- 万有引力与航天
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2012年4月30日,我国用一枚“长征3号乙”火箭成功发射两颗北斗导航卫星.若该卫星绕地球做匀速圆周运动的半径为r,地球质量为M,半径为R,万有引力常量为G,下列表述正确的是( )
正确答案
解析
解:A、B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,其速度为v=,加速度为a=
=
.故A错误,B正确.
C、若某一卫星加速,卫星所受万有引力没有变化,而所需要的向心力增大,则卫星将做离心运动,其做圆周运动的半径将会变大.故C正确.
D、卫星上的物体处于完全失重的状态,但仍受地球的引力作用.故D错误.
故选:BC.
绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10km/s.______(判断对错).
正确答案
错
解析
解:地球的第一宇宙速度为7.9km/s,是贴着星球表面做匀速圆周运动的线速度,根据v=知,该速度是绕地球做匀速圆周运动最大的环绕速度.所以绕地球做圆周运动的人造卫星的速度不可能为10km/s.
故答案为:错.
我国的“嫦娥奔月”月球探测工程已经启动,分“绕、落、回”三个发展阶段:在2007年发射一颗绕月球飞行的卫星在2012年前后发射一颗月球软着陆器;在2017年前后发射一颗返回式月球软着陆器,进行首次月球样品自动取样并安全返回地球,设想着陆器完成了对月球表面的考察任务后,由月球表面回到围绕月球做圆周运动的轨道舱,其过程如图所示.设轨道舱的质量为m,月球表面的重力加速度为g,月球的半径为R,轨道舱到月球中心的距离为r,引力常量为G,则试求:
(1)月球的质量;
(2)轨道舱的速度和周期.
正确答案
解:(1)设月球的质量为M,着陆器的质量为m0
着陆器在月球表面上的重力等于万有引力:m0g=G
解得,M=.
(2)轨道舱绕月球做圆周运动,由万有引力提供向心力,则得:
G=m
解得,v==
周期为 T==2πr
=2πr
答:(1)月球的质量是;(2)轨道舱的速度是
,周期为2πr
.
解析
解:(1)设月球的质量为M,着陆器的质量为m0
着陆器在月球表面上的重力等于万有引力:m0g=G
解得,M=.
(2)轨道舱绕月球做圆周运动,由万有引力提供向心力,则得:
G=m
解得,v==
周期为 T==2πr
=2πr
答:(1)月球的质量是;(2)轨道舱的速度是
,周期为2πr
.
2011年11月3日,神舟八号飞船首次成功与天宫一号实现交会对接,为中国航天第三步建设空间站做好了准备,实现了我国空间技术发展的重大跨越.若已知飞船在地球上空的圆轨道上运行时离地面的高度为h.地球半径为R,地球表面的重力加速度为g.求飞船在该圆轨道上运行时:
(1)速度v的大小和周期T.
(2)速度v与第一宇宙速度的比值.
正确答案
解:(1)根据万有引力提供向心力有:
根据万有引力等于重力有:
解得:
T=.
(2)设第一宇宙速度为v1,
有:,解得:
.
则:.
答:(1)速度v的大小和周期T分别为、
.
(2)速度v与第一宇宙速度的比值为.
解析
解:(1)根据万有引力提供向心力有:
根据万有引力等于重力有:
解得:
T=.
(2)设第一宇宙速度为v1,
有:,解得:
.
则:.
答:(1)速度v的大小和周期T分别为、
.
(2)速度v与第一宇宙速度的比值为.
有a、b、c、d四颗地球卫星,a还未发射,在地球赤道上随地球表面一起转动,b处于地面附近近地轨道上正常运动,c是地球同步卫星,d是高空探测卫星,各卫星排列位置如图,则有( )
正确答案
解析
解:A、同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,角速度相同,则知a与c的角速度相同,根据a=ω2r知,c的向心加速度大.
由=mg,得g=
,卫星的轨道半径越大,向心加速度越小,
则同步卫星的向心加速度小于b的向心加速度,而b的向心加速度约为g,故知a的向心加速度小于重力加速度g.故A错误;
B、c是地球同步卫星,周期是24h,则c在4h内转过的圆心角是.故B错误;
C、由=m
,
得v=,卫星的半径越大,速度越小,所以b的速度最大,在相同时间内转过的弧长最长.故C正确;
D、由开普勒第三定律=k知,卫星的半径越大,周期越大,所以d的运动周期大于c的周期24h.故D错误;
故选:C.
