- 万有引力与航天
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甲、乙为两颗人造地球卫星,其中甲为地球的同步卫星,乙的运行高度低于甲的运行高度,两卫星轨道均可视为圆轨道.以下判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,得
,由甲的高度大于乙的高度,可知甲的角速度小于乙的角速度.故A错误.
B、根据万有引力提供向心力,得
.第一宇宙速度是近地圆轨道的环绕速度,即当r取最小值R时的速度,是圆轨道运行的最大速度.故甲和乙的速度均小于第一宇宙速度.故B错误.
C、根据万有引力提供向心力,得
,由甲的高度大于乙的高度,可知甲的加速度小于乙的加速度.故C正确.
D、同步卫星有四个“定”:定轨道、定高度、定速度、定周期,定轨道是指轨道只能在赤道上空某一高度,故甲在运行时不可能经过北极的正上方.故D错误.
故选C.
2010年10月1日,我国第二颗探月卫星“嫦娥二号”成功发射,“嫦娥二号”最终进入距月面h=200km的圆形工作轨道,开始进行科学探测活动,设月球半径为R,月球表面的重力加速度为g,万有引力常量为G,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,T=
,
.
再根据黄金代换式GM=gR2.T=,
.故A、C错误.
B、根据GM=gR2,,所以
=
.故B正确.
D、根据万有引力等于重力,
.所以嫦娥二号工作轨道处的重力加速度和月球表面的重力加速度之比
,所以
.故D正确.
故选BD.
两个人造地球卫星,其轨道半径之比为R1:R2=2:1,求两个卫星:
(1)向心加速度之比;
(2)线速度之比;
(3)周期之比.
正确答案
解:人造卫星绕同一个中心天体做圆周运动,靠万有引力提供向心力,
F==ma=m
=m
(1)向心加速度a=,两个人造地球卫星,其轨道半径之比为R1:R2=2:1,
所以向心加速度之比是1:4.
(2)线速度v=,两个人造地球卫星,其轨道半径之比为R1:R2=2:1,
所以线速度之比是1:,
(3)周期T=2π,两个人造地球卫星,其轨道半径之比为R1:R2=2:1,
所以周期之比是2:1.
答:(1)向心加速度之比是1:4,
(2)线速度之比是1:,
(3)周期之比是2:1.
解析
解:人造卫星绕同一个中心天体做圆周运动,靠万有引力提供向心力,
F==ma=m
=m
(1)向心加速度a=,两个人造地球卫星,其轨道半径之比为R1:R2=2:1,
所以向心加速度之比是1:4.
(2)线速度v=,两个人造地球卫星,其轨道半径之比为R1:R2=2:1,
所以线速度之比是1:,
(3)周期T=2π,两个人造地球卫星,其轨道半径之比为R1:R2=2:1,
所以周期之比是2:1.
答:(1)向心加速度之比是1:4,
(2)线速度之比是1:,
(3)周期之比是2:1.
2008年年底,美国科学家给世人带来了意外的惊喜:他们凭借哈勃太空望远镜的超强视力,首次直接拍摄到一颗系外行星“北落师门b”环绕距离地球约25光年的“北落师门”恒星运转,从而发现了这颗系外行星新成员.这是人类首次直接拍到系外行星的运动踪迹,堪称天文观测史上里程碑式的重大进展.北落师门星质量约为太阳质量的2.3倍,亮度15倍.它只有约2到3亿年的年龄,是非常年轻的恒星.北落师门星b质量约为木星的3倍,环绕北落师门星运行一圈的周期为872年.为简单起见,把所有的环绕运动都看作匀速圆周运动,根据以上叙述可以求得( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力公式=m
,
r=
北落师门星b环绕距离地球约25光年的“北落师门”恒星运转,周期为872年.
地球绕太阳匀速圆周运动,周期为1年.
北落师门星质量约为太阳质量的2.3倍,所以能求得北落师门星b与地球的圆运动半径比,
由于木星的圆运动得周期不知道,所以不能求解北落师门星b与木星的圆运动半径比.故A错误,B正确
C、根据公式v=知,
所以能北落师门星b与地球的圆运动线速度比,不能求出北落师门星b与木星的圆运动线速度比.故C错误,D正确.
故选BD.
“神舟六号”载人飞船于2005年10月12日上午9点整在酒泉航天发射场发射升空.由长征运载火箭将飞船送入近地点为A、远地点为B的椭圆轨道上,A点距地面的高度为h1,飞船飞行五圈后进行变轨,进入预定圆轨道,如图所示.在预定圆轨道上飞行N圈所用时间为t,于10月17日凌晨在内蒙古草原成功返回.已知地球表面重力加速度为g,地球半径为R.求:
(1)飞船在A点的加速度大小.
(2)远地点B距地面的高度.
