- 万有引力与航天
- 共16469题
一卫星正绕地球做匀速圆周运动.现启动卫星的发动机使其速度增大,待它运动到距离地面的高度比原来大的位置,再定位使它绕地球做匀速圆周运动,成为另一轨道上的卫星.该卫星在后一轨道与在前一轨道相比( )
正确答案
解析
解:ABC、卫星绕地球做匀速圆周运动时,由万有引力充当向心力,即:G=m
=ma=m
;
则得 v=,a=
,T=2π
,
卫星的轨道半径增大,可知其线速度和加速度均减小,周期增大;故AB错误,C正确;
D、由g=a,知重力加速度减小,则卫星所受的重力减小,故D错误.
故选:C
2005年10月11日9时整,我国成功地发射了“神舟”六号载人飞船,经过约115小时的太空飞行,成功完成了预定任务.若飞船绕地球运行的轨道离地面高度为400km,已知地球半径为6400km,地球表面重力加速度g=10m/s2,求此飞船的速度大小.(可以保留根号)
正确答案
解:卫星所需要的向心力由万有引力提供,则有:
G=m
又 G=m0g
联立解得 υ=
其中h=400km=4×105m,R=6400km=6.4×106m,g=10m/s2,
代入数据得v=7.8×103m/s
答:此飞船的速度大小为7.8×103m/s.
解析
解:卫星所需要的向心力由万有引力提供,则有:
G=m
又 G=m0g
联立解得 υ=
其中h=400km=4×105m,R=6400km=6.4×106m,g=10m/s2,
代入数据得v=7.8×103m/s
答:此飞船的速度大小为7.8×103m/s.
2008年9月25日我国成功发射了“神舟七号”载人飞船.在飞船绕地球做匀速圆周运动的过程中,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、设飞船的质量为m,轨道半径为r,周期为T,地球的质量为M.飞船绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,则得:
G=m
r,则得M=
可见,知道飞船的运动轨道半径R和周期T,再利用万有引力常量G,只能算出地球的质量,无法求出飞船的质量.故A错误.
B、由G=m
得出v=
.可见飞船的速率与飞船质量无关,所以宇航员从船舱中慢慢“走”出并离开飞船,飞船质量减小,但飞船速率不变.故B错误.
C、飞船返回舱在返回地球的椭圆轨道上运动,在进入大气层之前的过程中,万有引力做正功,所以返回舱的动能逐渐增大,引力势能逐渐减小.机械能保持不变故C正确.
D、若有两个这样的飞船在同一轨道上,相隔一段距离沿同一方向绕行,如果后一飞船向后喷出气体,那么后一飞船在短时间内速度就会增加,后一飞船所需要的向心力也会增加,而此时受到的万有引力大小不变,也就小于所需要的向心力,那么后一飞船就会做离心运动,偏离原来的轨道,两飞船就不能实现对接.故D错误.
故选C.
如图所示,发射一颗地球同步卫星,先由运载火箭将卫星送入一椭圆轨道,飞行几周后卫星在椭圆轨道的远地点处变轨进入同步轨道.已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,地球自转周期为T,则下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由几何知识知椭圆轨道的半长轴小于同步轨道的半径,故由开普勒行星运动定律知卫星在椭圆轨道上的周期小于同步卫星的周期T,故A正确;
B、根据卫星变轨原理知,卫星在椭圆轨道上的远地点需要加速才能进入同步卫星轨道,故卫星在同步轨道上的机械能大于在椭圆轨道上的机械能,故B错误;
C、万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:G=ma,解得:a=
,在两轨道上,G、M、r都相同,则卫星在椭圆轨道上B处的加速度等于在同步轨道上B处的加速度,故C正确;
D、在地球表面重力与万有引力相等,即:G=mg,在同步卫星轨道上有万有引力提供圆周运动向心力,由牛顿第二定律得:G
=m
r,解得,同步卫星轨道半径:r=
,此时同步卫星距地面的高度为H=
-R,故D错误.
故选:AC.
