- 万有引力与航天
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“天宫一号”“神舟八号”交会对接成功,标志着我国在对接技术上迈出了重要一步.用M代表“神舟八号”,N代表“天宫一号”,它们对接前做圆周运动的情形如图所示.则( )
正确答案
解析
解:A、发射的速度若大于第二宇宙速度,将挣脱地球的引力,不再绕地球运行,所以M的发射速度一定小于第二宇宙速度.故A错误.
B、M处于低轨道,需加速,使得万有引力不够提供向心力,做离心运动,可能与N实现对接.故B正确.
C、根据得,v=
,知轨道半径越大,线速度越小,则对接前,M的运行速度大于N的运行速度.故C正确.
D、轨道半径越大,线速度越小,第一宇宙速度的轨道半径等于地球的半径,则对接后的运行速度小于第一宇宙速度.故D错误.
故选BC.
圆轨道上运动的质量为m的人造地球卫星,它到地球表面的距离等于地球半径R,地球表面上的重力加速度为g,则
(1)这颗人造卫星的周期为多少?
(2)此时人造卫星的线速度有多大?
(3)此时人造卫星的动能有多大?
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,设地球质量为M、卫星的轨道半径为r,则有:
=m
=m
r
r=2R
忽略地球自转的影响有:=mg
解得:T=2π=4π
(2)v==
,
(3)卫星的动能为:Ek=mv2=
mgR,
答:(1)这颗人造卫星的周期为4π
(2)此时人造卫星的线速度有,
(3)此时人造卫星的动能有mgR.
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,设地球质量为M、卫星的轨道半径为r,则有:
=m
=m
r
r=2R
忽略地球自转的影响有:=mg
解得:T=2π=4π
(2)v==
,
(3)卫星的动能为:Ek=mv2=
mgR,
答:(1)这颗人造卫星的周期为4π
(2)此时人造卫星的线速度有,
(3)此时人造卫星的动能有mgR.
利用探测器探测某行星,先让探测器贴近该星球表面飞行,测得做圆周运动的周期为T1,然后调节探测器离行星表面的高度,当离行星表面高度为h时,探测器做圆周运动运行一周的时间为T2,则下列判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、先让探测器贴近该星球表面飞行,测得做圆周运动的周期为T1,
根据万有引力提供向心力,得:
=m
R
M=,
该行星的密度ρ==
,
然后调节探测器离行星表面的高度,当离行星表面高度为h时,探测器做圆周运动运行一周的时间为T2,
=m
(R+h)
由于不知道行星半径,所以无法求出该行星的质量,故A正确,B错误;
C、由于不知道探测器的质量,所以不可求出探测器贴近星球表面飞行时行星对它的引力,故C错误;
D、根据万有引力提供向心力,得:=m
该行星的第一宇宙速度为v=,
由于不知道行星半径,所以不可求出该行星的第一宇宙速度,故D错误;
故选:A.
如图所示,A是地球的同步卫星,另一卫星B的圆形轨道位于赤道平面内,离地面高度为h.已知地球半径为R,地球自转角速度为ω0,地球表面的重力加速度为g,O为地球中心. 则
(1)求卫星B的运行角速度ωB.
(2)若卫星B绕行方向与地球的自转方向相同,某时刻 A、B两卫星相距最近(O、B、A在同一直线上),则经过多长时间t它们相距最远(B、O、A在同一直线上).
正确答案
解:(1)根据万有引力定律和向心力公式得
G=mωB2 (R+h)
在地球表面有G=mg
联立得ωB=
(2)卫星A、B绕地球做匀速圆周运动,当卫星B转过的角度与卫星A转过的角度之差等于π的整数倍时,卫星相距最远.
则(ωB-ω0)t=(2k+1)π (k=0、1、2、…)
联立ωB值,解得t= (k=0、1、2、…)
答:(1)卫星B的运行角速度ωB为.
(2)经过它们相距最远(B、O、A在同一直线上).
解析
解:(1)根据万有引力定律和向心力公式得
G=mωB2 (R+h)
在地球表面有G=mg
联立得ωB=
(2)卫星A、B绕地球做匀速圆周运动,当卫星B转过的角度与卫星A转过的角度之差等于π的整数倍时,卫星相距最远.
则(ωB-ω0)t=(2k+1)π (k=0、1、2、…)
联立ωB值,解得t= (k=0、1、2、…)
答:(1)卫星B的运行角速度ωB为.
(2)经过它们相距最远(B、O、A在同一直线上).
