- 万有引力与航天
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在圆轨道上运动质量为m的人造地球卫星,与地面的距离等于地球半径R,已知地球表面重力加速度为g.求:
(1)卫星运动速度大小的表达式?
(2)卫星运动的周期是多少?
正确答案
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
F=F向即:
而:r=R+R=2R
又因为:
所以:
答:(1)卫星运动速度大小的表达式;(2)卫星运动的周期
.
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
F=F向即:
而:r=R+R=2R
又因为:
所以:
答:(1)卫星运动速度大小的表达式;(2)卫星运动的周期
.
如图所示,为赤道上随地球自转的物体A、赤道上空的近地卫星B和地球的同步卫星C的运动示意图,若它们的运动都可视为匀速圆周运动,则比较三个物体的运动情况,以下判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、C、卫星C为同步卫星,周期与A物体周期相等;又万有引力提供向心力,即:=mR
,得T=
所以B的周期小于C的周期.则C错误,由
可知ωC<ωB则A正确
B、BC的向心力由万有引力提供即:,aC<aB,故B错误;
D、AC比较,角速度相等,由v=ωr,可知υA<υC则D错误
故选:A
已知近地轨道卫星的线速度V0约为8km/s,周期T0约为85分钟.现有某一人造地球卫星距离地面的高度为3R(R为地球的半径).求:该人造地球卫星的线速度V和周期T.
正确答案
解:研究卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
F==
=m
线速度v=,
近地轨道卫星的轨道半径是R,
距离地面的高度为3R人造地球卫星的轨道半径是4R,
所以近地轨道卫星与距离地面的高度为3R人造地球卫星的线速度之比是=
近地轨道卫星的线速度V0约为8km/s,
所以该人造地球卫星的线速度V=4km/s.
周期T=2π,
近地轨道卫星与距离地面的高度为3R人造地球卫星的周期之比是=
=
近地轨道卫星的周期T0约为85分钟,所以该人造地球卫星的周期T=680分钟.
答:该人造地球卫星的线速度是4km/s,周期是680分钟.
解析
解:研究卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
F==
=m
线速度v=,
近地轨道卫星的轨道半径是R,
距离地面的高度为3R人造地球卫星的轨道半径是4R,
所以近地轨道卫星与距离地面的高度为3R人造地球卫星的线速度之比是=
近地轨道卫星的线速度V0约为8km/s,
所以该人造地球卫星的线速度V=4km/s.
周期T=2π,
近地轨道卫星与距离地面的高度为3R人造地球卫星的周期之比是=
=
近地轨道卫星的周期T0约为85分钟,所以该人造地球卫星的周期T=680分钟.
答:该人造地球卫星的线速度是4km/s,周期是680分钟.
“神舟”九号飞船一飞冲天,一举成功.火箭点火竖直升空时,处于加速过程,这种状态下宇航员所受支持力F与在地表面时重力mg的比值K=称为载荷值.(地球表面的重力加速度为g)
(1)假设宇航员在加速过程载荷值的最大值为K=6,求加速过程的加速度;
(2)“神舟”九号飞船发射成功后,进入轨道半径约为r=6.7×106m圆形轨道稳定运行.已知地球的半径为R=6.4×106m,估算出飞船绕地球飞行一圈需要的时间.(π2≈g)
正确答案
解:(1)由K=6可知,F=6mg,由牛顿第二定律可得:F-mg=ma
即:6mg-mg=ma
解得:
a=5g
(2)由万有引力提供向心力周期表达式可得:G=mr(
)2
在地面上万有引力等于重力:G=mg
解得:
T==
=5420s
答:(1)加速过程的加速度为5g;(2)飞船绕地球飞行一圈需要的时间为5420s.
解析
解:(1)由K=6可知,F=6mg,由牛顿第二定律可得:F-mg=ma
即:6mg-mg=ma
解得:
a=5g
(2)由万有引力提供向心力周期表达式可得:G=mr(
)2
在地面上万有引力等于重力:G=mg
解得:
T==
=5420s
答:(1)加速过程的加速度为5g;(2)飞船绕地球飞行一圈需要的时间为5420s.
北斗导航系统又被称为“双星定位系统”,具有导航、定位等功能.“北斗”系统中两颗工作卫星1和2均绕地心O做匀速圆周运动,轨道半径均为r,某时刻两颗工作卫星分别位于轨道上的A、B两位置,如图所示.若卫星均顺时针运行,地球表面处的重力加速度为g,地球半径为R,不计卫星间的相互作用力.以下判断中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据,GM=gR2,联立解得a=
.轨道半径相等,则向心加速度大小相等.故A正确.
B、根据,GM=gR2,联立解得
,则卫星从位置A运动到位置B的时间t=
.故B错误.
C、如果卫星1加速,万有引力不够提供向心力,做离心运动,离开原轨道,不会追上卫星2.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A.
如图所示,一航天器围绕地球沿椭圆形轨道运动,地球的球心位于该椭圆的一个焦点上,A、B两点分别是航天器运行轨道上的近地点和远地点.若航天器所受阻力可以忽略不计,则该航天器( )
正确答案
解析
解:A、当卫星的速度增加到第二宇宙速度时,将脱离地球的束缚,到太阳系中绕太阳运动,故A正确;
B、根据开普勒第二定律可知:在近地点的速度大于远地点的速度,所以A点的速度大于B点的速度,即由近地点A运动到远地点B的过程中动能减小,故B正确;
C、万有引力指向地心,从A到B的过程,位移的方向与万有引力的方向相反,故万有引力做负功,故C错误;
D、根据牛顿第二定律和万有引力定律得:a=,因为A的轨道半径小于B的轨道半径,所以在近地点A的加速度大于它在远地点B的加速度,故D错误.
