- 万有引力与航天
- 共16469题
已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,引力常量为G,不考虑地球自转的影响.
(1)求卫星环绕地球运行的第一宇宙速度v1;
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动且运行周期为T,求卫星运行半径r.
正确答案
解:(1)设卫星的质量为m,地球的质量为M,物体在地球表面附近时,有:
G=mg ①
卫星做圆周运动时,万有引力提供向心力,即:
G=m
②
联立解得,v1=
(2)卫星绕地球做匀速圆周运动,由万有引力充当向心力,则有:
G=m
r ③
联立①③解得,r=
答:(1)卫星环绕地球运行的第一宇宙速度v1是.
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动且运行周期为T,卫星运行半径r为.
解析
解:(1)设卫星的质量为m,地球的质量为M,物体在地球表面附近时,有:
G=mg ①
卫星做圆周运动时,万有引力提供向心力,即:
G=m
②
联立解得,v1=
(2)卫星绕地球做匀速圆周运动,由万有引力充当向心力,则有:
G=m
r ③
联立①③解得,r=
答:(1)卫星环绕地球运行的第一宇宙速度v1是.
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动且运行周期为T,卫星运行半径r为.
北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统(CNSS),其空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星,如图甲所示,为简便起见,认为其中一颗卫星轨道平面与地球赤道平面重合,绕地心做匀速圆周运动(如图乙所示).已知地球表面重力加速度为g,地球的半径R,该卫星绕地球匀速圆周运动的周期为T,求该卫星绕地球作匀速圆周运动的轨道半径r.
正确答案
解:在地球表面重力与万有引力相等有:
①
万有引力提供同步卫星圆周运动的向心力有:
②
由①②两式可解得:r=
答:该卫星绕地球作匀速圆周运动的轨道半径r为.
解析
解:在地球表面重力与万有引力相等有:
①
万有引力提供同步卫星圆周运动的向心力有:
②
由①②两式可解得:r=
答:该卫星绕地球作匀速圆周运动的轨道半径r为.
某探月卫星绕月球做匀速圆周运动,设卫星距月球表面的高度为h,已知月球半径为R,月球表面的重力加速度g,引力常量为G,求:
(1)月球的第一宇宙速度;
(2)卫星绕月球运动的周期.
正确答案
解:(1)根据近月卫星的万有引力提供向心力得:
=m
根据近月卫星的万有引力等于重力,有:
=mg
第一宇宙速度是近表面的运行速度,即:v=.
(2)根据万有引力提供向心力,有:
解得:v=
卫星绕月球运动的周期为:T==2π(R+h)
.
答:(1)月球的第一宇宙速度是;
(2)卫星绕月球运动的周期是2π(R+h).
解析
解:(1)根据近月卫星的万有引力提供向心力得:
=m
根据近月卫星的万有引力等于重力,有:
=mg
第一宇宙速度是近表面的运行速度,即:v=.
(2)根据万有引力提供向心力,有:
解得:v=
卫星绕月球运动的周期为:T==2π(R+h)
.
答:(1)月球的第一宇宙速度是;
(2)卫星绕月球运动的周期是2π(R+h).
航天飞机是能往返于地球与太空间的载人飞行器,利用航天飞机既可将人造卫星送入预定轨道,也可以到太空去维修出现故障的地球卫星.
(1)航天飞机对圆形轨道上的卫星进行维修时,两者的速度必须基本相同.待维修的卫星所在的圆形轨道离地面的高度是h,地球的半径为R,地球表面的重力加速度为g,试求维修卫星时航天飞机的速度;
(2)航天飞机无动力滑翔着陆,当速度达到某值时从尾部弹出减速伞,以使航天飞机迅速减速.若航天飞机质量为m,弹出减速伞后在水平跑道上滑行的距离为s,受到的平均阻力为f,求刚从尾部弹出减速伞时航天飞机的速度.
正确答案
解:(1)根据万有引力提供向心力得:
=m
r=R+h
根据万有引力等于重力得:=mg.
联立解得:速度v==
.
(2)根据动能定理研究弹出减速伞后在水平跑道上滑行的过程,列出等式
-fs=0-m
v0=,
答:(1)维修卫星时航天飞机的速度大小是;(2)刚从尾部弹出减速伞时航天飞机的速度大小是
.