(3)沿着椭圆轨道从A到B的时间.
正确答案
解:(1)飞船在A点所受的万有引力F=.
由黄金代换式GM=gR2,得F=,
根据牛顿第二定律a=.
故飞船在A点的加速度为.
(2),T=
所以r=
由黄金代换式GM=gR2,r=,所以h=
故远地点B距地面的高度为.
(3)椭圆轨道的半长轴R′=
根据开普勒第三定律
T′==2π
所以沿着椭圆轨道从A到B的时间
解析
解:(1)飞船在A点所受的万有引力F=.
由黄金代换式GM=gR2,得F=,
根据牛顿第二定律a=.
故飞船在A点的加速度为.
(2),T=
所以r=
由黄金代换式GM=gR2,r=,所以h=
故远地点B距地面的高度为.
(3)椭圆轨道的半长轴R′=
根据开普勒第三定律
T′==2π
所以沿着椭圆轨道从A到B的时间
假设发射两颗探月卫星A和B,如图所示,其环月飞行距月球表面的高度分别为200km和100km.若环月运行均可视为匀速圆周运动,则( )
正确答案
解析
解:A、设卫星的质量为m、轨道半径为r、月球质量为M,嫦娥卫星绕月球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力得:
=m
=ma=m
=mω2r
A、向心加速度a=,卫星A的轨道半径大于B的轨道半径,所以B环月运行时向心加速度比A大,故A错误;
B、v=,卫星A的轨道半径大于B的轨道半径,所以B环月运行的速度比A大,故B错误;
C、周期T=2π,卫星A的轨道半径大于B的轨道半径,所以B环月运行的周期比A小,故C正确;
D、角速度ω=,卫星A的轨道半径大于B的轨道半径,所以B环月运行的角速度比A大,故D错误;
故选:C.
某人造地球卫星沿圆轨道运行,轨道半径是6.8×103km,周期是5.6×103s,引力常量G=6.67×10-11N•m/kg2.试根据这些数据估算地球的质量.(注:π2≈10)
正确答案
解:令地球质量为M,卫星的质量为m,根据卫星圆周运动的向心力由万有引力提供得:
由此可得地球质量M==
=6.0×1024kg
答:地球的质量为6.0×1024kg.
解析
解:令地球质量为M,卫星的质量为m,根据卫星圆周运动的向心力由万有引力提供得:
由此可得地球质量M==
=6.0×1024kg
答:地球的质量为6.0×1024kg.
2012年2月25日凌晨,我国成功地将第十一颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道,它最终被定点成为一颗地球同步轨道卫星.理论上认为:均匀分布在地球赤道平面上空的三颗同步通信卫星,能够实现除地球南、北极等少数地区外的“全球通信”.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、卫星的转移轨道是椭圆轨道,在转移轨道的远地点与同步卫星轨道相切,当卫星在转移轨道上运动到同步卫星轨道处时,若卫星不增加运动速度,则引力大于卫星在转移轨道上的向心力而做近心运动,所以只有在进入同步轨道时加速,使得万有引力等于向心力,而让卫星做圆周运动,故A正确;
B、卫星在转移轨道上的半长轴小于在同步卫星轨道上的半径,根据开普勒行星运动定律知,卫星在转移轨道上的周期小于同步轨道的周期,故B错误;
C、在地球表面重力与万有引力相等,故有可得:GM=gR2根据万有引力提供圆周运动向心力有:
,知同步卫星轨道半径
=
,根据几何关系平均分布的三颗卫星间的距离为:L=2rsin60°=2×
=
,故C正确;
D、因为同步卫星的周期与地球自转周期相同,由向心加速度知,向心加速度与半径r成正比,故由于同步卫星半径大,故向心加速度大,故D错误.
故选:AC
宇航员乘飞船前往A星球,其中有一项任务是测该星球的密度.已知该星球的半径为R,引力常量为G.结合已知量有同学为宇航员设计了以下几种测量方案.你认为正确的是( )
正确答案
解析
解:AB:星球的质量:M=ρ•,①,
飞船绕星球在任意高度运行时,万有引力提供向心力,即:=m
(R+h) ②,
联立①②解得:ρ= ③
从公式中可以判定,飞船绕星球在任意高度运行时测出飞船的运行周期T和飞船到星球的距离h,故A错误,B正确.
C:飞船绕星球表面运行时:h=0,③简化为:ρ=,故C正确;
D:着陆后,重力等于万有引力,即:=mg④
联立①④解得:ρ=,从公式中可以知道,密度与星球表面的重力加速度有关,故D正确.
故选:BCD
一颗近地人造地球卫星绕地球运行的周期为84分钟,假如月球绕地球运行的周期为30天,则月球运行的轨道半径约为地球半径的______倍.
