- 万有引力与航天
- 共16469题
2013年6月11日,我国已成功发射了神舟十号飞船,升空后和目标飞行器天宫一号交会对接,3名航天员再次探访天宫一号,并开展相关空间科学试验.已知地球表面处的重力加速度为g,地球半径为R,设神舟十号飞船绕地球做匀速圆周运动的周期为T.求:
(1)神舟十号飞船离地面的高度h;
(2)神舟十号飞船绕地球运行的速度大小v.
正确答案
解:(1)设地球质量为M,飞船质量为m
对飞船m,万有引力提供向心力:
对地表上物体m1,重力等于万有引力:
由以上二式,解得飞船离地面的高度
(2)根据得
运行的速度大小=
.
答:(1)神舟十号飞船离地面的高度h为;
(2)神舟十号飞船绕地球运行的速度大小v为.
解析
解:(1)设地球质量为M,飞船质量为m
对飞船m,万有引力提供向心力:
对地表上物体m1,重力等于万有引力:
由以上二式,解得飞船离地面的高度
(2)根据得
运行的速度大小=
.
答:(1)神舟十号飞船离地面的高度h为;
(2)神舟十号飞船绕地球运行的速度大小v为.
为发射一颗在地面附近绕地球做匀速圆周运动的人造卫星,卫星的速度必须是______m/s.据观测,某颗行星质量为地球质量的八分之一,半径是地球半径的二分之一,为在该行星上发射一颗靠近该行星表面做匀速圆周运动的人造卫星,其线速度大小必须是______m/s.
正确答案
7.9×103
3.95×103
解析
解:一颗在地面附近绕地球做匀速圆周运动的人造卫星,万有引力提供向心力,
故,v==7.9×103m/s
在另一行星表面发射时,速度为:
=
故答案为:7.9×103 3.95×103
2011年9月29日发射的“天宫一号”目标飞行器与2011年11月1日发射的“神舟八号”飞船,于2011年11月3日凌晨成功交会对接.“天宫一号”M和“神舟八号”N绕地球做匀速圆周运动的轨迹如图所示,虚线为对接前各自的运行轨道,由图可知( )
正确答案
解析
解:由 v= a=
T=
得各量与半径的关系,进行分析
A 半径大的线速度小,故A错误
B 半径大的周期大,故B正确
C 半径大的向心加速度小,故C错误
D 在N点加速度后做离心运动,半径变大,可与M对接.故D正确
故选:B D
(2015秋•房山区月考)关于地球人造卫星,以下说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据牛顿第二定律和万有引力定律得:G=ma得:a=
,则知距地球越远的卫星,轨道半径越大,向心加速度越小,故A错误.
B、卫星运动的轨道平面必须经过地球的球心,否则不能稳定运行,故B错误.
C、同步地球卫星必须定点于赤道的正上方.故C错误.
D、由G=m
,解得:v=
,知卫星的轨道半径越大,运行速度越小.则知地球同步卫星的运行速度一定小于近地卫星的速度,即小于地球第一宇宙速度.故D正确.
故选:D
如图所示,轨道1是卫星绕地球运动的圆轨道,可以通过在A点加速使卫星在椭圆轨道2上运动.A点是近地点,B点是远地点.轨道1、2相切于A点.在远地点B加速后,可使卫星在椭圆轨道3上运动,轨道2、3相切于B点.则下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、卫星在轨道2上经过B点时将开始做近心运动,故圆周运动向心力小于万有引力,卫星在轨道2上经过B点时的速度小于在轨道3上经过B点时的速度,根据万有引力提供圆周运动向心力可知,卫星在轨道1上运行的速率大于在轨道3上运行速率,故卫星在轨道1上运行速率大于在轨道2上经过B点时的速率,故A正确;
B、由(1)分析知,可以比较卫星在轨道1上和在轨道2上经过B点时的速率,故B错误;
C、根据向心加速度表达式,卫星在近地点速度大曲率半径小可知,卫星在轨道2上经过A点时的向心加速度大于在轨道2上经过B点时的向心加速度,故C正确;
D、因为卫星在轨道2上经过B点后将开始做近心运动,故卫星在轨道2上经过B点时的速度小于在轨道3上经过B点时的速率,据知向心加速度来得小,所以D正确.
