- 万有引力与航天
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已知地球的半径为R,地球表面的重力加速度为g,环绕地球运行的一颗人造地球卫星的线速度为v,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:在地球表面有:
可得GM=gR2
地球对卫星的万有引力提供卫星圆周运动向心力有:
可得卫星轨道半径r=
A、第一宇宙速度是绕地球圆周运动的最大速度,故第一宇宙速度大于v,故A错误;
B、卫星轨道半径r=,故B错误;
C、卫星的运动周期T=,故C正确;
D、卫星的向心加速度,故D错误.
故选:C.
关于“亚洲一号”地球同步卫星,下面说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据,同步卫星的质量会约去,周期一定,则轨道半径一定,与环绕的同步卫星质量无关.故A错误.
B、根据万有引力提供向心力,轨道半径越大,线速度越小,所以同步卫星的运行速度小于近地卫星的运行速度.故B正确.
C、同步卫星轨道是一定的,在赤道的上方,不可能通过北京的正上方.故C错误.
D、根据,同步卫星在所在位置处的向心加速度等于该位置的重力加速度,g=
,同步卫星距地面上高度约为地球半径5.6倍,即同步卫星的轨道半径是地球半径的6.6倍,则同步卫星的向心加速度是地球表面重力加速度的
.故D正确.
故选BD.
在发射地球同步卫星的过程中,卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ,然后在Q点通过改变卫星速度,让卫星进入地球同步轨道Ⅱ.则该卫星的发射速度必定______ 11.2km/s(填大于、小于或等于),卫星在同步轨道Ⅱ上的运行速度必定______ 7.9km/s (填大于、小于或等于).
正确答案
小于
小于
解析
解:7.9km/s是第一宇宙速度,11.2km/s是第二宇宙速度,是卫星脱离地球束缚的速度,当卫星的速度大于第一宇宙速度,小于第二宇宙速度时,绕地球做椭圆运动.所以让卫星进入地球同步轨道Ⅱ,则该卫星的发射速度必定小于11.2km/s.
同步卫星绕地球运动,7.9km/s即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.而同步卫星的轨道半径要大于近地卫星的轨道半径,根据v的表达式v=,可以得出同步卫星运行的线速度一定小于第一宇宙速度7.9km/s.
故答案为:小于,小于.
随着“神舟十号”与“天宫一号”成功牵手,我国将于2020年前发射月球登陆器.月球登陆器返回时,先由月球表面发射后绕月球在近月圆轨道上飞行,经轨道调整后与在较高圆轨道上运行的轨道舱对接,对接完成后再经加速脱离月球飞回地球.下列关于此过程的描述,正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据第一宇宙速度的概念可知,登录器在近月圆轨道上飞行的速度等于月球第一宇宙速度,故A错误.
B、根据万有引力提供向心力,可得登陆器运动的周期为T=2π
,对接后轨道半径没有变,故周期也不变.故B错误.
C、登录器与轨道舱对接后必须加速到等于或大于月球的第二宇宙速度,才能脱离月球束缚,才可以返回地球.故C正确.
D、根据万有引力提供向心力,可得登陆器运动的线速度为v=
,登录器与轨道舱对接的轨道半径比近月轨道半径大,故速度比近月轨道速度小,故D正确.
故选:CD.
己知地球同步卫星A离地面的高度约为地球半径的6倍,另一地球卫星B离地面的高度约为地球半径的2.5倍,在地球赤道上放置一物体C,随地球转动.若将地球看成均匀球体,则( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力,得v=
,T=
.地球同步卫星A离地面的高度约为地球半径的6倍,另一地球卫星B离地面的高度约为地球半径的2.5倍,则rA=7R,rB=3.5R,
,则A、B的线速度之比为1:
.A、B的周期之比为
.又因为A、C的周期相等,则卫星B与C的周期之比为1
.故A、D正确,B、C错误.
故选AD.
