- 万有引力与航天
- 共16469题
一宇航员站在某质量分布均匀的星球表面上沿竖直方向以初速度v0竖直向上抛出一个小球,测得小球经时间t落回抛出点,已知该星球半径为R,万有引力常量为G,求:
(1)该星球的重力加速度g
(2)该星球的第一宇宙速度.
正确答案
解:(1)根据小球做竖直上抛运动的位移时间关系x=可得,物体经过时间t回到抛出点的位移为0,所以星球表面的重力加速度
(2)星球表面重力与万有引力相等,近地卫星的轨道半径为R,由万有引力提供圆周运动向心力有:
得该星球的第一宇宙速度
答:(1)该星球的重力加速度为
(2)该星球的第一宇宙速度为
解析
解:(1)根据小球做竖直上抛运动的位移时间关系x=可得,物体经过时间t回到抛出点的位移为0,所以星球表面的重力加速度
(2)星球表面重力与万有引力相等,近地卫星的轨道半径为R,由万有引力提供圆周运动向心力有:
得该星球的第一宇宙速度
答:(1)该星球的重力加速度为
(2)该星球的第一宇宙速度为
同步卫星A距地面高度为h,近地卫星B距地面高度忽略不计,地球半径为R,地面上赤道处物体C相对于地面静止.A、B、C三者向心加速度、线速度的大小关系,下面说法正确的是( )
正确答案
解析
解:卫星的向心力由万有引力提拱,则对AB由万有引力公式可求得向心加速度及线速度之比;故=ma可得:
a=;故同步卫星与近地卫星的加速度之比为:
;
由而线速度之比为:可得:
;
而对于地球赤道上的物体,由于万有引力不全部充当向心力,故只能先比较AC;
因同步卫星的角速度与地球上的物体的角速度相同,故加速度及线速度之比均与半径成正比;故=
;
=
则可得出;
;故AC正确,BD错误;
故选AC.
(2014春•株洲校级月考)从地球发射火箭到火星去进行探测,发射后火箭以太阳为焦点做椭圆轨道运动,为了节省能量,火箭离开地球的速度方向与地球的绕日公转速度方向一致,并且选择适当的发射时机,使火箭椭圆轨道的远日点为火星,轨道的近日点为地球.假定地球和火星均绕日做匀速圆周运动,其轨道半径分别为r和R,忽略其他行星对火箭的作用.
(1)根据机械能守恒和开普勒第二定律,试求火箭发射的对地速度大小.(用其他方法得出正确答案同样给分)
(2)火箭到达火星需要多长时间?
正确答案
解:(1)设太阳、火箭质量分别为M、m,火箭在近日点和远日点的速度分别为v1,v2.
由机械能守恒和开普勒定律
知m
-
=
m
-
rv1=Rv2,
由此二式得v1=,
这是火箭在离开地球时对日速度,而v地=,
则火箭相对地球的速度v=v1-v地=(
-1)
(2)而到达火星的时间是火箭运动半个周期T,
T=T0,
故t=T0,
答:(1)火箭发射的对地速度大小是(
-1).
(2)火箭到达火星需要T0 .
解析
解:(1)设太阳、火箭质量分别为M、m,火箭在近日点和远日点的速度分别为v1,v2.
由机械能守恒和开普勒定律
知m
-
=
m
-
rv1=Rv2,
由此二式得v1=,
这是火箭在离开地球时对日速度,而v地=,
则火箭相对地球的速度v=v1-v地=(
-1)
(2)而到达火星的时间是火箭运动半个周期T,
T=T0,
故t=T0,
答:(1)火箭发射的对地速度大小是(
-1).
(2)火箭到达火星需要T0 .
如图所示,一颗人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,卫星离地面的高度为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)卫星的速度大小v;
(2)卫星的周期T.
正确答案
解:(1)设卫星的质量为m,根据万有引力定律得
①
解得
(2)根据圆周运动的公式
②
联立①②解得
答:(1)卫星的速度大小;
(2)卫星的周期 .
解析
解:(1)设卫星的质量为m,根据万有引力定律得
①
解得
(2)根据圆周运动的公式
②
联立①②解得
答:(1)卫星的速度大小;
(2)卫星的周期 .
