- 万有引力与航天
- 共16469题
我国去年发射的探月卫星“嫦娥一号”已正常工作整整一年.
(1)若“嫦娥一号”卫星质量为m,其绕月轨道为椭圆轨道,已知它在近月点时距离地面高度为h1,速度为v1,加速度为a1,在远月点时,距离地面高度为h2,速度为v2,月球半径为R.则:①该卫星由近月点到远月点的过程中月球对它的引力做了多少功?
②该卫星在远月点时运动的加速度a2多大?
(2)若把月球和地球都视为质量均匀的球体,已知地球和月球的半径之比,月球表面和地球表面的重力加速度之比
,求:月球和地球的密度之比
(保留两位有效数字)
正确答案
解:(1)①卫星运动过程中只有引力做功,根据动能定理有:
引力对卫星做的功:
②设月球的质量为M,由牛顿第二定律得:
近地点:
远地点:
所以可知a2=
(2):设月球质量为M1,地球质量为M2,则质量为m的物体分别在月球和地球表面时的重力与万有引力相等,有:
又由于M1=ρ1,M2=
由以上各式解得:
答:(1)①该卫星由近月点到远月点的过程中月球对它的引力做的功为:
②该卫星在远月点时运动的加速度a2为;
(2)月球和地球的密度之比=0.60.
解析
解:(1)①卫星运动过程中只有引力做功,根据动能定理有:
引力对卫星做的功:
②设月球的质量为M,由牛顿第二定律得:
近地点:
远地点:
所以可知a2=
(2):设月球质量为M1,地球质量为M2,则质量为m的物体分别在月球和地球表面时的重力与万有引力相等,有:
又由于M1=ρ1,M2=
由以上各式解得:
答:(1)①该卫星由近月点到远月点的过程中月球对它的引力做的功为:
②该卫星在远月点时运动的加速度a2为;
(2)月球和地球的密度之比=0.60.
2004年10月19日,中国第一颗业务型同步气象卫星--“风云二号C”发射升空,并进入预定轨道.下列关于这颗卫星在轨道上运行的描述,正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供圆周运动向心力有得卫星线速度
,因为同卫星的轨道半径大于地球半径,故其线速度小于第一宇宙速度,故A正确;
B、同步卫星周期与地球自转周期相同,故B错误;
C、根据万有引力产生加速度得加速度
由于同步卫星轨道半径大于地球半径,故其加速度小于地球表面重力加速度,故C正确;
D、卫星做匀速圆周运动,合外力提供圆周运动向心力,故卫星运动状态不平衡,故D错误.
故选:AC.
我国“神舟十号”飞船已于2013年6月11日17时38分成功发射,并与“天宫一号”目标飞行器成功交会对接,飞行乘组由3名航天员组成,假设“神舟十号”在飞行的过程中绕地球做圆周运动,已知地球的半径为R,地球的表面的重力加速度为g,飞船绕地球运行的周期为T.求:
(1)飞船离地面的高度h;
(2)如图所示,卫星A与“神舟十号”B在同一轨道平面,已知卫星A的运行方向与B相同,A的轨道为B的轨道的2倍,某时刻A、B相距最近,则至少经过多长时间它们再一次相距最近?
正确答案
解:(1)根据万有引力等于重力得,
解得GM=gR2.
根据万有引力提供向心力得,
解得h=
(2)根据万有引力提供向心力,得
所以
故
至少经过时间t它们再一次相距最近,此时A比B多转一圈,
即 =1
即
解得:t=
答:(1)飞船离地面的高度h为;
(2)至少经过它们再一次相距最近.
解析
解:(1)根据万有引力等于重力得,
解得GM=gR2.
根据万有引力提供向心力得,
解得h=
(2)根据万有引力提供向心力,得
所以
故
至少经过时间t它们再一次相距最近,此时A比B多转一圈,
即 =1
即
解得:t=
答:(1)飞船离地面的高度h为;
(2)至少经过它们再一次相距最近.
2010年12月18日,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,将第7颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道,继2010年10月成功发射“嫦娥二号”,我国又将于2011年上半年发射“天宫一号”目标飞行器,2011年下半年发射“神舟八号”飞船并将与“天宫一号”实现对接,届时将要有航天员在轨进行科研,这在我国航天史上具有划时代意义.“天宫一号”A和“神舟八号”B绕地球做匀速圆周运动的轨迹如图所示,虚线为各自的轨道.由此可知( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,a=
,v=
,T=
.知轨道半径越大,向心加速度越小,线速度越小,周期越大.“天宫一号”的轨道半径大于“神舟八号”,所以天宫一号的向心加速度小,线速度小,周期大.故A错误,B正确,C错误.
