- 万有引力与航天
- 共16469题
如图所示,发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨道1,然后经点火,使其沿椭圆轨道2运行,最后再次点火,将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点,轨道2、3相切于P点(如图所示)则当卫星分别在1、2、3轨道正常运行时,以下说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、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
解得:
v=
轨道3半径比轨道1半径大,卫星在轨道1上线速度较大,故A错误;
B、ω=
轨道3半径比轨道1半径大,卫星在轨道3上线速度较小,故B正确;
C、根据牛顿第二定律和万有引力定律得:a=,所以卫星在轨道2上经过Q点的加速度等于在轨道1上经过Q点的加速度.故C错误,同理可知D正确.
故选BD
如图所示,甲、乙两颗卫星以相同的轨道半径分别绕质量为M和2M的行星做匀速圆周运动,甲卫星的向心加速度、运行周期、角速度和线速度分别为a1、T1、ω1、v1,乙卫星的向心加速度,运行周期,角速度和线速度分别为a2、T2、ω2、v2,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:对于任一情形,根据万有引力提供向心力得:
G=ma=ω2r=
r=m
可得 a=,T=2π
,ω=
,v=
r相同,根据题中条件可得:a1:a2=1:2,T1:T2=:1,ω1:ω2=1:
,v1:v2=1:
故选:A
两颗人造卫星绕地球作匀速圆周运动,对轨道半径较大的卫星,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供圆周运动向心力有:
=m
=m
r=ma=mrω2,
A、v=,轨道半径较大的卫星,线速度一定小.故A错误;
B、ω=,轨道半径较大的卫星,角速度一定小,故B错误;
C、T=2π,轨道半径较大的卫星,周期一定大,故C正确;
D、a=,轨道半径较大的卫星,加速度一定小,故D错误;
故选:C.
已知一颗人造卫星在某行星表面上空绕行星做匀速圆周运动,经过时间t,卫星行程为s,卫星与行星的连线扫过的角度为1rad,引力常量为G,那么卫星的环绕周期T=______,该行星的质量为______.
正确答案
2πt
解析
解:(1)由圆周运动的规律得:T=,
而ω=
解得:T=2πt.
(2)卫星在行星表面上做圆周运动,
由万有引力提供向心力得:=mω2R,
而R=,
解得:M=
故答案为:2πt;
已知火星的半径约为地球半径的,火星质量约为地球质量的
,则火星表面的重力加速度是______,火星的第一宇宙速度是______(已知地球表面的重力加速度是9.8m/s2,地球的第一宇宙速度是7.9km/s)
正确答案
4.36m/s2
3.72km/s
解析
解:(1)由星体表面万有引力等于重力:
解得:=
=
得:m/s2
(2)由万有引力提供向心力:
解得第一宇宙速度为:
故火星的第一宇宙速度与地球第一宇宙速度之比为:
=
得:
故答案为:4.36m/s2,3.72km/s.
返回式卫星在回收时一般要采用变轨的方法,在远地点和近地点分别点火变轨,使其从高轨道进入椭圆轨道,再回到近地轨道,最后进入大气层落回地面.某次回收卫星的示意图如图所示,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、不论是在A点还是在B点的两次变轨前后,都要加速,前者做离心运动,后者若不加速,则做近心运动,加速使其正对做匀速圆周运动,故机械能都要增大,故A正确.
B、卫星变轨前后都是只有万有引力来提供加速度,加速度a=,即变轨前后的加速度是相等的,故B错误.
C、根据开普勒第二定律可知航天飞机在远地点B的速度小于在近地点A的速度,所以在轨道2上经过A点时的动能大于经过B点时的动能,故C正确;
D、由开普勒第三定律=k知,卫星在轨道2上运动的周期大于在轨道3上运动的周期,故D错误;
故选:AC.
从地球上发射的两颗人造地球卫星A和B,绕地球做匀速圆周运动的半径之比为RA:RB=4:1,求它们的线速度之比______和运动周期之比______.
