)根据万有引力提供向心力,得:
,所以有:
=
.
(2)根据万有引力提供向心力,得:
,所以有:
(3)根据万有引力提供向心力,所以有:
.
故答案为:(1)2:1;(2)8:1;(3)8:1;
为了迎接太空时代的到来,美国国会通过了一项计划,在2050年前建造太空升降机,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度g=10m/s2,地球半径R=6400km.求:
(1)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880N,忽略地球公转的影响,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,绳的长度至少为多少米?(保留两位有效数字)
正确答案
解:(1)由题意可知人的质量为:m=80kg
对人根据牛顿第二定律得:880-mg′=mg
根据万有引力等于重力得:
mg′=,
=mg
解得:g′=g
即h=2.16R=1.38×107m
(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1.38×107m;
(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为:m=80kg
对人根据牛顿第二定律得:880-mg′=mg
根据万有引力等于重力得:
mg′=,
=mg
解得:g′=g
即h=2.16R=1.38×107m
(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1.38×107m;
(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
发射地球同步卫星时,先将卫星发射到距地面高度为h1的圆轨道上,在卫星经过A点时点火实施变轨进入椭圆轨道,最后在椭圆轨道的远地点B点再次点火将卫星送入同步轨道,如图所示.已知同步卫星的运动周期为T,地球的半径为R,地球表面重力加速度为g,忽略地球自转的影响.求:
(1)卫星在近地点A的加速度大小;
(2)远地点B距地面的高度.
(3)能否求出卫星从A点到B点所需的时间.若能,请写出求解过程或表达式(不必求解最终的结果).
正确答案
解:(1)设地球质量为M,卫星质量为m,万有引力常数为G,卫星在A点的加速度为a,由牛顿第二定律得:
=ma,r=R+h1,
物体在地球赤道表面上受到的万有引力等于重力,
则:mg=;
解以上两式得:a=.
(2)设远地点B距地面高度为h2,卫星受到的万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:
=m
r,r=(R+h2)
解得:h2=-R.
(3)根据开普勒第三定律得出
在椭圆轨道上:=k
在同步卫星轨道上:=k
可以求得在椭圆轨道上卫星的周期,所以能求得卫星从A点到B点所需的时间.
答:(1)卫星在近地点A的加速度大小是;
(2)远地点B距地面的高度是-R.
(3)能求出卫星从A点到B点所需的时.
解析
解:(1)设地球质量为M,卫星质量为m,万有引力常数为G,卫星在A点的加速度为a,由牛顿第二定律得:
=ma,r=R+h1,
物体在地球赤道表面上受到的万有引力等于重力,
则:mg=;
解以上两式得:a=.
(2)设远地点B距地面高度为h2,卫星受到的万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:
=m
r,r=(R+h2)
解得:h2=-R.
(3)根据开普勒第三定律得出
在椭圆轨道上:=k
在同步卫星轨道上:=k
可以求得在椭圆轨道上卫星的周期,所以能求得卫星从A点到B点所需的时间.
答:(1)卫星在近地点A的加速度大小是;
(2)远地点B距地面的高度是-R.
(3)能求出卫星从A点到B点所需的时.
如图所示,圆a和椭圆b是位于地球赤道平面上的卫星轨道,其中圆a是地球同步轨道,现在有A、B两颗卫星分别位于a、b轨道运行,且卫星A的运行方向与地球自转方向相反,已知A、B的运行周期分别为T1、T2,地球自转周期为T0,P为轨道b的近地点,则有( )
正确答案
解析
解:A、卫星A的运行方向与地球自转方向相反,虽然周期为24h,但相对地面上的物体或观察者是运动的,故卫星A不是同步卫星,故A错误.
B、根据开普勒第二定律,近地点速度最大大,故动能最大,故卫星B在P点是动能最大.故B正确.
C、由于卫星A在同步卫星轨道上运动,故其周期等于地球的自转周期,即T0=T1,故C正确.
D、根据开普勒第三定律,则T1>T2,故D错误.
故选:BC.
如图所示,发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨道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Q点,轨道2、3相切于P点(如图所示)则当卫星分别在1、2、3轨道正常运行时,以下说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、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
=ma=m
r
v=,
轨道3半径比轨道1半径大,卫星在轨道1上线速度较大,故A错误;
B、T=2π,所以卫星在轨道3上的周期大于在轨道2上的周期,故B错误;
C、从轨道Ⅰ到轨道Ⅱ,卫星在Q点是做逐渐远离圆心的运动,要实现这个运动必须使卫星所需向心力大于万有引力,所以应给卫星加速,增加所需的向心力.所以在轨道2上Q点的速度大于轨道上1Q点的速度.故C错误;
D、a=,所以卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度,故D正确;
故选:D.
人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径为R,线速度为v,周期为T,若使卫星周期变为2T,可能的方法有( )
正确答案
解析
解:A、若半径r不变,使卫星的线速度减小,卫星将做近心运动,周期减小.故A错误.
B、若v不变,卫星只能在原轨道上运动,半径不变,周期也不变.故B错误.
C、设地球的质量为M,卫星的质量为m.由牛顿第二定律得:=mr
得到T=2
根据数学知识可知,使轨道半径半径变为,卫星的周期变2T.则C正确 D错误
故选:C
“伽利略”木星探测器,从1989年10月进入太空起,历经6年,行程37亿千米,终于到达木星周围,此后在t秒内绕木星运行N圈后,对木星及其卫星进行考察,最后坠入木星大气层烧毁,设这N圈都是绕木星在同一圈周上运行,其运行速率为v,探测器上的照相机正对木星拍摄整个木星时的视角为θ(如图所示),设木星为一球体,求:
(1)木星探测器在上述圆形轨道上运行时的轨道半径;
(2)木星的第一宇宙速度.
正确答案
解:(1)探测器的线速度:v=,
则探测器的轨道半径:r=,
由题意可知,周期:T=,
解得:r=;
(2)探测器在圆形轨道上运行时,万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:
G=m
,
设木星的第一宇宙速度为:v0,由牛顿第二定律得:
G=m′
,
解得:v0=v,
由题意可知:R=rsin,
解得:v0=;
答:(1)木星探测器在上述圆形轨道上运行时的轨道半径为;
(2)木星的第一宇宙速度为.
解析
解:(1)探测器的线速度:v=,
则探测器的轨道半径:r=,
由题意可知,周期:T=,
解得:r=;
(2)探测器在圆形轨道上运行时,万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:
G=m
,
设木星的第一宇宙速度为:v0,由牛顿第二定律得:
G=m′
,
解得:v0=v,
由题意可知:R=rsin,
解得:v0=;
答:(1)木星探测器在上述圆形轨道上运行时的轨道半径为;
(2)木星的第一宇宙速度为.
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