故选:ACD
质量为m的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行,其运动视为匀速圆周运动.已知月球质量为M,月球半径为R,月球表面重力加速度为g,引力常量为G,不考虑月球自转的影响,则航天器的( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供卫星做圆周运动的向心力和万有引力等于重力得出:
=
=ma=m
=mω2R,
=mg
A、向心加速度a=,故A正确;
B、角速度ϖ==
,故B错误;
C、运行周期T=2π=2π
,故C错误;
D、线速度V=,故D错误;
故选:A.
地球上空有人造地球同步通讯卫星,它们向地球发射微波.但无论同步卫星数目增到多少个,地球表面上总有一部分面积不能直接收到它们发射来的微波,请导出这个面积S与地球表面积S0之比的数学表达式.已知地球半径R0,地球表面的重力加速度g,半径为R、高为h的球冠的表面积为S1=2πRh,球的表面积为S=4πR2)
正确答案
解:因为同步卫星总是在赤道上空,其高度也是一定的.由它画一条到地球表面的切线,可见两极周围的区域内就收不到微波通讯.以m、M分别表示卫星和地球的质量,r表示卫星到地心的距离,T表示地球的自转周期,则对地球上质量为m0的物体有:
①
对地球同步卫星有②
又根据几何关系有rsinθ=R0③
以S′表示某个极周围收不到微波区域的面积,则
其中高为h=R0(1-cosθ) ④
又地球表面积S0=4π
地球有两个极,因而接收不到微波区域的面积与地球表面积S0之比为:
答:面积之比为:1-
解析
解:因为同步卫星总是在赤道上空,其高度也是一定的.由它画一条到地球表面的切线,可见两极周围的区域内就收不到微波通讯.以m、M分别表示卫星和地球的质量,r表示卫星到地心的距离,T表示地球的自转周期,则对地球上质量为m0的物体有:
①
对地球同步卫星有②
又根据几何关系有rsinθ=R0③
以S′表示某个极周围收不到微波区域的面积,则
其中高为h=R0(1-cosθ) ④
又地球表面积S0=4π
地球有两个极,因而接收不到微波区域的面积与地球表面积S0之比为:
答:面积之比为:1-
已知:地球的质量为M,地球同步卫星的轨道半径为R,万有引力常量为G,求:同步卫星的线速度v的表达式.
正确答案
解:设卫星质量m,则万有引力为:
所需要的向心力为:
因为F万=F向
所以
解得:
答:同步卫星的线速度v的表达式为.
解析
解:设卫星质量m,则万有引力为:
所需要的向心力为:
因为F万=F向
所以
解得:
答:同步卫星的线速度v的表达式为.
有两颗人造卫星,都绕地球做匀速圆周运行,已知它们的轨道半径之比r1:r2=4:1.对于这两颗卫星的运动,求:
(1)线速度之比;
(2)周期之比;
(3)向心加速度之比.
正确答案
解析
解:有两颗人造卫星,都绕地球做匀速圆周运行,根据万有引力提供向心力得:
=ma=m
=
,
(1)线速度v=,已知它们的轨道半径之比为:r1:r2=4:1.
(2)周期T=2π,已知它们的轨道半径之比为:r1:r2=4:1.
.
(3)向心加速度a=,已知它们的轨道半径之比r1:r2=4:1.
,
答:(1)线速度之比是1:2;
(2)周期之比是8:1;
(3)向心加速度之比是1:16.
我国已于2011年9月末发射“天宫一号”目标飞行器,2011年11月3日发射“神舟八号”飞船并与“天宫一号”成功实现对接.某同学为此画出“天宫一号”和“神舟八号”绕地球做匀速圆周运动的假想图如图所示,A代表“天宫一号”,B代表“神舟八号”,虚线为各自的轨道.由此假想图,可以判定( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力得,
=m
=m
A、由于不知道天宫一号和神舟八号的质量关系,所以“天宫一号”所需的向心力和“神舟八号”所需的向心力关系无法确定.故A错误;
B、周期T=2π,天宫一号的半径大,所以“天宫一号”的周期大于“神舟八号”的周期.故B错误;
C、线速度v=,天宫一号的半径大,所以“天宫一号”的运行速率小于“神舟八号”的运行速率.故C正确;
D、神舟八号在轨道上加速,由于万有引力小于所需的向心力,神舟八号会做离心运动,离开原轨道,轨道半径增大,可能与天宫一号对接.故D正确;
故选:CD.