解析
解:(1)根据万有引力提供向心力得:
=m
r=R+h
根据万有引力等于重力得:=mg.
联立解得:速度v==
.
(2)根据动能定理研究弹出减速伞后在水平跑道上滑行的过程,列出等式
-fs=0-m
v0=,
答:(1)维修卫星时航天飞机的速度大小是;(2)刚从尾部弹出减速伞时航天飞机的速度大小是
.
2007年10月24日,搭载着我国首颗探月卫星嫦娥一号的长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心三号塔架点火发射.“嫦娥奔月”这个在中国流传了千年的传说,在这个明媚的秋日变为现实.随着中国自主研制的第一个月球探测器--嫦娥一号卫星飞向太空,自强不息的中国航天人,又将把中华民族的崭新高度镌刻在太空中.已知嫦娥一号绕月运行的圆轨道半径为r,周期为T1.若月球的半径为R,自转周期为T2,万有引力常量为G.试求:
(1)月球的平均密度.
(2)月球同步卫星的线速度.
正确答案
解:(1)嫦娥一号绕月做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,解得月球的质量为
月球的体积为
所以月球的密度;
(2)月球的同步卫星绕月球做圆周运动,设同步卫星离地面的高度为h,根据万有引力提供向心力
解得R+h=
所以v==
;
答:(1)月球的平均密度为.
(2)月球同步卫星的线速度为.
解析
解:(1)嫦娥一号绕月做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,解得月球的质量为
月球的体积为
所以月球的密度;
(2)月球的同步卫星绕月球做圆周运动,设同步卫星离地面的高度为h,根据万有引力提供向心力
解得R+h=
所以v==
;
答:(1)月球的平均密度为.
(2)月球同步卫星的线速度为.
我国航天计划的下一个目标是登上月球,当飞船靠近月球表面的圆形轨道绕行几圈后登陆月球,飞船上备有以下实验器材:
A.计时表一只; B.弹簧测力计一把 C.已知质量为m的物体一个;
已知宇航员在绕行时及着路后做了一次测量,依据测量的数据,可求出月球表面的重力加速度g及月球的半径R(已知万有引力常量为G).
(1)两次测量的物理量是______和______;(写出所测物理量的名称及符号)
(2)试用所给物理量的符号分别写出月球表面的重力加速度和月球半径R的表达式g______,R=______.(用题中和(1)中的已知量的符号表示)
正确答案
解:由牛顿第二定律F=mg,得:g=
重力等于万有引力:
万有引力等于向心力:
由以上两式解得:=
因此需要测量的物理量为:飞船绕行周期T和质量为m的物体重力F.
故答案为:(1)飞船绕行周期T;质量为m的物体重力F;(2);
解析
解:由牛顿第二定律F=mg,得:g=
重力等于万有引力:
万有引力等于向心力:
由以上两式解得:=
因此需要测量的物理量为:飞船绕行周期T和质量为m的物体重力F.
故答案为:(1)飞船绕行周期T;质量为m的物体重力F;(2);
2013年6月13日13时18分,“神舟10号”载人飞船成功与“天宫一号”目标飞行器交会对接.如图所示,“天宫一号”对接前从圆轨道Ⅰ变至圆轨道Ⅱ,已知地球半径为R,轨道Ⅰ距地面高度h1,轨道Ⅱ距地面高度h2,则关于“天宫一号”的判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,调整前,得
.同理调整后
所以,故A错误.
B、根据万有引力提供向心力,调整前,得
,同理调整后的周期为
所以,故B正确.
C、根据万有引力提供向心力,调整前,得
,同理调整后的加速度为
,
所以,故C错误.
D、在轨道Ⅰ需要减速做近心运动才能变至轨道Ⅱ,故D错误.
故选:B.
人造地球卫星A和B,它们的质量之比为mA:mB=1:2,它们的轨道半径之比为2:1,则它们受到地球的引力之比为______,运行速度大小之比为______,运行周期之比为______,运行角速度之比为______.
正确答案
1:8
1:
2:1
1:2
解析
解:人造地球卫星的万有引力充当向心力,即F=.