正确答案
1:2
8:1
解析
解:人造卫星圆周运动的向心力由万有引力提供,故有:
F==m
=m
r
线速度v=,绕地球做匀速圆周运动的半径之比为RA:RB=4:1,
所以它们的线速度之比为1:2;
周期T=2π,绕地球做匀速圆周运动的半径之比为RA:RB=4:1,
所以运动周期之比为8:1
故答案为:1:2; 8:1
2008年9月27日,“神舟七号”航天员翟志刚首次实现了中国航天员在太空的舱外活动(如图),这是我国航天发展史上的又一里程碑.
已知在地球表面重力加速度为g,地球半径为R;飞船绕地球做匀速圆周运动的过程中,距地面的高度为h,求:
(1)飞船向心加速度a的大小;
(2)飞船环绕地球做匀速圆周运动一圈的时间T为多少?
正确答案
解:(1)飞船绕地球做匀速圆周运动,地球对飞船的万有引力提供飞船的向心力,则得
G=ma
在在地球表面物体所受的重力等于万有引力,则有
G=m′g
联立以上两式得 a=
(2)飞船做圆周运动,则有:a=(R+h)
联立解得 T=
答:
(1)飞船向心加速度a的大小是;
(2)飞船环绕地球做匀速圆周运动一圈的时间T为.
解析
解:(1)飞船绕地球做匀速圆周运动,地球对飞船的万有引力提供飞船的向心力,则得
G=ma
在在地球表面物体所受的重力等于万有引力,则有
G=m′g
联立以上两式得 a=
(2)飞船做圆周运动,则有:a=(R+h)
联立解得 T=
答:
(1)飞船向心加速度a的大小是;
(2)飞船环绕地球做匀速圆周运动一圈的时间T为.
如图所示,“神舟八号”飞船与“天宫一号”目标飞行器于北京时间2011年11月3日凌晨实现刚性连接,形成组合体,使中国载人航天首次空间交会对接试验获得成功.若已知地球的自转周期T、地球半径R、地球表面的重力加速度g、组合体运行的轨道距地面高度为h,下列表达式正确的是( )
正确答案
解析
解:地球表面的物体受到的重力等于万有引力,即:G=m′g,则:GM=gR2,组合体绕地球做圆周运动,万有引力提供向心力;
A、由牛顿第二定律得:G=mg′,解得:g′=
,故A错误;
B、由牛顿第二定律得:G=mω2(R+h),解得:ω=
,故B错误;
C、由牛顿第二定律得:G=m
r,解得:T=2π
,组合体的轨道半径:R+h>R,组合体的周期:T′>T,组合体的线速度:v=
<
,故C错误;
D、由牛顿第二定律得:G=m
(R+h),解得:T′=
,故D正确;
故选:D.
2007年10月24日18时05分,我国成功发射了”嫦娥一号”卫星,若”嫦娥一号”卫星在地球表面的重力为G1,发射后经过多次变轨到达月球表面附近绕月飞行时受月球的引力为G2,已知地球表面的重力加速度为g,地球半径R1,月球半径为R2,则( )
正确答案
解析
解:A、嫦娥一号卫星在距地面高度等于地球半径2倍的轨道上做圆周运动时,
根据万有引力提供向心力得
=
①
根据地球表面万有引力等于重力得
mg=②
联立①②解得:v=,故A正确,B错误
C、嫦娥一号卫星到达月球表面附近绕月球做圆周运动,根据万有引力提供向心力得
=
③
根据月球表面万有引力等于重力得
mg′=④
卫星在地球表面的重力为G1,到达月球表面附近绕月飞行时受月球的引力为G2,
所以月球表面重力加速度g′=⑤
联立③④⑤解得:T=2π,故C正确,D错误
故选:AC.