土星周围有许多大小不等的岩石颗粒,其绕土星的运动可视为圆周运动,其中有两个岩石颗粒A和B与土星中心的距离分别为rA=4.0×104 km和rB=8.0×104km.忽略所有岩石颗粒间的相互作用.
(1)求岩石颗粒A和B的线速度之比;
(2)土星探测器上有一物体,在地球上重为10N,推算出它在距土星中心3.2×105km处受到土星的引力为37.6N,已知地球半径为6.4×104km,请估算土星质量是地球质量的多少倍?
正确答案
解:(1)设土星质量为M,颗粒质量为m,颗粒距土星中心距离为r,线速度为v,据牛顿第二定律和万有引力定律有
=
v=
对于A、B两颗粒比较
=
=
(2)设地球质量为M′,地球半径为R,地球上物体的重力可视为万有引力,探测器上物体质量为m,在地球表面重力为
G′,距土星中心r′=3.2×105 km处的引力为G0′,根据万有引力定律有
G0′=
G′=
解得:=94
答:(1)岩石颗粒A和B的线速度之比是;
(2)土星质量是地球质量的94倍.
解析
解:(1)设土星质量为M,颗粒质量为m,颗粒距土星中心距离为r,线速度为v,据牛顿第二定律和万有引力定律有
=
v=
对于A、B两颗粒比较
=
=
(2)设地球质量为M′,地球半径为R,地球上物体的重力可视为万有引力,探测器上物体质量为m,在地球表面重力为
G′,距土星中心r′=3.2×105 km处的引力为G0′,根据万有引力定律有
G0′=
G′=
解得:=94
答:(1)岩石颗粒A和B的线速度之比是;
(2)土星质量是地球质量的94倍.
一卫星正绕地球做匀速圆周运动.现启动卫星的发动机使其速度增大,待它运动到距离地面的高度比原来大的位置,再定位使它绕地球做匀速圆周运动,成为另一轨道上的卫星.该卫星在后一轨道与在前一轨道相比( )
正确答案
解析
解:卫星在向高轨道运动时,轨道半径增加;但仍然是万有引力充当向心力,即:=m
=mrω2=m
=ma;则可知其线速度减小,加速度减小,周期增大;故AB错误,C正确;
由于卫星在上升过程中发动机做正功,故机械能增加;故D错误;
故选C.
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.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a的机械能小于卫星b的机械能.故B正确;
C、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,即=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C正确;
D、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D错误;
故选:BC.
(2015秋•安徽期末)如图所示,A为静止在地球赤道上的物体,B为绕地球做椭圆运动的卫星,C为同步卫星,P点为B、C轨道交点,已知A、B、C三物体轨道共面,且周期相等,某时刻B和C正好位于A的正上方,即三者共线,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、A、C的周期相等,根据a=得,C的加速度大于A的加速度,故A错误.
B、因为A、B、C周期相等,均为24h,经过半个周期,再次共线,即经过12h再次共线,故B错误.
C、根据牛顿第二定律知,加速度a=,知B、C经过P点的加速度大小相等,方向相同,故C错误,D正确.
故选:D.
我国发射的“神州”六号飞船于2005年10月12日上午9:00在酒泉载人航天发射场发射升空,经变轨后飞船在距地面一定高度的圆轨道上飞行.在太空飞行约115小时30分,环绕地球77圈,在完成预定空间科学和技术实验任务后于北京时间10月17日在内蒙古中部地区准确着陆.
(1)根据以上数据估算飞船的运行周期和轨道距离地面的高度.(地球半径为R=6.4×106m,地球表面的重力加速度g=10m/s2,取π2=10,295~310的立方根取6.74)
(2)当返回舱降落距地球10km时,回收着陆系统启动,弹出伞舱盖,连续完成拉出引导伞、减速伞和主伞动作,主伞展开面积足有1200m2,由于空气阻力作用有一段减速下落过程,若空气阻力与速度平方成正比,即f=kv2,并已知返回舱的质量为m0=8.0×103kg,这一过程最终匀速时的收尾速度为v1=14m/s,则当返回舱速度为v2=42m/s时的加速度为多大?