如图所示,地球赤道上的物体A、近地卫星B和同步卫星C均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动.设A、B、C的运动速率分别为v1、v2、v3,向心加速度分别为a1、a2、a3,则( )
正确答案
解析
解:A、赤道上的物体A与同步通信卫星C转动周期相同,角速度相同,根据v=ωr,
由于赤道上的物体的轨道半径小于同步通信卫星的轨道半径,故V1<V3;
根据卫星的线速度公式v=,由于近地卫星的轨道半径小于同步通信卫星的轨道半径,故近地卫星的线速度大于同步通信卫星的线速度,
即V3<V2;所以v1<v3<v2,故A错误,B正确;
C、赤道上的物体A与同步通信卫星C转动周期相同,根据a=ω2r,由于赤道上的物体的轨道半径小于同步通信卫星的轨道半径,故赤道上的物体加速度小于同步通信卫星的加速度,即a1<a3;
根据卫星的加速度公式a=,由于近地卫星的轨道半径小于同步通信卫星的轨道半径,故近地卫星的加速度大于同步通信卫星的加速度,即a3<a2;
所以a1<a3<a2,故C错误,D正确;
故选:BD.
我国自行研制的“神舟”五号载人飞船顺利升空,飞船在圆轨道上运行时,需要进行多次轨道维持,轨道维持就是通过飞船上的发动机的点火时间和推力,使飞船能保持在圆轨道上稳定运行.如果不进行轨道维持,飞船的轨道高度就会逐渐降低,即运行的轨道半径越来越小,若出现这种情况,则( )
正确答案
解析
解:设人造卫星的质量为m,轨道半径为r,线速度为v,公转周期为T,地球质量为M,由于人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,由万有引力提供向心力得:
G=m
r=m
=mω2r=ma
可得飞船的周期为:T=2π ,角速度为:ω=
,线速度为:v=
,向心加速度为:a=
由上式分析可知,卫星高度降低,轨道半径减小,则周期变小,角速度变大,线速度变大,向心加速度变大,故C正确,ABD错误;
故选:C.
如图是“嫦娥一号奔月”示意图,卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨,进入地月转移轨道,最终被月球引力捕获,成为绕月卫星,并开展对月球的探测.下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、绕月飞行仍在地球引力作用下运动,故卫星没有脱离地球束缚,其发射速度小于第二宇宙速度,故A错误;
B、根据万有引力提供圆周运动向心力知等式两边将消去卫星质量m,故其周期大小与卫星质量无关,所以B正确;
C、卫星受月球的引力为万有引力,根据万有引力定律知,其大小与卫星到月球中心距离的二次方成反比,故C正确.
D、卫星既受到地球的引力也受到月球的引力作用,其合力指向月球的中心,故卫星受到月球的引力大于受到地球的引力,故D错误.
故选:BC
M、N两颗质量相同的卫星绕地球做匀速圆周运动,其轨道如图所示,已知M卫星的轨道半径大于N卫星的轨道半径,则( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力得:=ma=mω2r=m
=
A、ω=,M卫星的角速度小于N卫星的角速度,所以M卫星与地球中心连线在相等的时间内转过的角度较小,故A错误;
B、卫星从低轨道到高轨道需要克服引力做较多的功,所以M卫星的机械能大于N卫星的机械能,故B正确;
C、a=,M卫星的加速度小于N卫星的加速度,所以M卫星的速度变化更慢,故C错误;
D、v=,M卫星的线速度小于N卫星的线速度,所以M卫星在相同的时间内经过的路程较短,故D错误;
故选:B.
两个质量不同的人造卫星在同一圆周轨道上一前一后绕地球做匀速圆周运动,则它们一定具有相同的( )
正确答案
解析
解:卫星做圆周运动,由万有引力提供向心力,则有:
F==ma=m
r=m
A、T=2π ,两个质量不同的人造卫星在同一圆周轨道上一前一后绕地球做匀速圆周运动,所以它们一定具有相同的周期,故A正确;
B、v=,它们一定具有相同的速度大小,方向不同,故B错误;
C、a=,它们一定具有相同的加速度大小,方向不同,故C错误;
D、F=,它们一定具有相同的向心力大小,方向不同,故D错误;
故选:A.