“嫦娥四号”卫星的主要任务是接着“嫦娥三号”着陆月球表面,继续更深层次,更加全面地探测月球地质、资源等方面的信息,完善月球的档案资料.假设“嫦娥四号”卫星先贴近地球表面绕地球做匀速圆周运动,此时动能为E1,再控制它进行一系列变轨后绕月球表面做匀速圆周运动,此时动能为E2,已知地球质量是月球质量的p倍,地球半径是月球半径的q倍,“嫦娥四号”在整个过程中质量保持不变,则为( )
正确答案
解析
解:嫦娥四号绕地球做匀速圆周运动,设嫦娥四号质量为m,轨道半径为r1,运动线速度为v1
因为动能为E1=mv12,所以向心力为
=
根据万有引力提供向心力G=m
解得:E1=
同理,嫦娥四号绕月球做圆周运动时,其动能为E2=
已知地球质量是月球质量的p倍,地球半径是月球半径的q倍,
所以 E1与E2的比值=
,故A正确、BCD错误.
故选:A.
“嫦娥三号”探测器于2013年12月2日1时30分,在西昌卫星发射中心发射.“嫦娥三号”携“玉兔号”月球车首次实现月球软着落并开展月表形貌与地质构造调查等科学探测.设探测器绕月球做匀速圆周运动,变轨后在较低的近月轨道上仍做匀速圆周运动,已知月球半径为R,月球表面的重力加速度为g,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:航天器绕月球做圆周运动,万有引力提供圆周运动向心力有:由此可得:
A、周期得,变轨后轨道半径减小,故周期减小,故A错误;
B、角速度ω=得,变轨后轨道半径减小,故角速度增大,故B错误;
C、第一宇宙速度是近地圆周运动的线速度,此时重力完全提供圆周运动向心力,即由⇒
,故C正确.
D、向心加速度得,变轨后轨道半径减小,向心加速度增大,故D错误.
故选:C.
A.若两颗人造卫星A和B绕地球做匀速圆周运动,角速度之比为8:1,则A和B两颗卫星的轨道半径之比为______,运动的速率之比为______.
正确答案
1:4
2:1
解析
解:A、根据卫星的速度公式v=得,角速度为ω=
=
,
地球的质量M一定,则得A和B两颗卫星的轨道半径之比为rA:rB==1:4,速率之比这vA:vB=2:1
故答案为:1:4,2:1
人造地球卫星P绕地球球心作匀速圆周运动,已知P卫星的质量为m,距地球球心的距离为r,地球的质量为M,引力恒量为G,求:
(1)卫星P与地球间的万有引力;
(2)卫星P的运动周期;
(3)现有另一地球卫星Q,Q绕地球运行的周期是卫星P绕地球运行周期的8倍,且P、Q的运行轨迹位于同一平面内,如图所示,求卫星P、Q在绕地球运行过程中,两星间相距最近时的距离多大.
正确答案
解:(1)卫星P与地球间的万有引力F=;
(2)根据得,卫星P的运动周期T=
;
(3)卫星Q的周期是卫星P周期的8倍,根据T=知,卫星Q的轨道半径是卫星P轨道半径的4倍,即r′=4r,
当 P、Q、地球共线且P、Q位于地球同侧时最近,最近距离d=4r-r=3r.
答:(1)卫星P与地球间的万有引力为;
(2)卫星P的运动周期为;
(3)卫星P、Q在绕地球运行过程中,两星间相距最近时的距离为3r.
解析
解:(1)卫星P与地球间的万有引力F=;
(2)根据得,卫星P的运动周期T=
;
(3)卫星Q的周期是卫星P周期的8倍,根据T=知,卫星Q的轨道半径是卫星P轨道半径的4倍,即r′=4r,
当 P、Q、地球共线且P、Q位于地球同侧时最近,最近距离d=4r-r=3r.
答:(1)卫星P与地球间的万有引力为;
(2)卫星P的运动周期为;
(3)卫星P、Q在绕地球运行过程中,两星间相距最近时的距离为3r.
神舟九号与天宫一号对接前,天宫一号要由距地面较高的运行轨道,逐渐变化到距地面较低的交会对接轨道.在变轨过程中需对天宫一号的运动进行监测,若天宫一号的运动均可近似看作匀速圆周运动,某次测量天宫一号的轨道半径为r1,后一次测量天宫一号的半径变为r2(r1>r2),以Ek1、Ek2表示天宫一号在这两个轨道上的动能,T1、T2表示天宫一号在这两上轨道上绕地运动的周期,则( )
正确答案
解析
解:万有引力提供天宫一号圆周运动的向心力,据此有:
可得线速度,周期T=
所以在轨道1上运动时,半径r来得大,线速度小,周期大,所以其动能小周期大,ACD错误,B正确.