故选AB.
质量相等的甲、乙两颗卫星分别贴近某星球表面和地球表面围绕其做匀速圆周运动,已知该星球和地球的密度相同,半径之比为2:1,则( )
正确答案
解析
解:设星球的半径是R,地球的半径是r.
A、万有引力分别提供两者的向心力,即,故an=
=
ρ=
Gπρr,故甲、乙两颗卫星的加速度之比等于R:r=2:1,故A正确.
B、由Fn=man,由于卫星质量未知,无法确定万有引力之比,结合A分析知,B错误.
C、由于an=,所以v=
,结合A的分析知,线速度之比为R:r=2:1,故C错误.
D、由线速度公式v=,结合C分析知,甲、乙两颗卫星的周期之比等于1:1,故D正确.
故选:AD
在一忽略自转的小星球上,一辆汽车静止时对地面的压力为N1,当其以速度v行驶时,对地面的压力为N2,则该星球的第一宇宙速度为( )
正确答案
解析
解:忽略自转的小星球上,一辆汽车静止时对地面的压力为N1,
N1=mg ①
当其以速度v行驶时,对地面的压力为N2,运用牛顿第二定律得
mg-N2= ②
星球的第一宇宙速度就是近表面卫星运行的速度,即地面支持力为零.
即mg=③
解得第一宇宙速度v′=
故选B.
人造卫星绕地球做匀速圆周运动,它的速率、周期跟轨道半径的关系是( )
正确答案
解析
解:
由万有引力提供向心力:
解得:
可知半径越大,速率越小,
由:
解得:
可知半径越大,周期越大,故C正确,ABD错误.
故选:C.
如图所示,在同一轨道平面上,绕地球做圆周运动的卫星A、B和C,某时刻恰好在同一直线上,当卫星B运转一周时,下列说法正确的有( )
正确答案
解析
解:由题意知卫星运动轨道半径关系满足:rA<rB<rC,卫星运动向心力由万有引力提供故有:
A、角速度,因为rA<rB<rC,所以ωA>ωB>ωC,故A错误;
B、,因为ωA>ωB>ωC,所以TA<TB<TC,所以A超前于B,C落后B,故B正确;
C、据ωA>ωB>ωC知,频率fA>fB>fC,因为A的频率大,转动快,故A超前于B而不是落后,同理B超前于C,故C错误;
D、线速度v=,因为rA<rB<rC,所以vA>vB>vC,故D错误.
故选:B
设地球半径为R0,质量为m 的卫星在距地面R0高处做匀速圆周运动,地面的重力加速度为g,则( )
正确答案
解析
解:A、根据及GM=gR02解得:v=
,故A正确;
D、根据万有引力提供向心力及GM=gR02解得:T=
,故D错误;
B、根据ω=得:ω=
,故B正确;
C、根据及GM=gR02解得:a=
,故C正确.
故选ABC
(2016•长春模拟)某国成功发射了一颗卫星,该卫星在近地点高度494.6公里、远地点高度500公里的轨道上运行,它的运行轨道可视为圆周,运行周期为94分24秒,关于该卫星下列表述正确的是( )
正确答案
解析
解:A、所有地球卫星的轨道平面一定过地心,选项A错误;
B、第一宇宙速度是最小发射速度也是最大环绕速度,则发射卫星时速度一定超过第一宇宙速度,选项B错误;
C、该卫星轨道低于同步卫星轨道,由知半径越小速度越大.所以运行速度大于同步卫星的运行速度,选项C正确;
D、卫星加速后将做离心运动,偏离原轨道,不能直接追上同轨道的卫星,选项D错误.
故选:C
在同一轨道平面上的几个人造地球卫星A、B、C,在某一时刻恰好在同一直线上,则( )
正确答案
解析
解:A、根据v=中距离r的变化去判断速度大小关系是错误的,因为随着距离r的变化,g也在改变.
研究卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
v=,其中M为地球质量,r为轨道半径.所以vA>vB>vC.
故A错误.
B、卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
a=,其中M为地球质量,r为轨道半径.
所以向心加速度aA>aB>aC.故B正确.
C、根据万有引力定律知:F=由于不知道人造星球卫星A、B、C的质量关系,所以卫星A、B、C与地球的引力无法比较.故C错误.
D、研究卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
T=,其中M为地球质量,r为轨道半径.
所以TA<TB<TC.所以运动一周后,A先回到原地点.故D正确.
故选BD.
人造地球卫星在圆形轨道上绕地球运转,它的轨道半径、周期和环绕速度的关系是( )
正确答案
解析
解:人造地球卫星在绕地球做圆周运动时地球对卫星的引力提供圆周运动的向心力
故有=m
=m
v=,半径越小,速度越大,半径越大,速度越小.
T=2π,半径越小,周期越小,半径越大,周期越大,故ACD错误,B正确
故选B.
我国在西昌卫星发射中心,将巴基斯坦通信卫星成功送入地球同步轨道,发射任务获得圆满成功.关于成功定点后的同步卫星,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、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,所以地球同步卫星运行的线速度小于第一宇宙速度,故A错误;
B、同步卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,可得r=
,同步卫星的周期与地球自转周期相同,所以同步卫星离地面的高度一定,同步卫星运行轨道只能位于地球赤道平面上的圆形轨道,故B正确;
C、同步卫星与赤道上的物体具有相同的周期和角速度,根据公式v=ωr得同步卫星的线速度比静止在赤道上的物体的线速度大,故C正确;
D、同步卫星绕地球匀速圆周运动,万有引力完全提供向心力,卫星中物体处于完全失重状态,所受重力完全提供圆周运动向心力,不是不再受重力作用,故D错误.
故选:BC.
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