D、由于“神舟八号”在内侧轨道,点火加速后,引力不足以提供其所需向心力,做离心运动并向轨道外侧运动追赶“天宫一号”,从而与“天宫一号”实现对接,故D正确.
故选BD.
物体在万有引力场中具有的势能叫做引力势能.若取两物体相距无穷远时的引力势能为零,一个质量为m0的质点距质量为M0的引力源中心为r0时,其万有引力势能EP=-(式中G为引力常数).一颗质量为m的人造地球卫星以半径为r1圆形轨道环绕地球飞行,已知地球的质量为M,要使此卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径增大为r2,则卫星上的发动机所消耗的最小能量为( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力由:,解得
.
,解得
.
则动能的减小量为.
引力势能的增加量
根据能量守恒定律,发动机消耗的最小能量.故B正确,A、C、D错误.
故选B.
两颗地球卫星A和B的轨道半径之比rA:rB=1:4,则它们绕地球做匀速圆周运动的线速度之比VA:VB=______;运动周期之比TA:TB=______.
正确答案
2:1
1:8
解析
解:根据万有引力提供向心力,得
,
,
故
故答案为:2:1,1:8.
发射地球同步卫星时,可认为先将卫星发射至距地面高度为h1的圆形近地轨道上,在卫星经过A点时点火(喷气发动机工作)实施变轨进入椭圆轨道,椭圆轨道的近地点为A,远地点为B.在卫星沿椭圆轨道运动到B点(远地点 B 在同步轨道上)时再次点火实施变轨进入同步轨道,两次点火过程都使卫星沿切向方向加速,并且点火时间很短.已知同步卫星的运动周期为T,地球的半径为R,地球表面重力加速度为g,求
(1)卫星在近地圆形轨道运行接近A点时的加速度大小;
(2)卫星在椭圆形轨道上运行接近A点时的加速度大小;
(3)卫星同步轨道距地面的高度.
正确答案
解:(1)在地球表面,重力等于万有引力,故有:
mg=G
得地球质量M=
因此卫星在近地圆形轨道运行接近A点时的加速度大小a==
(2)卫星在椭圆形轨道上运行接近A点时的加速度大小a=,
(3)因为B在地球同步卫星轨道,周期T,卫星受地球的万有引力提供向心力,故有:
G=m(R+h)(
)2
所以有:
h=-R
答:(1)卫星在近地圆形轨道运行接近A点时的加速度大小是;
(2)卫星在椭圆形轨道上运行接近A点时的加速度大小是;
(3)卫星同步轨道距地面的高度是-R
解析
解:(1)在地球表面,重力等于万有引力,故有:
mg=G
得地球质量M=
因此卫星在近地圆形轨道运行接近A点时的加速度大小a==
(2)卫星在椭圆形轨道上运行接近A点时的加速度大小a=,
(3)因为B在地球同步卫星轨道,周期T,卫星受地球的万有引力提供向心力,故有:
G=m(R+h)(
)2
所以有:
h=-R
答:(1)卫星在近地圆形轨道运行接近A点时的加速度大小是;
(2)卫星在椭圆形轨道上运行接近A点时的加速度大小是;
(3)卫星同步轨道距地面的高度是-R
天宫一号由较高的测试轨道,下降到较低的对接轨道,并成功与神舟十号交会对接.如图所示,把两轨道视为圆轨道,下列说法中正确的是( )
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.所以天宫一号在测试轨道的运动速度小于第一宇宙速度,故A错误;
B、根据万有引力等于向心力得:=mω2r=m
r=ma
T=2π,所以天宫一号在测试轨道比在对接轨道的周期大,故B正确;
C、a=,所以天宫一号在测试轨道比在对接轨道的加速度小,故C错误;
D、ω=,所以天宫一号在测试轨道比在对接轨道的角速度小,故D错误;
故选:B.
(2015秋•江西期末)我国发射的“神舟”六号载人宇宙飞船的周期约为90min,飞船质量等于同步卫星质量,如果把它绕地球的运动看作是匀速圆周运动,则飞船的运动和地球同步卫星的运动相比,下列判断正确的是( )
正确答案
解析
解:卫星做匀速圆周运动时,万有引力提供向心力,故:
解得:
…①
…②
A、“神舟”六号载人宇宙飞船的周期约为90min,同步卫星的周期为24h,根据②式,同步卫星的轨道半径大,故A错误;
B、同步卫星的轨道半径大,根据①式,飞船的速度大,根据,飞船的动能大,故B错误;
C、向心力:F=,故飞船受的向心力大,故C正确;
D、二者的轨道不一定在同一平面内,只是都绕着地球的球心转动,故D错误;
故选:C
A、B两颗人造卫星绕地球做圆周运动,它们的圆轨道在同一平面内,周期之比是=
.若两颗卫星最近距离等于地球半径R,求这两颗卫星的周期各是多少?从两颗卫星相距最近开始计时到两颗卫星相距最远至少经过多少时间?已知在地面附近绕地球做圆周运动的卫星的周期为T0.