(3)当返回舱在距地面1m时,点燃反推火箭发动机,最后以不大于v3=4.0m/s的速度实现软着陆,这一过程中反推火箭产生的反推力至少等于多少?(设反推火箭发动机点火后,空气阻力不计,可以认为返回舱做匀减速直线运动)
正确答案
解:(1)由题意,飞船的运行周期约为:T=1.5h=5.4×103s ①
飞船绕地球飞行的过程中,万有引力提供向心力,则:
G=m
(R+h) ②
在地面有:G=mg ③
由②③得:h=-R ④
代入数据解得:h=3.4×105m
(2)经分析,当飞船达到收尾速度v1=14m/s时,其重力等于阻力,即:
m0g=k ⑤
当飞船的速度为:v2=42m/s时,由牛顿第二定律得:
=m0a ⑥
联立⑤⑥式得:a=(-1)g=80m/s2
(3)当软着陆速度为v3=4.0m/s时,反推力最小,设为F,
由牛顿第二定律得:F-m0g=m0a′⑦
又由运动学公式:-
=2a′s ⑧
联立⑦⑧得,F=+m0g=8×105N
答:
(1)飞船的运行周期是5.4×103s,轨道距离地面的高度是3.4×105m.
(2)当返回舱速度为v2=42m/s时的加速度为80m/s2.
(3)这一过程中反推火箭产生的反推力至少等于8×105N.
解析
解:(1)由题意,飞船的运行周期约为:T=1.5h=5.4×103s ①
飞船绕地球飞行的过程中,万有引力提供向心力,则:
G=m
(R+h) ②
在地面有:G=mg ③
由②③得:h=-R ④
代入数据解得:h=3.4×105m
(2)经分析,当飞船达到收尾速度v1=14m/s时,其重力等于阻力,即:
m0g=k ⑤
当飞船的速度为:v2=42m/s时,由牛顿第二定律得:
=m0a ⑥
联立⑤⑥式得:a=(-1)g=80m/s2
(3)当软着陆速度为v3=4.0m/s时,反推力最小,设为F,
由牛顿第二定律得:F-m0g=m0a′⑦
又由运动学公式:-
=2a′s ⑧
联立⑦⑧得,F=+m0g=8×105N
答:
(1)飞船的运行周期是5.4×103s,轨道距离地面的高度是3.4×105m.
(2)当返回舱速度为v2=42m/s时的加速度为80m/s2.
(3)这一过程中反推火箭产生的反推力至少等于8×105N.
中国计划在2017年实现返回式月球软着陆器对月球进行科学探测,如图所示,届时发射一颗运动半径为r的绕月卫星,登月着陆器从绕月卫星出发,沿椭圆轨道降落到月球的表面上,与月球表面经多次碰撞和弹跳才停下来,假设着陆器第一次弹起的最大高度为h,水平速度为v1,第二次着陆时速度为v2,已知月球半径为R,着陆器质量为m,不计一切阻力和月球的自转.求:
(1)月球表面的重力加速度g月.
(2)在月球表面发射一颗月球卫星的最小发射速度是多大?
(3)设想软着陆器完成了对月球的科学考察任务后,再返回绕月卫星,返回与卫星对接时,二者具有相同的速度,着陆器在返回过程中需克服月球引力做功,则着陆器的发动机应对着陆器做多少功,才能使着陆器安全返回到绕月卫星.
正确答案
解:(1)着陆器从高度为h到第二次着陆,由机械能守恒有:
得出月球表面的重力加速度为:----------①
(2)当卫星的轨道半径为月球半径R时,发射速度最小,
设最小速度为v,由万有引力提供向心力有:------------②
由①②式可得出:-------------③
(3)着陆器与卫星的对接速度为V3,对绕月卫星由牛顿定律有:
--------------④
又在月球表面有:---------------------⑤
着陆器与卫星的对接时,发动机对着陆器所做的功E,由能量守恒有:------⑥
联立①④⑤⑥得出:
答:(1)月球表面的重力加速度.
(2)在月球表面发射一颗月球卫星的最小发射速度是.
(3)着陆器的发动机应对着陆器做功为,才能使着陆器安全返回到绕月卫星.