2007年10月24日18:05时“嫦娥1号”探月卫星成功发射,最后绕月球做匀速圆周运动.已知“嫦娥1号”距离月球表面高度为h,月球表面重力加速度为g,月球半径为R,求:
(1)“嫦娥1号”绕月飞行的周期T=?
(2)在月球表面上发射一颗绕它运行的卫星的最小发射速度为多少?
正确答案
解:(1)嫦娥1号做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,
=m
①
在月球表面,根据万有引力等于重力列出等式,
=mg ②
由①②联立解得:T=2π,
(2)发射卫星的最小速度等于贴近月球表面做匀速圆周运动的速度,
根据万有引力提供向心力得:=m
③
由②③联立解得:v=,
答:(1)“嫦娥1号”绕月飞行的周期是2π,
(2)在月球表面上发射一颗绕它运行的卫星的最小发射速度为.
解析
解:(1)嫦娥1号做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,
=m
①
在月球表面,根据万有引力等于重力列出等式,
=mg ②
由①②联立解得:T=2π,
(2)发射卫星的最小速度等于贴近月球表面做匀速圆周运动的速度,
根据万有引力提供向心力得:=m
③
由②③联立解得:v=,
答:(1)“嫦娥1号”绕月飞行的周期是2π,
(2)在月球表面上发射一颗绕它运行的卫星的最小发射速度为.
2007年10月24日,中国第一颗人造月球卫星--“嫦娥一号”成功发射,11月5日进入38万公里以外的月球轨道,11月24日传回首张图片,这是我国航天事业的又一成功.如果在这次探测工程中要测量月球的质量,则需要知道的物理量有(卫星围绕月球的运动可以看作匀速圆周运动,已知万有引力常量)( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力,得
,
要计算月球的质量,需要知道绕其运动的卫星的轨道半径和周期,与卫星的质量无关.
A、已知卫星的质量和月球的半径,无法计算月球的质量,故A错误.
B、已知卫星绕月球运动的周期和卫星绕月球运动的半径,根据,可以计算月球的质量.故B正确.
C、已知月球的半径和卫星绕月球运动的周期,无法计算月球的质量,故C错误.
D、已知星的质量、月球的半径和卫星绕月球运动的周期,根据,无法计算月球的质量,故D错误.
故选:B.
如图所示,a是地球赤道上随地球一起转动的物体,b、c、d是人造地球卫星,b在近地轨道上正常运动,c是地球同步卫星,d是高空探测卫星,则有( )
正确答案
解析
解:A、同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,角速度相同,则知a与c的角速度相同,
根据a=ω2r知,c的向心加速度大于a的向心加速度.
由=mg,
得g=,卫星的轨道半径越大,向心加速度越小,
则c的向心加速度小于b的向心加速度,
而b的向心加速度约为g,所以知a的向心加速度小于重力加速度g.故A错误;
B、由,
得v=,卫星的半径越大,速度越小,所以b的速度最大,在相同时间内转过的弧长最长.故B正确;
C、c是地球同步卫星,周期是24h,则c在4h内转过的圆心角是.故C正确;
D、由开普勒第三定律=k知,卫星的半径越大,周期越大,所以d的运动周期大于c的周期24h.故D正确;
故选:BCD
我国于2007年10月24日发射的“嫦娥一号”探月卫星已正常工作近8个月了.若已知“嫦娥一号”卫星的质量为m,月球的质量为M,万有引力恒量为G,当“嫦娥一号”与月球球心之间的距离为r时,它受到月球的万有引力大小为______;若“嫦娥一号”在半径为R的圆周上绕月球作周期为T的圆周运动,则它运行的线速度大小为______.
正确答案
解析
解:根据万有引力定律得:
“嫦娥一号”受到月球的万有引力大小F=,
根据圆周运动的公式v=得:
它运行的线速度大小为.
故答案为:,
.