正确答案
64
解析
解:卫星绕地球运行时由地球的万有引力充当向心力,
根据G=m
r,得
r=
已知T卫:T月=85min:(30×24×60)min=1:508
则得 r卫:r月≈1:64
而近地卫星的轨道半径近似等于地球的半径,所以月球运行的轨道半径约为地球半径的64倍.
故答案为:64.
如图所示,北斗导航系统中两颗卫星,均为地球同步卫星.某时刻位于轨道上的A、B两位置.设地球表面处的重力加速度为g,地球半径为R,地球自转周期为T.则( )
正确答案
解析
解:在地球表面重力与万有引力相等有
A、同步卫星的周期为T,但同步卫星的轨道半径不为R,故A错误;
B、根据万有引力提供圆周运动向心力有可得卫星轨道半径r=
=
=
,故B正确;
C、两颗卫星均为同步卫星,相对赤道位置固定,故卫星1不可以由A运动到B故,C错误;
D、卫星圆周运动过程中速度方向始终与引力方向垂直,故引力对卫星不做功,故D错误.
故选:B.
(2015•陕西校级二模)2012年6月18日,神州九号飞船与天宫一号目标飞行器在离地面343km的近圆轨道上成功进行了我国首次载人空间交会对接.对接轨道所处的空间存在极其稀薄的大气,下面说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、又第一宇宙速度为最大环绕速度,天宫一号的线速度一定小于第一宇宙速度.故A错误;
B、根据万有引力提供向心力有:=m
⇒v=
,得轨道高度降低,卫星的线速度增大,故动能将增大,所以B正确;
C、卫星本来满足万有引力提供向心力即=m
,由于摩擦阻力作用卫星的线速度减小,
提供的引力大于卫星所需要的向心力故卫星将做近心运动,即轨道半径将减小,故C正确;
D、失重状态说明航天员对悬绳或支持物体的压力为0,而地球对他的万有引力提供他随天宫一号围绕地球做圆周运动的向心力,所以D错误
故选:BC.
某科技探究小组记录了一些与地球、月球有关的数据如下表所示,利用这些数据来计算地球表面与月球表面之间的距离s.则下列运算公式中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由题意知激光器发出的激光从地球表面经月球表面反射被地球接收,激光通过的距离ct是地球表面到月球表面距离的两倍,故A错误;
B、根据圆周运动线速度与周期的关系有所以
是月于绕地球做圆周运动的轨道半径即地心到月心的距离,不是地球表面到月球表面的距离,故B错误;
C、月球绕地球圆周运动的向心加速度不为地球的重力加速度,故不能根据mg=求地月距离,故C错误;
D、以月球为研究对象,月球绕地球公转时半径为R′,由地球的万有引力提供向心力.设地球质量为M,月球的质量为m,则得:,又在地球表面,有:
联立上两式得:R′=
则有:s=R′-R-r=-R-r.故D正确.
故选:D
有一宇宙飞船到了某行星上(该行星没有自转运动),以速度v接近行星赤道表面匀速飞行,测出运动的周期为T,已知引力常量为G,则可得( )
正确答案
解析
解:A、根据线速度与周期的关系知可知,该行星的半径
,故A正确;
B、根据万有引力提供圆周运动向心力有:可知,行星的质量M=
,又结合行星的质量M=ρ
,比较两式可以消去半径r,故可以计算出行星的平均密度,故B正确;
C、由B知行星的质量可以表示为M=,又由A知行星半径为:
,故可以根据已知数据解出行星的质量,故C错误;
D、飞船绕行星圆周运动时,重力完全提供圆周运动向心力,故有mg=,所以行星表面重力加速度
=
,故D正确.
故选:ABD
现在,人造地球卫星发挥着越来越重要的作用.2014年3月8日凌晨,飞往北京的马航MH370航班起飞后与地面失去联系,机上有我们154名中国人.我国西安卫星测控中心启动卫星测控应急预案,紧急调动海洋、风云、高分、遥感等4个型号、近10颗卫星为地面搜救行动提供技术支持.假设某颗圆周运动卫星A轨道在赤道平面内,距离地面的高度为地球半径的2.5倍,取同步卫星B离地面高度为地球半径的6倍,则( )
正确答案
解析
解:A、第一宇宙速度是近地卫星运行速度同时也是围绕地球做圆周运动的最大速度,故A错误;
B、在地球表面有:可得
,
卫星A的轨道RA=3.5R,万有引力提供向心力有:=ma,则
其向心加速度a==
,故B正确;
C、同步卫星与地球自转角速度相同,根据a=rω2知,向心加速度与轨道半径成正比,故C错误;
D、根据万有引力提供圆周运动向心力知得:T=
,又知半径大的B卫星周期大,故D错误.
故选:B.
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