全球定位系统(GPS)有24颗卫星分布在绕地球的6个轨道上运行,距地面的高度都为2万千米.已知地球同步卫星离地面的高度为3.6万千米,地球半径约为6 400km,则全球定位系统的这些卫星的运行速度约为( )
正确答案
解析
解:设M为地球质量,m1为同步卫星,m2为GPS卫星质量,地球半径为R=6400000m,地球同步卫星离地面的高度R1=36000m,R2为GPS卫星距地面的高度R2=20000m,v1为同步卫星的速度,v2为GPS卫星速度.
研究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,列出等式:
…①
根据圆周运动知识得:
v1=…②
T=24×3600s,
研究GPS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:
…③
由①②③解得:
v2=3900m/s=3.9 km/s
故选:B.
“阿特兰蒂斯”号航天飞机送人轨道的“伽利略”号木星探测器,是美国航天局第一个直接专用探测木星的航天器.此前,人们一共发现了16颗木星的卫星.这16颗卫星中只有离木星最远的四颗--木卫十二、木卫十一、木卫八及木卫九逆行.设木卫七绕木星的轨道半径为R0,绕木星的公转周期T,木卫十二绕木星的轨道半径为R2.两颗卫星绕木星的轨道近似看作同轨道平面的正圆,顺行和逆行可视为公转方向相反.把两颗卫星距离最近的时刻称作相遇.问木卫七与木卫十二两次相遇相隔多久?
正确答案
解:设木卫七的质量为m1,木星质量为M,
由万有引力定律及牛顿第二定律知:
设木卫十二的质量为m2,绕木星周转的周期为T2
由万有引力定律及牛顿第二定律知:
设两次相遇的时间间隔为t,则:
联立上式解得:
解析
解:设木卫七的质量为m1,木星质量为M,
由万有引力定律及牛顿第二定律知:
设木卫十二的质量为m2,绕木星周转的周期为T2
由万有引力定律及牛顿第二定律知:
设两次相遇的时间间隔为t,则:
联立上式解得:
如图所示,发射同步卫星的一种程序是:先让卫星进入一个近地的圆轨道,然后在P点点火加速,进入椭圆形转移轨道(该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P,远地点为同步圆轨道上的Q),到达远地点时再次自动点火加速,进入同步轨道.设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1,在P点短时间加速后的速率为v2,沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3,在Q点短时间加速后进入同步轨道后的速率为v4.试比较v1、v2、v3、v4的大小,并用大于号将它们排列起来______.
正确答案
v2>v1>v4>v3
解析
解:卫星从近地圆轨道上的P点需加速,使得万有引力小于向心力,进入椭圆转移轨道.
所以在卫星在近地圆轨道上经过P点时的速度小于在椭圆转移轨道上经过P点的速度.v1<v2,
沿转移轨道刚到达Q点速率为v3,在Q点点火加速之后进入圆轨道,速率为v4,所以在卫星在转移轨道上经过Q点时的速度小于在圆轨道上经过Q点的速度,即v3<v4,
根据得,v=
,知同步轨道的半径大于近地轨道的半径,则v1>v4.
综上可知v2>v1>v4>v3
故答案为:v2>v1>v4>v3.
浩瀚的宇宙中,行星A、B绕同一恒星做匀速圆周运动.已知恒星半径为R,行星A与恒星表面距离为R,行星B与恒星表面距离为3R,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:卫星绕恒星做匀速圆周运动时,万有引力提供向心力,
=mω2r=m
r=m
=ma
已知恒星半径为R,行星A与恒星表面距离为R,行星B与恒星表面距离为3R,所以A、B的轨道半径之比是1:2,
A、ω=,所以A、B的角速度之比为2
:1,故A正确;
B、v=,所以A、B的线速度之比为
:1,故B错误;
C、T=2π,所以A、B的运行周期之比为1:2
,故C错误;
D、a=,所以A、B的向心加速度之比为4:1,故D错误;
故选:A.
目前,在地球周围有许多人造地球卫星绕着它运转,其中一些卫星的轨道可近似为圆,且轨道半径逐渐变小.若卫星在轨道半径逐渐变小的过程中,只受到地球引力和稀薄气体阻力的作用,则下列判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由,可知,v=
,可见,卫星的速度大小随轨道半径的减小而增大,故A错误;
B、由于卫星高度逐渐降低,所以地球引力对卫星做正功,引力势能减小,故B正确;
C、气体阻力做功不可忽略,由于气体阻力做负功,所以卫星与地球组成的系统机械能减少,故C错误;
D、根据动能定理可知引力与空气阻力对卫星做的总功应为正值,而引力做的功等于引力势能的减少,即卫星克服气体阻力做的功小于引力势能的变化,故D错误.
故选:B.
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