(2015•柳州一模)地球的半径为R,近地卫星的速度大小为v,向心加速度为a,运行的周期为T,动能为Ek.若该卫星离地面高度为R的圆轨道上运行,则有( )
正确答案
解析
解:近地卫星圆周运动的向心力由万有引力提供有:
=ma
可得线速度为:,
周期为:T=,
加速度为:a=
该卫星离地面高度为R时,其轨道半径为2R,故可知,
线速度变为原来的倍,周期变为原来的
倍,加速度变为原来的
倍,动能
变为原来的
倍.
故ABC错误,D正确.
故选:D.
如图在发射地球同步卫星的过程中,卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ,然后在Q点通过改变卫星速度,让卫星进入地球同步轨道Ⅱ,则( )
正确答案
解析
解:A、11.2km/s是卫星脱离地球束缚的发射速度,而同步卫星仍然绕地球运动,故发射速度小于11.2km/s,故A错误;
B、7.9km/s即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,而同步卫星的轨道半径要大于近地卫星的轨道半径,根据v的表达式v=可以得出同步卫星运行的线速度一定小于第一宇宙速度,故B错误;
C、在轨道Ⅰ上,在Q点,要做向心运动,说明万有引力大于需要的向心力,故需要加速才能转移到轨道Ⅱ上,故在轨道Ⅱ上Q点的速度大于轨道Ⅰ上Q点的速度,故C正确;
D、根据牛顿第二定律,只要在Q点,万有引力一定,则加速度一定,故在轨道Ⅱ上Q点的加速度等于轨道Ⅰ上Q点的加速度,故D正确;
故选:CD.
2010年10月1日18时59分57秒,搭载着嫦娥二号卫星的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射,卫星由地面发射后,进入地月转移轨道,经多次变轨最终进入距离月球表面100公里,周期为118分钟的工作轨道,开始对月球进行探究,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知,v=
,半径越小,线速度越大.第一宇宙速度的轨道半径小于轨道Ⅲ的半径,所以在轨道Ⅲ上的运动速度比月球的第一宇宙速度小.故A错误.
B、卫星从轨道Ⅰ上的P点进入轨道Ⅲ,需减速,使得万有引力等于向心力,做圆周运动,所以卫星在轨道Ⅲ上经过P点的速度比在轨道Ⅰ上经过P点时小.故B正确.
C、卫星在轨道Ⅲ上经过P点和在轨道Ⅰ上经过P点时,万有引力相等,根据牛顿第二定律,加速度相等.故C错误.
D、卫星从轨道Ⅱ上的P点进入轨道Ⅰ,需加速,机械能增大,所以卫星在轨道Ⅰ上的机械能比在轨道Ⅱ上多.故D正确.
故选BD.
假如做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍,仍做圆周运动,则( )
正确答案
解析
解:A、人造地球卫星的轨道半径增大到原来2倍时,角速度减小,根据公式v=ωr,则卫星运动的线速度将小于原来的2倍.故A错误.
B、人造地球卫星的轨道半径增大到原来2倍时,线速度减小,根据公式F=,则卫星所需的向心力将小于原来的
.故B错误.
C、根据公式F=,地球质量M,卫星质量m不变,当r变为2r时,向心力F变为原来的
.故C错误.
D、根据B和C中给出的公式得到:v=,r变为2r,则v变为原来的
倍.故D正确.
故选:D
据报道:2014年3月27日,泰国通过“北斗卫星”搜寻马航失联客机时,在南印度洋发现了大约300个疑似与失联客机有关的漂浮物.“北斗卫星”系统的核心功能是导航和定位.据了解,使用国产北斗技术的导航系统呈高清画面,精准误差不超过2m,是美国GPS(技术误差6m)精准度的3倍.“北斗卫星”系统中两颗质量不相等(m1>m2)的工作卫星在轨道半径为r的同一轨道绕地心O做逆时针的匀速圆周运动,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,已知地球表面的重力加速度为g,地球半径为R,∠AOB=60°,则以下判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、卫星做圆周运动,由万有引力提供向心力,则有:=ma=m
r=m
a=,两卫星的轨道半径相同,所以加速度大小相等,故A错误.
B、卫星2向后喷气时需要加速,所需要的向心力增大,而万有引力不变,卫星将做离心运动,轨道半径增大,不可能追上卫星1,故B错误.
C、v=,两卫星的线速度大小相等,两颗质量不相等(m1>m2),所以卫星1和卫星2的动能大小不相等,故C错误;
D、物体地球表面时,重力等于万有引力,则得:=mg,
T=2π
所以卫星1由A到B所需时间 t==
,故D正确;
故选:D.
2010年10月1日,嫦娥二号卫星发射成功.嫦娥二号卫星在绕月球做匀速圆周运动的过程中,卫星距月面的高度为h,己知月球的质量为M、半径为R,万有引力常量为G,则卫星绕月球做匀速圆周运动的向心加速度大小为( )
正确答案
解析
解:万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:G=ma,
解得:a=,故D正确;
故选:D.
