- 万有引力与航天
- 共16469题
已知地球半径为R,地球同步卫星的轨道半径为r.假设地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a1,第一宇宙速度为v1,地球近地卫星的周期为T1;地球同步卫星的运行速率为v2,加速度为a2,周期为T2.则下列比值正确的是( )
正确答案
解析
解:A、对于地球同步卫星和以第一宇宙速度运动的近地卫星,由万有引力提供做匀速圆周运动所需向心力得到:
=m
,
得v=,
所以=
,故A错误,B正确;
C、因为地球同步卫星的角速度和地球赤道上的物体随地球自转的角速度相同,
由a1=ω2R,a2=ω2r可得,
故=
,故C错误;
D、由开普勒第三定律=k得
=
,故D正确;
故选:BD.
已知有一颗地球卫星离地心的距离为r,地球的质量为M,引力常数是G,
(1)这颗地球卫星绕地球转的线速度是多少?
(2)这颗地球卫星绕地球转的角速度是多少?
正确答案
解:(1)卫星绕地球做匀速圆周运动,据万有引力提供向心力,列出等式,
=m
,
v=,
(2)卫星绕地球做匀速圆周运动,据万有引力提供向心力,列出等式,
=mω2r
ω=,
答:(1)这颗地球卫星绕地球转的线速度是,
(2)这颗地球卫星绕地球转的角速度.
解析
解:(1)卫星绕地球做匀速圆周运动,据万有引力提供向心力,列出等式,
=m
,
v=,
(2)卫星绕地球做匀速圆周运动,据万有引力提供向心力,列出等式,
=mω2r
ω=,
答:(1)这颗地球卫星绕地球转的线速度是,
(2)这颗地球卫星绕地球转的角速度.
我国的“风云二号”D气象卫星,2006年12月8日在西昌卫星发射中心成功发射升空,定点于东经八十六点五度赤道上空.“风云二号”D气象卫星可更好地向西拓展业务应用,而西部是中国气象信息的上游,如寒潮、沙尘等气象信息均源于西部.因此,“风云二号”D气象卫星将有助于获取更全面、更准确的气象信息,也能更好地支持、服务于国家西部大开发的战略决策.
(1)已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,地球自转周期为T0,请用以上物理量表示“风云二号”D气象卫星的轨道半径r,加速度 a 以及线速度 v;
(2)取R=6400km,g=10m/s2,π2=10,=7.37,求出“风云二号”D气象卫星的轨道半径r.
正确答案
解:
(1)风云二号是同步卫星,故其周期与地球自转周期相同,由此万有引力提供向心力可得:
①
对地面物体万有引力等于重力:
解得:GM=gR2 ②
由①②解得:
a=rω2==
(2)由带入数据得:
=4.25×107m
答:
(1)“风云二号”D气象卫星的轨道半径,加速度
;线速度
;
(2)“风云二号”D气象卫星的轨道半径r=4.25×107m.
解析
解:
(1)风云二号是同步卫星,故其周期与地球自转周期相同,由此万有引力提供向心力可得:
①
对地面物体万有引力等于重力:
解得:GM=gR2 ②
由①②解得:
a=rω2==
(2)由带入数据得:
=4.25×107m
答:
(1)“风云二号”D气象卫星的轨道半径,加速度
;线速度
;
(2)“风云二号”D气象卫星的轨道半径r=4.25×107m.
载人飞船从发射、进入轨道、加速变轨,最后进入圆形轨道稳定运行.如图是载人飞船正在加速变轨的过程,如下相关的说法中,正确的是( )
正确答案
解析
解:ABC、根据万有引力提供向心力,得
,
,
,由此可知,轨道半径越大,周期越大、线速度和加速度越小,故飞船进入高轨道后的周期变大,速率和加速度变小,故A错误,BC均正确.
D、飞船在圆形轨道运行时,地球对宇航员的引力完全提供向心力,宇航员处于失重状态,故D错误.
故选:BC.
2010年1月17日,我国成功发射北斗COMPASS-G1地球同步卫星.据了解这已是北斗卫星导航系统发射的第三颗地球同步卫星.则对于这三颗已发射的同步卫星,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:地球的第一宇宙速度是卫星贴近地球表面做匀速圆周运动的速度.根据G=m
,r越大,v越小,可知同步卫星的速度小于第一宇宙速度.故A对.
同步卫星的特点:定周期(24h),顶轨道(赤道上方),定高度,定速率.故B、C都错.
根据公式:a=rω2,同步卫星的半径大于地球的半径,而同步卫星的角速度与地球自转的角速度相等,所以同步卫星的向心加速度大于赤道上物体的向心加速度.故D错.
故选A.
