- 万有引力与航天
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关于绕地球做匀速圆周运动的人造卫星,以下说法正确的是( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供圆周运动向心力有:=ma
A、可得卫星的线速度v=,由此可知线速度的大小与卫星的质量m无关,故A错误;
B、可得卫星的向心加速度a=,由此可知卫星的向心加速度与卫星的质量m无关,故B错误;
C、由A分析知,离地面越近的卫星轨道半径R越小,线速度越大,故C正确;
D、由A分析知,离地面越远的卫星轨道半径R越大,线速度越小,故D错误.
故选:C
(A)某天文台测得某行星的一颗卫星绕行星做匀速圆周运动,测得其轨道半径为R,周期为T,则其向心加速度为______;行星的质量为______.(万有引力恒量为G)
(B)如图所示,质量m1=0.3kg 的小车静止在光滑的水平面上,车长L=15m,现有质量m2=0.2kg可视为质点的物块,以水平向右的速度v0=2m/s从左端滑上小车,最后在车面上某处与小车保持相对静止.物块与车面间的动摩擦因数μ=0.5,则小车的最大速度是______ m/s;物块在车面上滑行的时间是______ s.
正确答案
0.8
0.24
解析
解:1、卫星的向心加速度a=Rω2=() 2 R.
根据G=mR(
)2得,
M=.
2、(1)依据动量守恒得 m2v0=(m1+m2)v
解得 v=0.8m/s
(2)物块所受的滑动摩擦力大小f=μm2g=1N
对小车,依据动量定理得 ft=m1v
解得t=0.24s
故答案为:1、
2、0.8 0.24
如果把太阳系各行星的运动近似看作匀速圆周运动,则离太阳越近的行星( )
正确答案
解析
解:设太阳的质量为M,行星的质量为m,轨道半径为r.
行星绕太阳做圆周运动,万有引力提供向心力,则由牛顿第二定律得:,
解得:v=,ω=
,a=
,周期T=2π
,
可知,行星离太阳越近,轨道半径r越小,则周期T越小,线速度、角速度、向心加速度越大,故A正确,BCD错误;
故选:A
一人造地球卫星的质量为m,在离地面为R的圆形轨道上运行,地球半径也为R,地表重力加速度为g,求:(本题答案均用字母表示)
(1)卫星绕地球运转的线速度;
(2)卫星绕地球运转的周期;
(3)卫星绕地球运转的向心力.
正确答案
解:(1)根据万有引力提供向心力=
,
v= ①
卫星在离地面为R的圆形轨道上运行,r=2R ②.
根据球表面物体重力等于万有引力得
=mg ③
由①②③联立解得:
(2)根据万有引力提供向心力=
T=2,④
由②③④联立解得:
(3)根据万有引力提供向心力:
F=⑤
由②③⑤联立解得:
答:(1)卫星绕地球运转的线速度是;
(2)卫星绕地球运转的周期是;
(3)卫星绕地球运转的向心力是.
解析
解:(1)根据万有引力提供向心力=
,
v= ①
卫星在离地面为R的圆形轨道上运行,r=2R ②.
根据球表面物体重力等于万有引力得
=mg ③
由①②③联立解得:
(2)根据万有引力提供向心力=
T=2,④
由②③④联立解得:
(3)根据万有引力提供向心力:
F=⑤
由②③⑤联立解得:
答:(1)卫星绕地球运转的线速度是;
(2)卫星绕地球运转的周期是;
(3)卫星绕地球运转的向心力是.
某人造卫星运动的轨道可近似看作是以地心为中心的圆.由于阻力作用,人造卫星到地心的距离从r1慢慢变到r2,用EKl、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=m
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.
我国的“天链一号”星是地球同步轨道卫星,可为载人航天器及中低轨道卫星提供数据通讯.如图为“天链一号“星a、赤道平面内的低轨道卫星 b、地球的位置关系示意图,O为地心,地球相对卫星a、b的张角分别为θ1和θ2(θ2图中未标出),卫星a的轨道半径是b的4倍.已知卫星a、b绕地球同向运行,卫星a的周期为T,在运行过程中由于地球的遮挡,卫星b会进入与卫星 a通讯的盲区.卫星间的通讯信号视为沿直线传播,信号传输时间可忽略.下列分析正确的是( )
正确答案
解析
解:A、设卫星a、b的轨道半径分别为r1和r2.地球半径为R.