(2015秋•兴平市月考)“嫦娥三号”于2013年12月2日发射成功,是我国探月工程的又一大进步.假设月球半径为R,月球表面的重力加速度为g0,如图所示,若飞船沿距月球表面高度为3R的圆形轨道运动,则飞船在此轨道上饶月球运动一周所需的时间为( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力=m
,
得T=2π,
r=4R,
又根据月球表面物体万有引力等于重力得:GM=g0R2,
所以飞船在轨道Ⅰ绕月球运动一周所需的时间为T=16π.
故选:D.
我国的探月卫星由地面发射后,进入地月转移轨道,经多次变轨最终进入距离月球表面约100公里的圆形轨道Ⅲ(如图),开始对月球进行探测.( )
正确答案
解析
解:A.月球的第一宇宙速度是卫星贴近月球表面做匀速圆周运动的速度,卫星在轨道Ⅲ上的半径大于月球半径,根据,
得v=,可知飞行试验器在轨道Ⅲ上的运动速度比月球的第一宇宙速度小.故A正确.
B.飞行试验器在轨道Ⅰ上经过P点若要进入轨道Ⅲ,需减速.故B错误.
C.飞行试验器在在轨道Ⅱ上和在轨道Ⅰ上经过P时所受万有引力相等,所以加速度也相等,故C错误.
D.飞行试验器从轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ,在P点需减速.动能减小,而它们在各自的轨道上机械能守恒,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:AD.
北斗导航系统中两颗工作卫星即卫星1和卫星2在同一轨道上绕地心做匀速圆周运动,轨道半径为r,如图所示,某时刻卫星1和卫星2分别位于轨道上的A、B两位置(卫星与地球连线的夹角为60°).若两卫星均按顺时针方向运行,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.则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、无论用万有引力表达式,还是用万有引力提供向心力的各种形式的表达式,都需知道卫星的质量,才能求万有引力,卫星1、2的质量未知,所以地球对二者的万有引力大小不确定,故A错误;
B、卫星做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,始终与速度方向垂直,所以万有引力不做功,故B错误;
C、由万有引力提供向心力的周期表达式,可得:=
,由A运动到B用时t=
=
,则C正确
D、卫星1 向后喷气加速将要离心运动,故不能追上卫星2,故D错误.
故选:C
一球形人造卫星,其最大横截面积为A、质量为m,在轨道半径为R的高空绕地球做圆周运动.由于受到稀薄空气阻力的作用,导致卫星运行的轨道半径逐渐变小.卫星在绕地球运转很多圈之后,其轨道的高度下降了△H,由于△H<<R,所以可以将卫星绕地球运动的每一圈均视为匀速圆周运动.设地球可看成质量为M的均匀球体,万有引力常量为G.取无穷远处为零势能点,当卫星的运行轨道半径为r时,卫星与地球组成的系统具有的势能可表示为EP=-.
(1)求人造卫星在轨道半径为R的高空绕地球做圆周运动的周期;
(2)某同学为估算稀薄空气对卫星的阻力大小,做出了如下假设:卫星运行轨道范围内稀薄空气的密度为ρ,且为恒量;稀薄空气可看成是由彼此不发生相互作用的颗粒组成的,所有的颗粒原来都静止,它们与人造卫星在很短时间内发生碰撞后都具有与卫星相同的速度,在与这些颗粒碰撞的前后,卫星的速度可认为保持不变.在满足上述假设的条件下,请推导:
①估算空气颗粒对卫星在半径为R轨道上运行时,所受阻力F大小的表达式;
②估算人造卫星由半径为R的轨道降低到半径为R-△H的轨道的过程中,卫星绕地球运动圈数n的表达式.
正确答案
解:(1)卫星绕地球做圆周运动,万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:
G=M
R,
解得:T=2π;
(2)①最大横截面积为A的卫星,经过时间△t从图中的实线位置运动到了图中的虚线位置,该空间区域的稀薄空气颗粒的质量为:△m=ρAv△t
以这部分稀薄空气颗粒为研究对象,碰撞后它们都获得了速度v,设飞船给这部分稀薄空气颗粒的平均作用力大小为F,根据动量定理有:F△t=△mv
根据万有引力定律和牛顿第二定律有:G=M
,
解得:F=,
根据牛顿第三定律,卫星所受的阻力大小为:F′=F=.