如图所示,质量相同的三颗卫星a、b、c绕地球做匀速圆周运动,其中b、c在地球的同步轨道上,a距离地球表面的高度为R,此时a、b恰好相距最近.已知地球质量为M、半径为R、地球自转的角速度为ω.万有引力常量为G,则( )
正确答案
解析
解:A、卫星b绕地球做匀速圆周运动,7.9km/s是指在地球上发射的物体绕地球飞行作圆周运动所需的最小初始速度,11.2km/s是物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度.所以发射卫星b时速度大于7.9km/s,而小于11.2km/s,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,卫星a、b质量相同,所以卫星b的机械能大于卫星a的机械能,卫星a的机械能小于卫星b的机械能,故B正确;
C、让卫星c加速,所需的向心力增大,由于万有引力小于所需的向心力,卫星c会做离心运动,离开原轨道,所以不能与b实现对接,故C错误;
D、b、c在地球的同步轨道上,所以卫星b、c和地球具有相同的周期和角速度.
由万有引力提供向心力,由牛顿第二定律:G=mω2r,ω=
,a距离地球表面的高度为R,所以卫星a的角速度ωa=
,此时a、b恰好相距最近,到卫星a和b下一次相距最近,(ωa-ω)t=2π,t=
,故D正确;
故选:BD.
有两颗人造卫星绕地球做匀速圆周运动,它们的质量之比m1:m2=1:3,运行速度之比是v1:v2=1:2,则它们轨道半径之比r1:r2=______,所受向心力之比F1:F2=______.
正确答案
4:1
1:48
解析
解:根据万有引力提供向心力,得
所以=
=
向心力等于万有引力
所以=
=
故答案为:4:1; 1:48.
已知太阳质量为m1,地球质量为m2,月球半径为r,月球表面重力加速度为g.
(1)若探月卫星“嫦娥二号”绕月球做圆周运动的周期为T,求“嫦娥二号”距月面的高度.
(2)若太阳与地球系统的拉格朗日L2点与地球中心之间的距离为r1,太阳中心与地球中心之间的距离为r2,如示所示.2011年8月,我国第二颗月球探测卫星“嫦娥二号”在完成探月任务后,受控精确进入拉格朗日L2点的环绕轨道.估算在拉格朗日L2点,太阳对“嫦娥二号”的引力与地球对“嫦娥二号”的引力之比.
正确答案
解:(1)设月球质量为m3,“嫦娥二号”质量为m,由万有引力提供向心力,
有:,
而在月面:
解得:
(2)太阳对嫦娥二号的引力为,
地球对嫦娥二号的引力为,
所以两力之比为
答:(1)“嫦娥二号”距月面的高度是
(2)太阳对“嫦娥二号”的引力与地球对“嫦娥二号”的引力之比是
解析
解:(1)设月球质量为m3,“嫦娥二号”质量为m,由万有引力提供向心力,
有:,
而在月面:
解得:
(2)太阳对嫦娥二号的引力为,
地球对嫦娥二号的引力为,
所以两力之比为
答:(1)“嫦娥二号”距月面的高度是
(2)太阳对“嫦娥二号”的引力与地球对“嫦娥二号”的引力之比是
“轨道康复者”航天器可在太空中给“垃圾”卫星补充能源,延长卫星的使用寿命.如图所示的是“轨道康复者”在某次拯救一颗地球同步卫星前,二者在同一平面内沿相同绕行方向绕地球做匀速圆周运动的示意图,此时二者的连线通过地心,轨道半径之比为1:4.若不考虑卫星与“轨道康复者”之间的引力,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、图示轨道略高于近地轨道,由得
,r越大,v越小,故“轨道康复者”的速度小于近地卫星的速度,即小于7.9km/s;故A错误;
B、由得
,在图示轨道上,“轨道康复者”与地球同步卫星加速度之比为
;故B错误;
C、由开普勒第三定律,解得=
;从图示位置开始经1.5h后,“轨道康复者”转半圈,而同步卫星转
圈,此时并不在最近点,故C错误;
D、“轨道康复者”应从图示轨道上加速后,轨道半径增大,与同步卫星轨道相交,则可进行对接,故D正确;
故选:D
动能相等的两人造地球卫星A、B的轨道半径之比RA:RB=1:2,它们的角速度之比ωA:ωB=______,质量之比mA:mB=______.
正确答案
2:1
1:2
解析
解:由=
=mR
可得ω=
,所以
=
=2
:1;
由=
,及v=ωR,可得:m=
,所以
=
•
=
;
故答案为:2:1,1:2.
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