由几何知识得:tan,tan
由题 r1=4r2.则得 4tan=tan
,由数学知识sinθ2≠4sinθ1.故A错误.
B、由r
可得 T=2,可得 r1=4r2.则得卫星b星的周期为
,故B错误.
CD、如图,A、B是卫星盲区两个边缘位置,由几何知识可得∠AOB=θ1+θ2,则 ()t=∠AOB=θ1+θ2,
解得,b每次在盲区运行的时间为 t=T,故C正确,D错误.
故选:C
我国自行设计的气象同步卫星在赤道上方距离地球表面h高处的圆轨道上绕地球运动,已知地球的自转周期为T,地球的半径R,卫星的质量为m.
(1)用题中所给的物理量求出卫星在同步轨道上运行时的动能和受到的地球引力大小.
(2)卫星在持续运行若干年的过程中,由于长期受到微弱的阻力以及月球干扰影响,卫星的轨道高度会发生变化.因此,在同步卫星上安装了离子推进器,利用推进器的推力,可以使卫星处于指定的轨道上.若推进器在△t时间内以相对卫星的速度u向后喷出△m质量的等离子气体,以卫星为参考系,求在推进器工作时间内等离子气体所受的平均作用力大小.
正确答案
解:(1)设卫星在同步轨道上运行时的速度为v.同步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
卫星所受的地球引力大小为F=m
卫星的速度大小为v=
则卫星的动能Ek==
=
(2)设喷出的等离子气体受到卫星的平均作用力为F,研究在△t时间内以速度u向后喷出△m质量的等离子气体.
由动量定理有:
F•△t=△m•u-0
解得:F=
答:
(1)卫星在同步轨道上运行时的动能为,受到的地球引力大小为m
.
(2)在推进器工作时间内等离子气体所受的平均作用力大小为.
解析
解:(1)设卫星在同步轨道上运行时的速度为v.同步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
卫星所受的地球引力大小为F=m
卫星的速度大小为v=
则卫星的动能Ek==
=
(2)设喷出的等离子气体受到卫星的平均作用力为F,研究在△t时间内以速度u向后喷出△m质量的等离子气体.
由动量定理有:
F•△t=△m•u-0
解得:F=
答:
(1)卫星在同步轨道上运行时的动能为,受到的地球引力大小为m
.
(2)在推进器工作时间内等离子气体所受的平均作用力大小为.
“神舟六号”载人飞船于2005年10月12日上午9点整在酒泉航天发射场发射升空.由长征运载火箭将飞船送入近地点为A、远地点为B的椭圆轨道上,A点距地面的高度为h1,飞船飞行五周后进行变轨,进入预定圆轨道,如图所示.在预定圆轨道上飞行n圈所用时间为t,于10月17日凌晨在内蒙古草原成功返回.已知地球表面重力加速度为g,地球半径为R.求:
(1)远地点B距地面的高度h2.
(2)沿着椭圆轨道从A到B的最短时间.(用h1、h2、R、g表示)
正确答案
解:(1)飞船在B点所受的万有引力提供向心力:,
所以:
由黄金代换式GM=gR2,
所以:
故远地点B距地面的高度为.
(2)椭圆轨道的半长轴:
根据开普勒第三定律
联立以上几个公式解得:
所以沿着椭圆轨道从A到B的时间
答:(1)远地点B距地面的高度.
(2)沿着椭圆轨道从A到B的最短时间.
解析
解:(1)飞船在B点所受的万有引力提供向心力:,
所以:
由黄金代换式GM=gR2,
所以:
故远地点B距地面的高度为.
(2)椭圆轨道的半长轴:
根据开普勒第三定律
联立以上几个公式解得:
所以沿着椭圆轨道从A到B的时间
答:(1)远地点B距地面的高度.
(2)沿着椭圆轨道从A到B的最短时间.
一颗质量为m的人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,卫星到地心的距离为r,周期为T,已知引力常量G,求:
(1)卫星的速度大小.
(2)地球的质量.
正确答案
解:(1)据线速度与周期的关系有卫星运行的线速度
(2)根据万有引力提供圆周运动向心力有:
可得地球的质量M=
答:(1)卫星的速度大小为;(2)地球的质量M为
.
解析
解:(1)据线速度与周期的关系有卫星运行的线速度
(2)根据万有引力提供圆周运动向心力有:
可得地球的质量M=
答:(1)卫星的速度大小为;(2)地球的质量M为
.
