- 万有引力与航天
- 共16469题
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.万有引力常量为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b的机械能大于卫星a的机械能.故B错误;
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:C.
我国成功发射的“神舟五号”,火箭全长58.3m,起飞重量为479.8×103kg,火箭点火升空,飞船进入预定轨道,“神舟五号”环绕地球飞行14圈用的时间是21h.飞船点火竖直升空时,航天员杨利伟感觉“超重感比较强”,仪器显示他对座舱的最大压力等于他体重的5倍.飞船进入轨道后,杨利伟还多次在舱内漂浮起来.假设飞船运行的轨道是圆形轨道,(地球半径R取6.4×103km,地面重力加速度g=10m/s2,计算结果取二位有效数字.)
(1)试分析航天员在舱内“漂浮起来”的现象产生的原因.
(2)求火箭点火发射时,火箭的最大推力.
(3)估算飞船运行轨道距离地面的高度.
正确答案
解:(1)在舱内.航天员靠靠万有引力提供向心力,处于完全失重状态;
(2)根据牛顿第二定律得,N-mg=ma N=5mg 解得a=4g
F-Mg=Ma∴F=5Mg=2.4×107N
(3)周期T==5400s
根据万有引力等于重力有:=mg
根据万有引力提供向心力得,
解得h=3.2×105m.
答:(1)完全失重.
(2)火箭的最大推力为2.4×107N.
(3)飞船运行轨道距离地面的高度为3.2×105m.
解析
解:(1)在舱内.航天员靠靠万有引力提供向心力,处于完全失重状态;
(2)根据牛顿第二定律得,N-mg=ma N=5mg 解得a=4g
F-Mg=Ma∴F=5Mg=2.4×107N
(3)周期T==5400s
根据万有引力等于重力有:=mg
根据万有引力提供向心力得,
解得h=3.2×105m.
答:(1)完全失重.
(2)火箭的最大推力为2.4×107N.
(3)飞船运行轨道距离地面的高度为3.2×105m.
我国于2011年发射了“天宫一号”目标飞行器,之后发射的“神舟八号”、“神舟九号”飞船相继与之成功对接. 后来发射的“神舟十号”也与“天宫一号”目标飞行器实现了对接.如图所示,在对接前“天宫一号”的轨道半径比“神舟十号”的轨道半径大,它们都做匀速圆周运动.则在对接前( )
正确答案
解析
解:据万有引力提供向心力得
=m
r=m
=ma=mω2r,
A、v=,“天宫一号”的轨道半径比“神舟十号”的轨道半径大,“天宫一号”的线速度比“神舟十号”的线速度小,故A错误;
B、ω=,“天宫一号”的轨道半径比“神舟十号”的轨道半径大,“天宫一号”的角速度比“神舟十号”的角速度小,故B错误;
C、第一宇宙速度是近地环绕速度,也是最大环绕速度,所以它们的线速度都小于7.9km/s,故C正确;
D、a=,“神舟十号”的向心加速度大于“天宫一号”的向心加速度,故D错误;
故选:C.
“神舟十号”飞船在绕地球做匀速圆周运动时,离地面的高度为h,周期为T,已知地球的半径为R,引力常量为G,写出地球质量和密度的表达式.
正确答案
解:根据万有引力等于向心力
所以M=
因为地球的体积
所以ρ=
答:地球质量为,密度为
.
解析
解:根据万有引力等于向心力
所以M=
因为地球的体积
所以ρ=
答:地球质量为,密度为
.
如图所示,人造卫星A、B在同一平面内绕地球做匀速圆周运动.则这两颗卫星相比( )
正确答案
解析
解:人造卫星A、B在同一平面内绕地球做匀速圆周运动,
万有引力提供向心力,则由牛顿第二定律得:
=m
r=mω2r=ma
T=2π,v=
,ω=
,a=
则可知离地面越远的卫星,轨道半径越小,线速度越大、角速度越大、向心加速度越大、周期越小,
所以卫星A的线速度较小,卫星A的周期较大,卫星A的角速度较小,卫星A的加速度较小,故ACD错误,B正确.
故选:B.
“嫦娥二号”卫星于2010年10月1日发射成功,它经过三次近月制动后,在近月轨道上做匀速圆周运动(运动半径可看作月球半径).若地球质量为M,半径为R,第一宇宙速度为ν;月球半径为r,质量为m.则“嫦娥二号”在近月轨道上运动的速度大小为( )
正确答案
解析
解:月球给嫦娥二号的万有引力提供向心力,有:,解得v′=
.
因为地球的第一宇宙速度为v,有,解得G=
.
所以.故B正确,A、C、D错误.
故选B.
(2015秋•天水校级期末)若第一宇宙速度为v,地球表面的重力加速度为g,地球自转的周期为T,地球同步卫星的轨道半径为地球半径的n倍.则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、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:=ma,
a=
根据地球表面万有引力等于重力得:=mg,
解得:g=
地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍,即r=nR,
则有:,故A错误;
B、根据万有引力提供向心力,列出等式:
解得:T=,
则地球近地卫星的周期,同步卫星周期T=
,
则,故B错误;
C、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:
v′=,其中r为同步卫星的轨道半径.