故选:B
2013年4月20日8时2分四川雅安发生7.0级大地震.我国自主研制的“北斗一号”卫星导航系统,在抗震救灾中发挥了巨大作用.北斗导航系统又被称为“双星定位系统”,计划到2020年完全建成.系统由5颗地球同步轨道和30颗地球非同步轨道卫星组网而成.2012年12月27日,北斗导航系统正式投入运营.卫星的运动均可看作匀速圆周运动,以下说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、同步轨道卫星轨道只能在赤道上空,故A错误;
B、根据可知,轨道半径越小则线速度越大,轨道最小对应的速度为第一宇宙速度7.9km/s,故B错误;
C、根据可知,离地面越近的卫星轨道半径越小,轨道半径越小则线速度越大,故C正确;
D、地球同步卫星是与地球自转同步,不是与月于绕地球的周期,故D错误.
故选:C.
我国自行研制的“风云一号”、“风云二号”气象卫星运动的轨道是不同的.“一号”是极地圆形轨道卫星,其轨道平面与赤道垂直,周期12h;“二号”是地球同步卫星.两颗卫星相比,______号离地面更高,______号运动速度较大.
正确答案
二
一
解析
解:根据万有引力提供向心力有:
解得:----①,
----②.
一号卫星的周期为12h,二号卫星为同步卫星周期为24h,即T1<T2,由①得r1<r2,
由②得v1>v2.
故答案为:二,一.
如图所示,极地卫星的运行轨道平面通过地球的南北两极(轨道可视为圆轨道),若已知一个极地卫星从北纬30°的正上方,按图示方向(逆时针方向)第一次运行至南纬60°正上方时所用时间为t,地球半径为R(地球可看做均匀球体),地球表面的重力加速度为g,不考虑地球的自转,引力常量为G,求:
(1)地球的质量M;
(2)该卫星距地面的高度h.
正确答案
解:(1)已知一个极地卫星从北纬30°的正上方,按图示方向(逆时针方向)第一次运行至南纬60°正上方时所用时间为t,
刚好为运动周期的T,所以卫星运行的周期为4t,
根据地球表面重力等于万有引力,
=mg
M=,
(2)卫星运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供,
=m
r
r=R+h,GM=gR2,
解得:h=-R
答:(1)地球的质量是;
(2)该卫星距地面的高度是-R.
解析
解:(1)已知一个极地卫星从北纬30°的正上方,按图示方向(逆时针方向)第一次运行至南纬60°正上方时所用时间为t,
刚好为运动周期的T,所以卫星运行的周期为4t,
根据地球表面重力等于万有引力,
=mg
M=,
(2)卫星运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供,
=m
r
r=R+h,GM=gR2,
解得:h=-R
答:(1)地球的质量是;
(2)该卫星距地面的高度是-R.
关于地球的绕行卫星,它们在绕地球转动的过程中,离地球越近的卫星,其绕行速度就______,周期就______,角速度______.(填“越大”、“越小”、“不变”)
正确答案
解:根据万有引力提供向心力,得
,T=2π
,ω=
.
由此可以看出,当卫星离地球越近时,速度v越大、角速度ω越大,而周期T越小.
故答案为:越大;越小;越大.
解析
解:根据万有引力提供向心力,得
,T=2π
,ω=
.
由此可以看出,当卫星离地球越近时,速度v越大、角速度ω越大,而周期T越小.
故答案为:越大;越小;越大.
关于人造地球卫星的运行速度和发射速度,以下说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:人造卫星发射速度大,其做离心运动距离越远,等稳定后运行轨道半径越大,
由 =m
得:v=
,
故发射速度大,运转轨道半径大,运行线速度小.发射速度小,运转轨道半径小,运行线速度大.
所以低轨道卫星的运行速度大,发射速度小,高轨道卫星的运行速度小,但发射速度大.故ABC错误,D正确.
故选:D
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