在圆轨道上运动着质量为m的人造地球卫星,它到地面的距离等于地球半径R,地球表面重力加速度为g,则( )
正确答案
解析
解:A、根据,GM=gR2,解得卫星运动的速度v=
,故A错误.
B、卫星运动的周期T==
,故B正确.
C、卫星运动的加速度a=,故C错误,D正确.
故选:BD.
关于绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星,以下判断正确的是( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力,解得
.
由此可知线速度大小,与卫星的质量无关,只与轨道半径有关,轨道半径越大则线速度越小,轨道半径越小,则线速度越大,故ABD错误、C正确.
故选:C.
2011年3月,日本发生了9.0级大地震,在这次抗震救灾行动中,为了及时了解灾情,利用卫星对灾区进行了全天候的监测,若参与监测的甲、乙两颗人造地球卫星在同一轨道平面上的不同高度处同向运动(可视为匀速圆运动),甲距地面的高度为地球半径的0.5倍,乙距地面的高度为地球半径的5倍,两卫星在某一时刻正好位于地球表面某点的正上空.求:
(1)两卫星运行的线速度之比?
(2)乙卫星至少要经过多少周期,两卫星间的距离才会达到最大?
正确答案
解:(1)卫星的向心力由万有引力提供,,
解得v=,
甲的轨道半径为1.5R,乙的轨道半径为6R,可知甲乙的轨道半径之比为1:4,
则线速度之比为2:1.
(2)根据得,T=
,
因为轨道半径之比为1:4,则周期之比T甲:T乙=1:8,
又因为卫星间的距离第一次最大时,它们转过的角度差π:,
解得t=.
答:(1)两卫星运行的线速度之比为2:1.
(2)乙卫星至少要经过周期,两卫星间的距离才会达到最大.
解析
解:(1)卫星的向心力由万有引力提供,,
解得v=,
甲的轨道半径为1.5R,乙的轨道半径为6R,可知甲乙的轨道半径之比为1:4,
则线速度之比为2:1.
(2)根据得,T=
,
因为轨道半径之比为1:4,则周期之比T甲:T乙=1:8,
又因为卫星间的距离第一次最大时,它们转过的角度差π:,
解得t=.
答:(1)两卫星运行的线速度之比为2:1.
(2)乙卫星至少要经过周期,两卫星间的距离才会达到最大.
两颗人造卫星绕地球做稳定的匀速圆周运动,它们的动能相等,它们的质量之比为1:4,则它们的( )
正确答案
解析
解:A、两颗人造卫星绕地球做稳定的匀速圆周运动,它们的动能相等,它们的质量之比为1:4,
根据EK=mv2,
所以速率之比为2:1,
卫星做圆周运动,由万有引力提供向心力,则有:F==m
r=m
v=,
所以半径之比为1:4,故AB错误;
C、T=2π ,所以周期之比为1:8,故C错误;
D、F=,所以向心力之比为4:1,故D正确;
故选:D.
质量相同的人造卫星,如果在不同轨道上绕地球做匀速圆周运动,那么下列判断中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、B、根据万有引力提供向心力,列出等式:
=F向 M为地球质量,r为轨道半径.
质量相同的人造卫星,轨道半径大的卫星所受向心力小.故A错误,B正确.
C、D、根据万有引力提供向心力,列出等式:
=
v=
所以轨道半径大的卫星运行线速度小,故C错误,D正确.
故选:BD.
关于近地卫星、同步卫星、赤道上的物体,以下说法正确的( )
正确答案
解析
解;A、近地卫星、同步卫星的向心力是由万有引力提供,而赤道上的物体,由万有引力与支持力的合力提供,故A错误.
BC、根据万有引力提供向心力知v=
即r越大,v越小,由于同步卫星的轨道半径大于近地卫星的半径,即同步卫星的线速度小于近地卫星的线速度;同步卫星、赤道上的物体的角速度相等,由v=ωr知的同步卫星线速度大于赤道上的物体的线速度,故B错误、C正确.
D、根据万有引力提供向心力知ω=
,即r越大,ω越小,同步卫星的轨道半径大于近地卫星的半径,故赤道上的物体和同步卫星的角速度相等均小于沿赤道上空运动的近地卫星的角速度,同步卫星的周期大于近地卫星的周期,故D正确.
故选:CD.
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