②设卫星在R轨道运行时的速度为v1、动能为Ek1、势能为Ep1、机械能为E1,
根据牛顿定律和万有引力定律有:G=m
,
卫星的动能为:EK1=mv12,
势能为:EP1=-,
解得:E1=-,
卫星高度下降△H,在半径为(R-△H)轨道上运行,
同理可知其机械为:E2=-,
卫星轨道高度下降△H,其机械能的改变量为:△E=-(
-
)
卫星机械能减少是因为克服空气阻力做了功.设卫星在沿半径为R的轨道运行一周过程中稀薄空气颗粒作用于卫星的阻力做的功为W0,
利用小量累积的方法可知W0=-F×2πR=-2πρAGM上式表明卫星在绕不同轨道运行一周,稀薄空气颗粒所施加的阻力做的功是一恒量,与轨道半径无关.则△E=nW0
解得:n=.
答:(1)人造卫星在轨道半径为R的高空绕地球做圆周运动的周期为2π;
(2)①阻力F大小的表达式为F=.
②卫星绕地球运动圈数n的表达式为n=.
解析
解:(1)卫星绕地球做圆周运动,万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:
G=M
R,
解得:T=2π;
(2)①最大横截面积为A的卫星,经过时间△t从图中的实线位置运动到了图中的虚线位置,该空间区域的稀薄空气颗粒的质量为:△m=ρAv△t
以这部分稀薄空气颗粒为研究对象,碰撞后它们都获得了速度v,设飞船给这部分稀薄空气颗粒的平均作用力大小为F,根据动量定理有:F△t=△mv
根据万有引力定律和牛顿第二定律有:G=M
,
解得:F=,
根据牛顿第三定律,卫星所受的阻力大小为:F′=F=.
②设卫星在R轨道运行时的速度为v1、动能为Ek1、势能为Ep1、机械能为E1,
根据牛顿定律和万有引力定律有:G=m
,
卫星的动能为:EK1=mv12,
势能为:EP1=-,
解得:E1=-,
卫星高度下降△H,在半径为(R-△H)轨道上运行,
同理可知其机械为:E2=-,
卫星轨道高度下降△H,其机械能的改变量为:△E=-(
-
)
卫星机械能减少是因为克服空气阻力做了功.设卫星在沿半径为R的轨道运行一周过程中稀薄空气颗粒作用于卫星的阻力做的功为W0,
利用小量累积的方法可知W0=-F×2πR=-2πρAGM上式表明卫星在绕不同轨道运行一周,稀薄空气颗粒所施加的阻力做的功是一恒量,与轨道半径无关.则△E=nW0
解得:n=.
答:(1)人造卫星在轨道半径为R的高空绕地球做圆周运动的周期为2π;
(2)①阻力F大小的表达式为F=.
②卫星绕地球运动圈数n的表达式为n=.
设地球赤道上随地球自转的物体线速度为v1,周期为T1;地面附近卫星线速度为v2,周期为T2;地球同步卫星线速度为v3,周期为T3;月亮线速度为v4,周期为T4.则以下关系正确的是( )
正确答案
解析
解:A、同步卫星与赤道上随地球自转的物体周期相同,角速度相同,即T1=T3.
同步卫星轨道半径大于地球半径,
根据公式v=ωr得v3>v1,
地面附近卫星、同步卫星、月亮绕地球做圆周运动,都是万有引力提供向心力,列出等式
=
线速度v=,月亮的轨道半径大于同步卫星的轨道半径,
所以v2>v3>v4,
所以v2>v1,故A错误,B、C正确;
C、根据万有引力提供向心力得
=
周期T=2π,月亮的轨道半径大于同步卫星的轨道半径,
所以T4>T3,即T1<T4.故D正确;
故选:BCD.
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