M是地球的质量,m、r、T、ω分别为卫星质量、轨道半径、周期和角速度.
则得 v=,T=2π
,ω=
由题卫星A和B的质量之比为mA:mB=1:2,轨道半径之比为2:1,则由上式可得,FA:FB=1:8,它们的运行速度大小之比为 vA:vB=1:,它们的运行周期之比为TA:TB=2
:1,
它们的运角速度之比为ωA:ωB=1:2.
故答案为:1:8;1:;2
:1;1:2
.
宇宙飞船在受到星球的引力作用时,宇宙飞船的引力势能大小的表达式为,式中R为此星球球心到飞船的距离,M为星球的质量,m为宇宙飞船的质量,G为万有引力恒量.现有一质量m=104kg的宇宙飞船从地球表面飞到月球,则:
(1)写出宇宙飞船在地球表面时的引力势能表达式(不要计算出数值,地球质量为M地、月球质量为M月).
(2)宇宙飞船在整个飞行过程中至少需做多少功?
(已知月球表面重力加速度为地球表面重力加速度的,地球半径R地=6.4×106m,月球半径R月=1.7×106m,月球到地球距离R地月=3.8×108m(提示:R地月>>R地,R地月>>R月).
正确答案
解:(1)宇宙飞船在地球表面时的引力势能:
Ep1=--
(2)宇宙飞船在月球表面时的引力势能:
Ep2=--
所以需做功:
W=Ep2-Ep1=Gm(--
+
+
)
由于R地月>>R地,R地月>>R月
W=Gm(-+
+
) ①
由=mg,②
同理可得GM月=g
③
代入上式,得:
W=m(-g
+g
-
+
)
=5.89×1011J
答:(1)写出宇宙飞船在地球表面时的引力势能表达式是Ep1=--
.
(2)宇宙飞船在整个飞行过程中至少需做5.89×1011J 功.
解析
解:(1)宇宙飞船在地球表面时的引力势能:
Ep1=--
(2)宇宙飞船在月球表面时的引力势能:
Ep2=--
所以需做功:
W=Ep2-Ep1=Gm(--
+
+
)
由于R地月>>R地,R地月>>R月
W=Gm(-+
+
) ①
由=mg,②
同理可得GM月=g
③
代入上式,得:
W=m(-g
+g
-
+
)
=5.89×1011J
答:(1)写出宇宙飞船在地球表面时的引力势能表达式是Ep1=--
.
(2)宇宙飞船在整个飞行过程中至少需做5.89×1011J 功.
2011年11月3日1时43分,中国自行研制的神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器在距地球343公里的轨道实现自动对接.如图所示,当神舟八号飞船从远地点330km的椭圆轨道1变为330公里的近圆轨道2时,神州八号的速度应______(填“增大”或“减小”);在对接前的一个阶段,天宫一号和神州八号在同一轨道上一前一后,以7.8km/s的速率高速飞行.假设此阶段中它们的发动机已经关闭,那么此时“神州八号”的加速度______“天宫一号”的加速度(填“大于”、“小于”或“等于”).(图中轨道高度没有按实际比例画出)
正确答案
增大
等于
解析
解:神舟八号飞船从远地点330km的椭圆轨道变为330km的近圆轨道时,神舟八号的速度应增大,使之做离心运动才能实现.在同一轨道上运动时,
由线速度公式v=分析得知天宫一号和神舟八号速度大小相等,
由a=得知两者的加速度大小相等.
故答案为:增大,等于
甲,乙两颗人造卫星在同一平面内沿同一方向做匀速圆周运动,甲卫星距离地面的高度是地球半径的,乙卫星距离地面的高度是地球半径的5倍.某时刻两卫星相距最近,问:经过多少个乙卫星做圆周运动的周期,两卫星第一次相距最远?
正确答案
解:(1)由题甲乙两卫星的轨道分别为 r1=,r2=6R
由开普勒行星运动规律,k相同,则得
所以=
=
设经过t时间 二者第一次相距最远,若两卫星同向运转,此时甲比乙多转π角度,
则
这段时间乙经过的周期数为n=
解得,n=
答:经过个乙卫星做圆周运动的周期,两卫星第一次相距最远.