北京时间2012年2月25日凌晨O时12分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,将第十一颗“北斗”导航卫星成功送入太空预定转移轨道,这是一颗地球静止轨道卫星,“北斗”导航卫星定位系统由静止轨道卫星(同步卫星)、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成,中轨道卫星轨道半径约为27900公里,静止轨道卫星的半径约为42400公里.(≈0.53可供应用),下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,=ma,
加速度a=,
轨道半径越大,向心加速度越小,中轨道卫星的轨道半径小,向心加速度大.故A错误;
B、根据=m
r
T=2π,中轨道卫星轨道半径约为27900公里,静止轨道卫星的半径约为42400公里,
所以中轨道卫星和静止轨道卫星的周期比为0.53.则中轨道卫星的周期T1=0.53×24h=12.7h.故B错误,C正确;
D、地球赤道上随地球自转物体和静止轨道卫星具有相同的角速度,根据a=rω2,知静止轨道卫星的向心加速度大.故D错误.
故选:C.
(2016•武清区校级模拟)甲、乙两颗人造卫星均绕地球做匀速圆周运动,已知卫星甲的轨道半径为r,卫星乙的轨道半径为2r,若卫星乙的线速度大小为v,则卫星甲的线速度大小为( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力,得:v=
,
所以,则
,故B正确.
故选:B
某行星的质量为地球质量的16倍,半径为地球半径的4倍,已知地球的第一宇宙速度为7.9km/s,该行星的第一宇宙速度是多少?该行星表面的重力加速度是多少?
正确答案
解:根据得,第一宇宙速度v=
,
行星质量和地球质量之比为16:1,半径之比为4:1,则第一宇宙速度之比为2:1,
可知行星的第一宇宙速度为15.8km/s.
根据得,g=
,
行星质量和地球质量之比为16:1,半径之比为4:1,则表面的重力加速度之比为1:1,
可知行星表面的重力加速度为9.8m/s2.
答:行星的第一宇宙速度是15.8km/s,表面的重力加速度为9.8m/s2.
解析
解:根据得,第一宇宙速度v=
,
行星质量和地球质量之比为16:1,半径之比为4:1,则第一宇宙速度之比为2:1,
可知行星的第一宇宙速度为15.8km/s.
根据得,g=
,
行星质量和地球质量之比为16:1,半径之比为4:1,则表面的重力加速度之比为1:1,
可知行星表面的重力加速度为9.8m/s2.
答:行星的第一宇宙速度是15.8km/s,表面的重力加速度为9.8m/s2.
用m表示地球通讯卫星(同步卫星)的质量,h表示它离地面的高度,R0表示地球的半径,g0表示地球表面处的重力加速度,ω0表示地球自转的角速度,则通讯卫星所受地球对它的万有引力的大小( )
正确答案
解析
解:在地球表面,由重力等于万有引力得
①
在卫星位置,由重力等于万有引力得
②
由①②得:
通讯卫星所受万有引力的大小.
同步卫星做圆周运动由万有引力提供向心力得:
所以
故BC正确,AD错误.
故选:BC.
如图,我国发射的“嫦娥二号”卫星运行在距月球表面100km的圆形轨道上,到A点时调整成沿椭圆轨道运行,至距月球表面15km的B点作近月拍摄,以下判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、卫星在圆轨道上运行时处于失重状态,受重力作用.故A错误.
B、卫星从圆轨道进入椭圆轨道须减速制动.故B正确.
C、根据动能定理得,从A到B的过程,万有引力做正功,则动能增大,所以A的速度小于B点的速度.故C正确,
D、根据=ma得:a=
,
所以沿圆轨道运行时在A点的加速度和沿椭圆轨道运行时在A点的加速度大小相等,故D错误.
故选:BC.
研究表明,地球自转在逐渐变慢,自转周期逐渐变大,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,地球的其他条件都不变,未来人类发射的地球同步卫星与现在的相比( )
正确答案
解析
解:设同步卫星的质量为m,轨道半径为r,地球的质量为M,则有:
G=m
=m
=mω2r=ma向
得周期为:T=2π,线速度为:v=
,则角速度为:ω=
,向心加速度a向=
由题意知,现在同步卫星的周期变大,则知,其轨道半径r增大,则线速度v减小,角速度ω减小,向心加速度减小,故A正确,B错误,C错误,D错误.
故选:A
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