我国航天事业处于世界领先地位.我国自行研制的风云二号气象卫星和神舟号飞船都绕地球做匀速圆周运动.风云二号离地面的高度是36000km,神舟号飞船离地面的高度是340km.以下说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:万有引力提供圆周运动向心力有:
A、又因为第一宇宙速度是近地卫星运动速度,所以知它们的线速度都小于第一宇宙速度,故A错误;
B、a=知轨道半径大的向心加速度小,故B正确;
C、知轨道半径大的线速度小,故C错误;
D、知轨道半径大的周期大,故D正确;
故选BD
研究表明,地球的自转在逐渐变慢,3亿年前地球自转的周期约为22小时.假设这种趋势会持续下去,认为其他条件都不改变,则未来人类发射的地球同步卫星与现在的相比是( )
正确答案
解析
解:地球同步卫星绕地球圆周运动时万有引力提供圆周运动向心力有:
可得卫星周期T=,可知周期变大时,卫星距地面高度h增大;
卫星的线速度v=,可知卫星离地高度h变大时,卫星的线速度变小.
所以B正确,ACD错误.
故选:B.
(2015秋•北京月考)如图所示为北斗导航系统的部分卫星,每颗卫星的运动可视为匀速圆周运动.下面说法不正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,有G,得
,因为a、b的轨道半径相等,故a、b的周期相等,故选项A正确;
B、根据万有引力提供向心力,得v=,c的轨道半径小于a的轨道半径,故线速度va<vc,选项B正确;
C、根据万有引力提供向心力,得,因c的轨道半径小于b的轨道半径,故角速度ωb<ωc,选项C正确;
D、根据万有引力提供向心力,得,因为a、b的轨道半径相等,故a、b的加速度大小相等,但加速度的方向不同,所以加速度不同,选项D错误
因选错误的,故选:D
已知一颗人造卫星在某行星表面上空做匀速圆周运动,经时间t,卫星的行程为s,它与行星中心的连线扫过的角度为θ(rad),那么,卫星的环绕周期为______,该行星的质量为______.(设万有引力恒量为G)
正确答案
解析
解:(1)由圆周运动的规律得:T=2,
ω=
得:T=.
(2)卫星在行星表面上做圆周运动,
由万有引力提供向心力得:GM=mω2R,
而R=,
解得:M=
故答案为:
有一颗绕地球做匀速圆周运动的卫星,卫星轨道平面与地球赤道平面重合,地球半径为R0,地球表面重力加速度为g,卫星运动的周期为4π
.太阳光近似地认为是平行光,试计算:
(1)卫星到地心的距离;
(2)在卫星绕地球一周过程中,安装在卫星上的太阳能收集板工作的时间.
正确答案
解:(1)设卫星到地心的距离为r.
地球卫星做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律:G=m
r
在地球表面有:G=m′g
又据题意知T=4π
联立解得 r=2R0.
如图,当卫星在阴影区时不能接受阳光,据几何关系:
∠AOB=∠COD=
卫星绕地球一周,太阳能收集板工作时间为:
t=T=
.
答:
(1)卫星到地心的距离是2R0;
(2)在卫星绕地球一周过程中,安装在卫星上的太阳能收集板工作的时间是.
解析
解:(1)设卫星到地心的距离为r.
地球卫星做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律:G=m
r
在地球表面有:G=m′g
又据题意知T=4π
联立解得 r=2R0.
如图,当卫星在阴影区时不能接受阳光,据几何关系:
∠AOB=∠COD=
卫星绕地球一周,太阳能收集板工作时间为:
t=T=
.
答:
(1)卫星到地心的距离是2R0;
(2)在卫星绕地球一周过程中,安装在卫星上的太阳能收集板工作的时间是.
我国“北斗”卫星导航技术堪比美国GPS.已知“北斗”卫星导航系统中某卫星的运行周期约为12小时,则此卫星与北斗导航系统中的地球同步卫星相比较( )
正确答案
解析
解:根据=mrω2,
设该卫星周期为T;同步卫星周期为T同;
由题意有:T同>T
据有r同>r
A、据v= 得v同<v;所以A正确;
B、据ω= 得ω同<ω,所以B正确;
C、轨道半径有有r同>r;故C错误;
D、a=,得a同<a,故D正确.
故选:ABD.
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