我国发射的“神舟”系列飞船,在离地面数百公里高处绕地球做匀速圆周运动,如果考虑到空气阻力的作用,“神舟”飞船在运行过程中,其轨道半径将逐渐变小,但每一周仍可视为匀速圆周运动,因此可近似看成是一系列半径不断减小的圆周运动,在这一系列半径不断变小的圆周运动过程中,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供圆周运动向心力有
A、周期T=,可知飞船半径减小,周期减小,故A错误;
B、角速度,可知飞船半径减小,角速度增大,故B正确;
C、飞船的速率,可知飞船半径减小,飞船的速率增大,故C错误;
D、加速度a=,可知飞船半径减小,飞船的向心加速度变大,故D错误.
故选:B.
我国通信卫星的研制始于70年代331卫星通信工程的实施,到1984年4月,我国第一颗同步通信卫星发射成功并投入使用,标志着我国通信卫星从研制转入实用阶段.现正在逐步建立同步卫星与“伽利略计划”等中低轨道卫星等构成的卫星通信系统.
(1)若已知地球的平均半径为R0,自转周期为T0,地表的重力加速度为g,试求同步卫星的轨道半径R;
(2)有一颗与上述同步卫星在同一轨道平面的低轨道卫星,自西向东绕地球运行,其运行半径为同步轨道半径R的四分之一,试求该卫星的周期T是多少?该卫星至少每隔多长时间才在同一城市的正上方出现一次.(计算结果只能用题中已知物理量的字母表示)
正确答案
解:(1)设地球的质量为M,同步卫星的质量为m,运动周期为T,因为卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供,故
①
同步卫星T=T0②
而在地表面③
由①②③式解得:.
(2)由①式可知T2∝R3,
设低轨道卫星运行的周期为T′,则
因而
设卫星至少每隔t时间才在同一地点的正上方出现一次,根据圆周运动角速度与所转过的圆心角的关系θ=ωt得:
解得:,即卫星至少每隔
时间才在同一地点的正上方出现一次.
答:(1)同步卫星的轨道半径.
(2)该卫星的周期T为,卫星至少每隔
时间才在同一地点的正上方出现一次.
解析
解:(1)设地球的质量为M,同步卫星的质量为m,运动周期为T,因为卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供,故
①
同步卫星T=T0②
而在地表面③
由①②③式解得:.
(2)由①式可知T2∝R3,
设低轨道卫星运行的周期为T′,则
因而
设卫星至少每隔t时间才在同一地点的正上方出现一次,根据圆周运动角速度与所转过的圆心角的关系θ=ωt得:
解得:,即卫星至少每隔
时间才在同一地点的正上方出现一次.
答:(1)同步卫星的轨道半径.
(2)该卫星的周期T为,卫星至少每隔
时间才在同一地点的正上方出现一次.
如图所示,有M和N两颗质量相同的人造地球卫星,都环绕地球做匀速圆周运动,这两颗卫星相比较( )
正确答案
解析
解:卫星圆周运动的向心力由万有引力提供有:
A、周期T=,M的半径大周期大,故A错误;
B、线速度v=,M的半径大线速度小,故B正确;
C、角速度,M的半径大角速度小,故C错误;
D、向心加速度,M的半径大向心加速小,故C正确.
故选:BD.
一卫星绕某行星作匀速圆周运动,已知行星表面的重力加速度为g行,行星质量M与卫星质量m之比为81:1,行星半径R行与卫星半径R卫之比为3.6:1,行星与卫星之间的距离r与行星半径R行之比为60:1.求:在卫星表面的重力加速度是行星表面的重力加速度的多少倍?
某同学的解答为:设卫星表面的重力加速度为g卫.则在卫星表面有GMm/r2=mg卫经过计算他得出卫星表面的重力加速度为行星表面的重力加速度的1/3600.你同意上述解答吗?若同意请列出主要运算证明步骤;若不同意,则说明原因,并求出正确结果.
正确答案
解:不同意.
∵g卫并不是卫星表面的重力加速度,而是卫星绕行星作匀速圆周运动的向心加速度.
正确解法:在卫星表面g卫= (1)
在行星表面g行=(2)
(1)式比(2)式即得:g卫=0.16g行
答:上述结果是错误的,星表面的重力加速度为行星表面的重力加速度的0.16倍.
解析
解:不同意.
∵g卫并不是卫星表面的重力加速度,而是卫星绕行星作匀速圆周运动的向心加速度.
正确解法:在卫星表面g卫= (1)
在行星表面g行=(2)
(1)式比(2)式即得:g卫=0.16g行
答:上述结果是错误的,星表面的重力加速度为行星表面的重力加速度的0.16倍.