解析
解:(1)着陆器从高度为h到第二次着陆,由机械能守恒有:
得出月球表面的重力加速度为:----------①
(2)当卫星的轨道半径为月球半径R时,发射速度最小,
设最小速度为v,由万有引力提供向心力有:------------②
由①②式可得出:-------------③
(3)着陆器与卫星的对接速度为V3,对绕月卫星由牛顿定律有:
--------------④
又在月球表面有:---------------------⑤
着陆器与卫星的对接时,发动机对着陆器所做的功E,由能量守恒有:------⑥
联立①④⑤⑥得出:
答:(1)月球表面的重力加速度.
(2)在月球表面发射一颗月球卫星的最小发射速度是.
(3)着陆器的发动机应对着陆器做功为,才能使着陆器安全返回到绕月卫星.
2012年6月19日,“神州九号”载人飞船与“天宫一号”目标飞行器成功实施了交会对接形成组合体.组合体的运行轨道可视为圆轨道,距地球表面高度为h.已知地球的半径为R、质量为M,万有引力常量为G.试求:
(1)神州九号与天宫一号组合体的线速度大小;
(2)神州九号与天宫一号组合体的运行周期大小;
(3)神州九号与天宫一号组合体的向心加速度大小.
正确答案
解:(1)设卫星的线速度为v,根据万有引力定律和牛顿第二定律有
解得卫星的线速度为v=
(2)根据万有引力提供向心力
解得运行周期T=
(3)由于,解得向心加速度a=
答:(1)神州九号与天宫一号组合体的线速度大小为;
(2)神州九号与天宫一号组合体的运行周期大小为;
(3)神州九号与天宫一号组合体的向心加速度大小为.
解析
解:(1)设卫星的线速度为v,根据万有引力定律和牛顿第二定律有
解得卫星的线速度为v=
(2)根据万有引力提供向心力
解得运行周期T=
(3)由于,解得向心加速度a=
答:(1)神州九号与天宫一号组合体的线速度大小为;
(2)神州九号与天宫一号组合体的运行周期大小为;
(3)神州九号与天宫一号组合体的向心加速度大小为.
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、要使“嫦娥一号”离开地球,其速度要大于第二宇宙速度,故A错误;
B、在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力远小于受月球的引力,可以忽略不计,故B错误;
C、根据万有引力定律,卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比,故C正确;
D、根据万有引力等于向心力,可以求出卫星的绕月速度
v=,与卫星质量m无关,故D正确;
故选CD.
(2015春•常德校级期末)“嫦娥一号”在距离月球表面高为h处绕月球作匀速圆周运动,已知月球半径为R,月球表面的重力加速度为g,求:“嫦娥一号”环绕月球运行的周期为多少?
正确答案
解:(1)绕月卫星绕月球做匀速圆周运动,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、月球质量为M,有
G
地球表面重力加速度公式
联立①②得到
T=2π
答:“嫦娥一号”环绕月球运行的周期为T=2π
解析
解:(1)绕月卫星绕月球做匀速圆周运动,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、月球质量为M,有
G
地球表面重力加速度公式
联立①②得到
T=2π
答:“嫦娥一号”环绕月球运行的周期为T=2π
北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统,该系统将由35颗卫星组成.卫星的轨道有三种:地球同步轨道、中地球轨道和倾斜轨道.其中,中轨道半径大约是同步轨道半径的倍,那么中轨道卫星与同步轨道卫星的周期之比约为( )
正确答案
解析
解:由题意可知:中轨道半径大约是同步轨道半径的倍,
根据开普勒第三定律:=K得:
=
=
=
;
故选:B.
已知地球半径为R,地球的同步卫星离地心的距离为r,设第一宇宙速度为v1,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a1;同步卫星的线速度为v2,向心加速度为a2,试求和
各为多少______,______.
正确答案
解析
解:第一宇宙速度是近地轨道上匀速圆周运动的线速度,根据万有引力提供圆周运动向心力有:
得线速度
所以
由于赤道上物体绕地球自转的周期与同步卫星周期相同,故其向心加速度
可知向心加速度之比等于转动半径之比,即
故答案为:,
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