正确答案
解:(1)设地球的质量为M,绕地球表面运动的卫星的质量为m′…①
设两个卫星中,离地球较近的质量为m1,离地球的距离为r1.较远的质量为m2,离地球的距离为r2
…②
…③
r2=r1+R…④
…⑤
解得:,
.
(2)当两者相距最远时,最少的时间应该满足下式:
解得:t=
答:(1)这两颗卫星的周期各是,
.
(2)从两颗卫星相距最近开始计时到两颗卫星相距最远至少经过的时间为.
解析
解:(1)设地球的质量为M,绕地球表面运动的卫星的质量为m′…①
设两个卫星中,离地球较近的质量为m1,离地球的距离为r1.较远的质量为m2,离地球的距离为r2
…②
…③
r2=r1+R…④
…⑤
解得:,
.
(2)当两者相距最远时,最少的时间应该满足下式:
解得:t=
答:(1)这两颗卫星的周期各是,
.
(2)从两颗卫星相距最近开始计时到两颗卫星相距最远至少经过的时间为.
一艘宇宙飞船绕地球作圆周运动时,由于地球遮挡阳光,会经历“日全食”过程,如图所示,太阳光可看作平行光,宇航员在A点测出地球的张角为α,已知地球的半径为R,地球质量为M,引力常量为G,求:
(1)宇宙飞船离距地面的高度.
(2)宇宙飞船的周期T.
正确答案
解:(1)设飞船做圆周运动的半径为r,距离地面的高度为h.
由几何关系知 …①
距离地面的高度为 h=r-R…②
由①②解得:…③
(2)由万有引力提供做圆周运动所需的向心力得:…④
由①④解得:…⑤
答:
(1)宇宙飞船离距地面的高度是.
(2)宇宙飞船的周期T为2π.
解析
解:(1)设飞船做圆周运动的半径为r,距离地面的高度为h.
由几何关系知 …①
距离地面的高度为 h=r-R…②
由①②解得:…③
(2)由万有引力提供做圆周运动所需的向心力得:…④
由①④解得:…⑤
答:
(1)宇宙飞船离距地面的高度是.
(2)宇宙飞船的周期T为2π.
设质量相等的甲、乙两颗卫星,分别贴近某星球表面和地球表面,环绕其球心做匀速圆周运动,已知该星球和地球的密度相同,其半径分别为R和r,则( )
正确答案
解析
解:A、万有引力分别提供两者的向心力,即=man,故an=
=
=
ρ,故甲、乙两颗卫星的加速度之比等于R:r,故A正确
B、由Fn=man,结合A分析得,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,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错误
故选A
如图所示,c所在的平面与赤道平行,a、b的圆心在球心且a的半径等于b的半径,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、卫星绕地球做匀速圆周运动,是靠万有引力提供向心力,圆周运动的圆心为地心,故轨道C不可能是卫星的轨道,故A错误;
B、在a、b轨道上运动的不同卫星,向心力方向不同,由于质量未知,大小也可能不同,故B错误;
C、卫星受到的引力提供向心力,故:,解得:T=2π
,故在a、b轨道上运动的不同卫星,周期一定相同,故C正确;
D、在a、b轨道上运动的不同卫星,周期相同,速度相等,但质量可能不同,故动能不一定相同,故D错误;
故选:C.
人造地球卫星的轨道半径越大,则( )
正确答案
解析
解:人造地球卫星绕着地球做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律,有:
G=m
解得:
T=2π
故卫星的轨道半径越大,周期越大;
A、人造地球卫星绕着地球做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律,有:
G=ma
解得:
a=
故卫星的轨道半径越大,加速度越小,周期越大;
故A错误;
B、人造地球卫星绕着地球做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律,有:
G=mω2R
解得:
ω=
故卫星的轨道半径越大,角速度越小,周期越大,故B错误;
C、D、人造地球卫星绕着地球做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律,有:
G=m
解得:
v=
故卫星的轨道半径越大,线速度越小,周期越大,故C错误,D正确;
故选:D.
(2016•景洪市校级模拟)我国为正确地进行天气预报,发射了两颗气象卫星,其中风云一号是一颗极地卫星,其周期为12小时,风云二号是一颗同步卫星,则风云一号与风云二号的轨道半径之比为( )
正确答案
解析
解:由题,“风云一号”气象卫星的周期是“风云二号”气象卫星的周期的,根据公式
=k可得:
=
=
即:
故D正确,ABC错误;
故选:D
扫码查看完整答案与解析