2014年3月8日凌晨马航客机失联后,西安卫星测控中心紧急调动海洋、风云、高分、遥感4个型号近10颗卫星,为地面搜救提供技术支持.特别是“高分一号”突破了空间分辨率、多光谱与大覆盖面积相结合的大量关键技术.如图为“高分一号”与北斗导航系统两颗卫星在空中某一面内运动的示意图.“北斗”系统中两颗卫星“G1”和“G3”以及“高分一号”均可认为绕地心O做匀速圆周运动.卫星“G1”和“G3”的轨道半径均为r,某时刻两颗工作卫星分别位于轨道上的A、B两位置,“高分一号”在C位置.若卫星均顺时针运行,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.则以下说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,得a=
.而GM=gR2.所以卫星的加速度
.故A错误;
B、根据万有引力提供向心力,得
.所以卫星1由位置A运动到位置B所需的时间t=
.故B错误;
C、“高分一号”卫星加速,将做离心运动,轨道半径变大,速度变小,路程变长,运动时间变长,故如果调动“高分一号”卫星快速到达G3所在轨道必须对其加速,故C错误;
D、“高分一号”是低轨道卫星,其所在高度有稀薄气体,克服阻力做功,机械能减小.故D正确.
故选:D.
“马航MH370”客机失联后,我国已紧急调动多颗卫星,利用高分辨率对地成像、可见光拍照等技术对搜寻失联客机提供支持.关于环绕地球运动的卫星,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、同步卫星相对地球静止,低轨卫星相对地球是运动的,根据=
得,v=
,第一宇宙速度的轨道半径等于地球的半径,所以低轨卫星的线速度小于第一宇宙速度.故A错误;
B、同步卫星的周期与地球的周期相同,相对地球静止,可以固定对一个区域拍照,但由于它距地面较远,照片的分辨率会差一些.故B正确;
C、根据=
=
得,v=
,T=
,低轨卫星的轨道半径小于同步卫星的轨道半径,则低轨卫星的速率大于同步卫星,周期小于同步卫星.故C、D错误.
故选:B.
据媒体报道,嫦娥一号卫星环月工作轨道为圆轨道,轨道高度200km,运动周期127分钟.若还知道引力常量和月球平均半径,仅利用以上条件能求出的物理量是( )
正确答案
解析
解:由题可知,已知卫星的轨道半径,周期,引力常量,则:
A、由万有引力:,可得:
,可求得M,由
,可得:
,故A正确
B、由万有引力:,可得:
,故B正确
C、由于不知道卫星质量故不能求引力,故C错误
D、线速度:,故D正确
故选ABD
“黑洞”是近代引力理论所预言的宇宙中的一种特殊天体,在“黑洞”引力范围内,任何物体都不能脱离它的束缚,甚至连光也不能射出.2001年,欧洲航天局由卫星观察发现银河系中心存在一个超大型黑洞.假设银河系中心仅存此一个黑洞,已知太阳系绕银河系中心做匀速圆周运动,则根据下列哪组数据可以估算出该黑洞的质量(引力常量为已知)( )
正确答案
解析
解:太阳系绕银河系中心“黑洞”做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,设太阳系的质量为m、轨道半径为r、“黑洞”质量为M,根据万有引力提供向心力得:
=mωv
从上式可以看出,要计算、“黑洞”质量,要知道周期T与轨道半径r,或者线速度v与轨道半径r,或者轨道半径r与角速度ω,或者角速度ω与线速度v;
由于太阳系质量m在等式左右可以约去,故太阳系质量对求银河系中心“黑洞”的质量无用处;
故ABC错误,D正确;
故选:D
(多选)如图所示,航天飞机在完成太空任务后,在A点从圆形轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ,B为轨道Ⅱ上的近地点,关于航天飞机的运动,下列说法中正确的有( )
正确答案
解析
解:A、根据开普勒第二定律可知航天飞机在远地点的速度小于在近地点的速度,A正确.
B、当航天飞机在轨道Ⅱ上A点加速才能变轨到Ⅰ上,故在轨道Ⅱ上经过A的动能小于在Ⅰ上经过A点的动能,B正确.
C、由开普勒第三定律=k知,在轨道Ⅱ上运动的周期小于在轨道Ⅰ上运动的周期,故C正确.
D、根据牛顿第二定律得
加速度a=,所以在轨道Ⅱ上经过A的加速度等于在轨道Ⅰ上经过A的加速度,故D错误;
故选:ABC.
a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星.其中a、c的轨道相交于P,b、d在同一个圆轨道上,b、c轨道在同一平面上.某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图示.下列说法中正确的是( )
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
F=F向
F=G
F向=m=mω2r=m(
)2r
因而
G=m
=mω2r=m(
)2r=ma
解得
①
ω= ②
a=③
A、a、c两颗卫星的轨道半径相同,且小于b卫星的轨道半径,根据③式,a、c的加速度大小相等,且大于b的加速度,故A正确;
B、b、c两颗卫星的轨道半径不相同,根据②式,其角速度不等,故B错误;
C、a、c两颗卫星的轨道半径相同,且小于d卫星的轨道半径,根据①式,a、c的线速度大小相等,且大于d的线速度,故C错误;
D、a、c两颗卫星相交,故轨道半径相同,根据①式,它们的线速度相等,故永远不会相撞,故D错误;
故选:A.
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