第一宇宙速度为v=,
地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍,即r=nR,所以v′=.故C正确;
D、地球赤道上的物体随地球自转的角速度与同步卫星角速度相等,根据v=ωr可知,地球赤道上的物体随地球自转的线速度,故D正确.
故选:CD
两颗卫星在同一轨道平面绕地球做匀速圆周运动.地球半径为R,a卫星离地面的高度等于R,b卫星离地面高度为3R.则a、b两卫星周期之比为Ta:Tb为______.若某时刻两卫星正好同时通过地面同一点的正上方,则a至少经过______Ta两卫星相距最远.(结果可以用根式表示)
正确答案
1:2
解析
解:(1)Ra=2R,Rb=4R
由开普勒行星运动规律知:
所以Ta:Tb==1:2
----①
(2)设经过t时间 二者第一次相距最远,
此时a比b多转半圈,即=
解得t=----②
由①②可得t=Ta
故答案为:(1)Ta:Tb=1:2;(2)
.
行星A和行星B的质量之比MA:MB=2:1,半径之比RA:RB=1:2,两行星各有一颗卫星a和b,其圆形轨道都非常接近各自的行星表面.若卫星a运行周期为Ta,卫星b运行周期为Tb,则Ta:Tb为( )
正确答案
解析
解:卫星做圆周运动时,万有引力提供圆周运动的向心力,则有:得:
∴两卫星运行周期之比.所以正确的选项是A.
故选:A
(2016春•兴庆区校级月考)有两颗人造地球卫星,它们的质量之比m1:m2=1:2,它们绕地球做匀速圆周运动的线速度之比v1:v2=1:2,那么下列结论中错误的是( )
正确答案
解析
解:A、已知v1:v2=1:2,根据卫星的线速度公式v=,得轨道半径之比 r1:r2=
:
=4:1
由T=得:周期之比T1:T2=8:1.故A错误,B正确.
C、由a=r得向心加速度之比a1:a2=1:16,故C正确.
D、由牛顿第二定律F=ma得 向心力之比F1:F2=m1a1:m2a2=1:32.故D正确.
本题选错误的,故选:A
如图所示为月球表面的地形,其中e处有一山丘,随着月球的自转做圆周运动,“嫦娥二号”在飞往月球的过程中经过了p和q两个过度轨道,两轨道均可视为圆规道,且与山丘所在的轨道平面共面,其中q轨道为月球同步轨道,设山丘的运行速率,“嫦娥二号”在p、q轨道上的运行速率分别为v1、v2、v3,其向心加速度分别为a1、a2、a3,则( )
正确答案
解析
解:由题意可知:山丘与嫦娥二号在q轨道上运行的角速度、周期相同,由v=ωr,a=ω2r可知v1<v3、a1<a3;
对q轨道和p轨道根据万有引力提供圆周运动向心力有,可得v=
、a=
,可知v3<v2、a3<a2对比各选项可知B、D正确,AC错误.
故选:BD.
(多选)两颗人造卫星绕地球做圆周运动,它们的质量之比1:2,轨道半径之比为1:4,则( )
正确答案
解析
解:卫星绕地球做圆周运动,万有引力提供向心力;
A、由牛顿第二定律得:G=m
,解得:v=
,速率之比:
=
=
=
,故A正确,C错误;
B、由牛顿第二定律得:G=m
r,解得:T=2π
,周期之比:
=
=
,故B错误,D正确;
故选:AD.
某卫星在月球上空绕月球做匀速圆周运动,若已知该卫星绕月球的周期和轨道半径,则由已知物理量可以求出( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供圆周运动的向心力有:
A、根据题意可求出月球的质量,但不知道月球的半径,故无法求出月球的密度,故A错误;
B、M=可求出月球的质量M,故B正确;
C、因为不知道卫星的质量,故月球对卫星的引力无法求出,故C不正确;
D、a=,故D正确.
故选BD.
“神舟”五号载人飞船在绕地球飞行的第五圈进行变轨,由原来的椭圆轨道变为距地面高度为h的圆形轨道.已知飞船的质量为m,地球半径为R,地面处的重力加速度为g.则飞船在上述圆轨道上运行的动能Ek( )
正确答案
解析
解:研究飞船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
解得①
忽略地球自转的影响,根据万有引力等于重力列出等式
解得GM=gR2②
由①②解得:飞船在上述圆轨道上运行的动能Ek=mv2=
,即飞船在上述圆轨道上运行的动能Ek小于
,故B正确.
故选B.
已知甲、乙两行星的半径之比为a,它们各自对应的第一宇宙速度之比为b,则下列结论正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据mg=,则第一宇宙速度为:v=
,
则行星表面的重力加速度为:g=,甲、乙两行星的半径之比为a,它们各自的第一宇宙速度之比为b,
则甲乙两行星的表面重力加速度之比为,
根据mg=,则有:M=
,
因为半径之比为a,重力加速度之比为,所以甲乙两行星的质量之比为b2a:1.故A、B正确.
C、轨道半径越小,周期越小,根据=m
得,
最小周期T=2π,甲乙两行星的质量之比为ab2:1,半径之比为a,则最小周期之比为a:b.故C正确.
D、轨道半径越小,角速度最大,根据ω=,最小周期之比为a:b,则最大角速度之比为b:a.故D错误.
故选:ABC.
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