解析
解:(1)由题甲乙两卫星的轨道分别为 r1=,r2=6R
由开普勒行星运动规律,k相同,则得
所以=
=
设经过t时间 二者第一次相距最远,若两卫星同向运转,此时甲比乙多转π角度,
则
这段时间乙经过的周期数为n=
解得,n=
答:经过个乙卫星做圆周运动的周期,两卫星第一次相距最远.
如一颗做匀速圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍,仍做匀速圆周运动,则( )
正确答案
解析
解:设地球的质量为M,卫星的质量为m,轨道半径为r,向心力为F.
卫星绕地球做匀速圆周运动,由地球的万有引力提供向心力,则得:
F=G=m
=m
r
则得:v=,T=2π
当卫星的轨道半径增大到原来的2倍时,由上式可知,线速度减小到原来的,向心力变为原来的
,周期增大到原来的2
倍,故ABD错误,C正确.
故选:C
2011年9月29日21时16分天宫一号顺利发射升空,这是中国向空间站时代迈出的坚实一步.天宫一号经过两次变轨,进入高度约343千米的圆形对接轨道,此时的运动可以视作匀速圆周运动.等待11月份与神八交会对接.若地球半径为6400km.地球表面重力加速度g=10m/s2.
(1)则天宫一号的运行速度多大?
(2)则天宫一号的运行周期约为多少分钟?
正确答案
解:(1)“天宫一号”绕地球做圆周运动的向心力由地球对它的万有引力提供,根据牛顿第二定律,有:
G=m
…①
在地球表面,重力等于万有引力,有:G=m′g…②
联立解得:v==
m/s=7.79km/s
(2)天宫一号的运行周期为:T==
s=5.43×103s=90.5min
答:(1)则天宫一号的运行速度是7.79km/s.
(2)则天宫一号的运行周期约为90.5min.
解析
解:(1)“天宫一号”绕地球做圆周运动的向心力由地球对它的万有引力提供,根据牛顿第二定律,有:
G=m
…①
在地球表面,重力等于万有引力,有:G=m′g…②
联立解得:v==
m/s=7.79km/s
(2)天宫一号的运行周期为:T==
s=5.43×103s=90.5min
答:(1)则天宫一号的运行速度是7.79km/s.
(2)则天宫一号的运行周期约为90.5min.
欧盟和我国合作的“伽利略”全球定位系统的空间部分由平均分布在三个轨道面上的30颗轨道卫星组成,每个轨道平面上等间距部署10颗卫星,从而实现高精度的导航定位.现假设“伽利略”系统中每颗卫星均绕地心 O做匀速圆周运动,轨道半径为r,一个轨道平面上某时刻10颗卫星所在位置分布如图所示.其中卫星1和卫星3分别位于轨道上的A、B两位置.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.则以下判断中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力G=ma和黄金代换式GM=gR2,
可得a=.故A错误.
B、根据万有引力提供向心力G=m
和黄金代换式GM=gR2,
可得这10颗卫星的运行速度大小为,故B错误
C、7.9km/s是第一宇宙速度,是发射卫星的最小速度,是卫星绕地球运动的最大速度,故这些卫星的运行速度均小于7.9km/s,故C错误
D、根据万有引力提供向心力G=mrω 2,ω=
,GM=gR2,
所以A由位置运动到位置B所需的时间t=,故D正确
故选D.
一颗人造卫星的质量为m,离地面的高度为h,卫星做匀速圆周运动,已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,求:
(1)卫星运行的速率v;
(2)卫星环绕地球运行的周期T.
正确答案
解:卫星绕地球做圆周运动,万有引力提供向心力;
(1)由牛顿第二定律得:G=m
,
地球表面的物体:G=m′g,
解得:v=R;
(2)卫星的周期:T==
;
答:(1)卫星运行的速率v为R;
(2)卫星环绕地球运行的周期T为.
解析
解:卫星绕地球做圆周运动,万有引力提供向心力;
(1)由牛顿第二定律得:G=m
,
地球表面的物体:G=m′g,
解得:v=R;
(2)卫星的周期:T==
;
答:(1)卫星运行的速率v为R;
(2)卫星环绕地球运行的周期T为.
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